curso de destilação e extração - cofic - destilação - 07 e 08

DESTILAÇÃODESTILAÇÃO

SENAI/CETINDSENAI/CETIND

Curso: Formação de OperadoresCurso: Formação de Operadores

Instrutor: Francisco Luiz Gumes LopesInstrutor: Francisco Luiz Gumes Lopes

D E S T I L A Ç Ã OD E S T I L A Ç Ã O Visa separar os componentes de uma fase líquida Visa separar os componentes de uma fase líquida

através de sua vaporização parcial. através de sua vaporização parcial. Separa uma mistura de líquidos miscíveis através da Separa uma mistura de líquidos miscíveis através da

adição de calor. adição de calor. Normalmente realiza-se em estágios nos quais duas Normalmente realiza-se em estágios nos quais duas

correntes (um líquido e um vapor) entram em correntes (um líquido e um vapor) entram em contato para produzir duas outras correntes cujas contato para produzir duas outras correntes cujas composições diferem das originais.composições diferem das originais.

Destilação – é a separação dos constituintes de uma mistura líquida homogênea, através da transferência de calor e massa do líquido para o vapor e do vapor para o líquido.

É um processo industrial cujo objetivo é É um processo industrial cujo objetivo é

separar duas ou mais substâncias presentes em separar duas ou mais substâncias presentes em

uma mistura líquida pela aplicação ou remoção uma mistura líquida pela aplicação ou remoção

de calor ou pelo abaixamento de pressão. de calor ou pelo abaixamento de pressão.

Se baseia na diferença de volatilidade e no Se baseia na diferença de volatilidade e no

princípio do equilíbrio entre as fases líquida e princípio do equilíbrio entre as fases líquida e

vapor entre estes constituintes.vapor entre estes constituintes.

VolatilidadeVolatilidade é a medida da facilidade que uma é a medida da facilidade que uma

dada substância tem para passar à fase vapor.dada substância tem para passar à fase vapor.

D E S T I L A Ç Ã OD E S T I L A Ç Ã O


CONCEITOS IMPORTANTESPonto de Bolha é a temperatura onde principia a vaporização de um líquido

Ponto de Orvalho é a temperatura onde principia a condensação do vapor

É uma operação unitária empregada em boa parte dos processos químicos, notadamente na

petroquímica.

No caso de componentes puros o ponto de bolha coincide com o ponto de ebulição e o

ponto de orvalho com o ponto de condensação

Pressão ParcialPressão Parcial: a pressão parcial de um gás num : a pressão parcial de um gás num

recipiente contendo uma mistura gasosa é definida como recipiente contendo uma mistura gasosa é definida como

a pressão que esse gás exerceria se estivesse sozinho no a pressão que esse gás exerceria se estivesse sozinho no

recipiente.recipiente.

Pressão de VaporPressão de Vapor: é a pressão na superfície livre acima : é a pressão na superfície livre acima

de um líquido em um recipiente fechado após a obtenção de um líquido em um recipiente fechado após a obtenção

do estado de equilíbrio. Esta pressão exercida pelo vapor do estado de equilíbrio. Esta pressão exercida pelo vapor

formado é chamada de pressão de vapor do líquido a formado é chamada de pressão de vapor do líquido a

temperatura T, desde que a temperatura seja mantida temperatura T, desde que a temperatura seja mantida

constante.constante.

D E S T I L A Ç Ã OD E S T I L A Ç Ã OCONCEITOS IMPORTANTES

Quando duas fases são postas em contato elas tendem a Quando duas fases são postas em contato elas tendem a trocar seus constituintes até que a composição de cada trocar seus constituintes até que a composição de cada fase atinja um valor constante. Quando isto acontece, fase atinja um valor constante. Quando isto acontece, diz-se que o sistema está em diz-se que o sistema está em Equilíbrio Termodinâmico;Equilíbrio Termodinâmico;

As fases em contato podem ser líquidas, sólidas ou As fases em contato podem ser líquidas, sólidas ou gasosas;gasosas;

Quando só há um componente nas fases, obviamente a Quando só há um componente nas fases, obviamente a composição de cada fase será igual;composição de cada fase será igual;

Quando há mais de um componente nas fases, em geral Quando há mais de um componente nas fases, em geral as composições de cada fase serão diferentes. Esta é a as composições de cada fase serão diferentes. Esta é a base dos processos de separação por equilíbrio de base dos processos de separação por equilíbrio de fases;fases;

D E S T I L A Ç Ã OD E S T I L A Ç Ã OCONCEITOS IMPORTANTES: EQUILÍBRIO DE FASES

D E S T I L A Ç Ã OD E S T I L A Ç Ã OEQUILÍBRIO LÍQUIDO-VAPOR

Ponto de equilíbrio em que o número de moléculas que abandonam o líquido é igual ao número de moléculas que retornam do vapor ao líquido.A pressão no recipiente será a pressão de vapor da mistura na temperatura fixada. A composição do líquido e do vapor não mais se alterará.

O vapor de uma mistura em ebulição será mais O vapor de uma mistura em ebulição será mais

rico nos componentes que possuem menor ponto rico nos componentes que possuem menor ponto

de ebulição (mais volátil) que a mistura original, de ebulição (mais volátil) que a mistura original,

enquanto que o líquido remanescente conterá enquanto que o líquido remanescente conterá

mais o material menos volátil.mais o material menos volátil.

D E S T I L A Ç Ã OD E S T I L A Ç Ã OEQUILÍBRIO LÍQUIDO-VAPOR

Equilíbrio entre as fases líquida

e vapor

A formação do vapor na temperatura de ebulição A formação do vapor na temperatura de ebulição

tem lugar simultaneamente em toda a massa do tem lugar simultaneamente em toda a massa do

líquido.líquido.

A evaporação tem lugar em temperaturas A evaporação tem lugar em temperaturas

quaisquer, porém, somente na superfície livre, quaisquer, porém, somente na superfície livre,

desde que a pressão parcial do vapor acima da desde que a pressão parcial do vapor acima da

superfície seja inferior à de saturação para a superfície seja inferior à de saturação para a

temperatura do líquido.temperatura do líquido.

Quando um líquido é aquecido ocorre evaporação Quando um líquido é aquecido ocorre evaporação

e esta sempre precede a ebulição, crescendo com e esta sempre precede a ebulição, crescendo com

a temperatura.a temperatura.

D E S T I L A Ç Ã OD E S T I L A Ç Ã OEBULIÇÃO X EVAPORAÇÃO

Alguns fatores devem ser considerados Alguns fatores devem ser considerados na seleção de um processo de separação:na seleção de um processo de separação:

1. 1. ViabilidadeViabilidade

Capacidade em realizar a separação; Capacidade em realizar a separação;

Eficiência de separação;Eficiência de separação;

Deve ser capaz de obter a pureza desejada; Deve ser capaz de obter a pureza desejada; e e

Condições extremas de pressão e Condições extremas de pressão e temperatura devem ser evitadas.temperatura devem ser evitadas.

PROCESSOS DE SEPARAÇÃOPROCESSOS DE SEPARAÇÃO

Alguns fatores devem ser considerados Alguns fatores devem ser considerados na seleção de um processo de separaçãona seleção de um processo de separação

2. 2. Valor do produtoValor do produto

Produtos de baixo valor comercial serão mais Produtos de baixo valor comercial serão mais

viáveis de serem obtidos em processos com baixo viáveis de serem obtidos em processos com baixo

consumo de energia, de baixo custo de produção, consumo de energia, de baixo custo de produção,

com pequeno investimento e em grandes plantas com pequeno investimento e em grandes plantas

industriais.industriais.

3. 3. Degradação do produtoDegradação do produto

Altas temperaturas em sistemas com produtos Altas temperaturas em sistemas com produtos

pesados pode levar a um craqueamento ou pesados pode levar a um craqueamento ou

polimerização.polimerização.

Alguns fatores devem ser Alguns fatores devem ser considerados na seleção de um considerados na seleção de um

processo de separaçãoprocesso de separação

4. 4. Consumo de energiaConsumo de energia

5. 5. Propriedades físico-químicasPropriedades físico-químicas

Pressão de vapor;Pressão de vapor;

Solubilidade;Solubilidade;

Tamanho de partículas;Tamanho de partículas;

Ponto de Fusão.Ponto de Fusão.

Como ocorre a destilação industrial. Ex: Como ocorre a destilação industrial. Ex: CC44 e C e C55

1. Considere a mistura líquida de C4 e C5 aquecida à 95,5º C. O C4, mais volátil, vaporiza proporcionalmente mais moléculas que o C5.2. No segundo vaso a temperatura é mais baixa e o líquido que retorna mais frio condensa o C5 (menos volátil), deixando o vapor formado mais rico em C4 que a mistura original.

3. O líquido e o vapor entram em contato no vaso e quando deixam estão em equilíbrio. Quando a composição atinge o valor desejado o processo termina.

Colunas de destilação Colunas de destilação – componentes – componentes principaisprincipais

CascoCasco: cilindro metálico dentro do qual a destilação : cilindro metálico dentro do qual a destilação ocorre.ocorre.

CondensadorCondensador: resfria e condensa o vapor rico no : resfria e condensa o vapor rico no componente mais volátil que deixa a coluna pelo topo.componente mais volátil que deixa a coluna pelo topo.

Pratos/bandejas ou seções de recheiosPratos/bandejas ou seções de recheios: são usados : são usados para propiciar contato íntimo entre as fases. O vapor e o para propiciar contato íntimo entre as fases. O vapor e o líquido que deixam cada estágio se aproximam do líquido que deixam cada estágio se aproximam do equilíbrio térmico, de pressão e de composição, desde que equilíbrio térmico, de pressão e de composição, desde que haja um contato é eficiente nos pratos.haja um contato é eficiente nos pratos.

Vaso de refluxoVaso de refluxo: armazena o vapor condensado. Parte : armazena o vapor condensado. Parte desse condensado retorna a coluna e a outra parte sai desse condensado retorna a coluna e a outra parte sai como produto de topo.como produto de topo.

Refervedor ou reboilerRefervedor ou reboiler: Vaporiza parcialmente o líquido : Vaporiza parcialmente o líquido formado no fundo que retorna a coluna fornecendo calor formado no fundo que retorna a coluna fornecendo calor para promover a separação. O líquido remanescente sai para promover a separação. O líquido remanescente sai como produto de fundo.como produto de fundo.

Colunas de destilação – componentes Colunas de destilação – componentes principaisprincipais

D E S T I L A Ç Ã OD E S T I L A Ç Ã OExemplo Geral

Destilação – Equilíbrio líquido-Destilação – Equilíbrio líquido-vaporvapor

Se for colocado em um recipiente sob vácuo uma Se for colocado em um recipiente sob vácuo uma

determinada quantidade de um líquido puro a uma determinada quantidade de um líquido puro a uma

temperatura constante o líquido tenderá a temperatura constante o líquido tenderá a

vaporizar-se. A vaporização continua até que o vaporizar-se. A vaporização continua até que o

número de moléculas que abandonam o líquido número de moléculas que abandonam o líquido

seja igual ao número de moléculas que deixam o seja igual ao número de moléculas que deixam o

vapor. Diz-se então que o líquido e seu vapor estão vapor. Diz-se então que o líquido e seu vapor estão

em EQUILÍBRIO em EQUILÍBRIO

TERMODINÂMICO. TERMODINÂMICO.

Para substâncias puras, quando a mistura Para substâncias puras, quando a mistura

atinge o equilíbrio o número de moléculas que atinge o equilíbrio o número de moléculas que

abandonam o líquido é igual ao número de abandonam o líquido é igual ao número de

moléculas que deixam o vapor. moléculas que deixam o vapor.

Para uma mistura, quando as fases líquida e o Para uma mistura, quando as fases líquida e o

vapor coexistem em um mesmo sistema, elas vapor coexistem em um mesmo sistema, elas

tendem a trocar seus constituintes até que no tendem a trocar seus constituintes até que no

equilíbrio a composição de cada fase atinja um equilíbrio a composição de cada fase atinja um

valor constante e não mais se alteram por valor constante e não mais se alteram por

maior que seja o tempo.maior que seja o tempo.


As moléculas que passaram da fase líquida para a As moléculas que passaram da fase líquida para a

fase vapor a uma dada temperatura, aumentam a fase vapor a uma dada temperatura, aumentam a

pressão do recipiente. A pressão assim pressão do recipiente. A pressão assim

desenvolvida é denominada Pressão de Vapor. desenvolvida é denominada Pressão de Vapor.

A pressão de vapor é uma importante variável na A pressão de vapor é uma importante variável na

determinação dos estágios de equilíbrio de uma determinação dos estágios de equilíbrio de uma

coluna de destilação uma vez que entra no cálculo coluna de destilação uma vez que entra no cálculo

das composições das fases no equilíbrio e está das composições das fases no equilíbrio e está

relacionada com a ebulição e a volatilidade dos relacionada com a ebulição e a volatilidade dos

compostos.compostos.


Pressão de Vapor

A uma dada temperatura, um líquido puro entra em A uma dada temperatura, um líquido puro entra em

ebulição quando sua pressão de vapor se iguala à ebulição quando sua pressão de vapor se iguala à

pressão da vizinhança.pressão da vizinhança.

Líquidos com altas pressões de vapor (líquidos voláteis) Líquidos com altas pressões de vapor (líquidos voláteis)

irão entrar em ebulição à temperaturas mais baixas irão entrar em ebulição à temperaturas mais baixas

A uma dada pressão externa, quanto menor o ponto de A uma dada pressão externa, quanto menor o ponto de

ebulição maior a pressão de vapor. ebulição maior a pressão de vapor.

A facilidade com a qual o líquido entra em ebulição A facilidade com a qual o líquido entra em ebulição

depende de sua volatilidade. Então quanto maior a depende de sua volatilidade. Então quanto maior a

volatilidade maior a pressão de vapor. volatilidade maior a pressão de vapor.

A destilação ocorre devido às diferenças na volatilidade A destilação ocorre devido às diferenças na volatilidade

dos componentes na mistura líquida.dos componentes na mistura líquida.


Pressão de Vapor

Para uma substância pura, a pressão de vapor Para uma substância pura, a pressão de vapor

depende exclusivamente da temperatura. Quando não depende exclusivamente da temperatura. Quando não

se dispões de dados experimentais, a pressão de se dispões de dados experimentais, a pressão de

vapor pode ser calculada por equações empíricas vapor pode ser calculada por equações empíricas

dentre as quais a Equação de Antoine:dentre as quais a Equação de Antoine:


Pressão de Vapor

CT

BAP v

ln

PPvv é a pressão de vapor da substância pura, é a pressão de vapor da substância pura,

T é a temperatura de equilíbrio (K),T é a temperatura de equilíbrio (K),

A, B, C são constantes que dependem da A, B, C são constantes que dependem da substância.substância.

Exemplo: calcule a pressão de vapor dos Exemplo: calcule a pressão de vapor dos compostos abaixo utilizando a equação de compostos abaixo utilizando a equação de Antoine para as temperaturas de 10, 20 e 30ºC. Antoine para as temperaturas de 10, 20 e 30ºC. Dados:Dados:


Pressão de Vapor

No caso de misturas líquidas, além da temperatura No caso de misturas líquidas, além da temperatura

a pressão de vapor depende das quantidades a pressão de vapor depende das quantidades

relativas dos componentes na mistura, ou seja:relativas dos componentes na mistura, ou seja:

Lei de Konowaloff: nos equilíbrios líquido-vapor de Lei de Konowaloff: nos equilíbrios líquido-vapor de

soluções, a fase gasosa é sempre mais rica no soluções, a fase gasosa é sempre mais rica no

componente mais volátil do que a fase líquida em componente mais volátil do que a fase líquida em

equilíbrio com ela, ou seja: equilíbrio com ela, ou seja:

Pressão de Vapor

),( xTfP v

AA XY

No equilíbrio líquido-vapor e para misturas ideais, a No equilíbrio líquido-vapor e para misturas ideais, a

pressão total exercida por uma mistura gasosa é a soma pressão total exercida por uma mistura gasosa é a soma

das pressões parciais de seus componentes.das pressões parciais de seus componentes.

Sejam YSejam YAA e Y e YBB as frações molares dos componentes A e as frações molares dos componentes A e

B na fase vapor em equilíbrio com a fase líquida de B na fase vapor em equilíbrio com a fase líquida de

composição molar Xcomposição molar XAA e X e XBB, a uma pressão total P. A lei , a uma pressão total P. A lei

de Dalton afirma que:de Dalton afirma que:


Lei de Dalton

Pyp ii .

A pressão parcial é a pressão que um A pressão parcial é a pressão que um

componente i de uma mistura gasosa componente i de uma mistura gasosa

exerceria se estivesse sozinho no recipiente. exerceria se estivesse sozinho no recipiente.

Pode ser vista como a contribuição de i para a Pode ser vista como a contribuição de i para a

pressão total.pressão total.

A pressão total é calculada como sendo a A pressão total é calculada como sendo a

soma das pressões parciais, ou seja:soma das pressões parciais, ou seja:


Lei de Dalton

ipP


A Lei de Raoult relaciona a pressão parcial de A Lei de Raoult relaciona a pressão parcial de um componente com a sua concentração um componente com a sua concentração molar no líquido e com a sua pressão de molar no líquido e com a sua pressão de vapor, ou seja:vapor, ou seja:

A solução líquida ideal é definida como sendo A solução líquida ideal é definida como sendo aquela que obedece a LEI DE RAOULT em aquela que obedece a LEI DE RAOULT em todo o intervalo de concentração.todo o intervalo de concentração.

Lei de Raoult

viii Pxp .


A rigor, a Lei de Raoult só é verdadeira para A rigor, a Lei de Raoult só é verdadeira para soluções diluídas, ou para misturas de soluções diluídas, ou para misturas de substâncias que são quimicamente similares. substâncias que são quimicamente similares. Mas, nas soluções ideais, seu comportamento é Mas, nas soluções ideais, seu comportamento é estendido para toda a faixa de composição.estendido para toda a faixa de composição.

Em geral, mistura de isótopos e moléculas não Em geral, mistura de isótopos e moléculas não polares são soluções que se comportam polares são soluções que se comportam idealmente. Exemplo: Benzeno:Tolueno, idealmente. Exemplo: Benzeno:Tolueno, Isopentano:n-pentano, o-xileno:m-xileno:p-xilenoIsopentano:n-pentano, o-xileno:m-xileno:p-xileno

Lei de Raoult


A Lei de Raoult é a equação de uma reta A Lei de Raoult é a equação de uma reta passando pela origem. A maioria da soluções passando pela origem. A maioria da soluções reais apresentam desvios, positivos ou reais apresentam desvios, positivos ou negativos da Lei de Raoult.negativos da Lei de Raoult.

Lei de Raoult

Exemplo: Benzeno Exemplo: Benzeno -Tolueno-Tolueno

Observe que o coef. Observe que o coef. angular de cada reta angular de cada reta representa a Prepresenta a Pvv de de cada componente à cada componente à 100º C, ou seja, 1344 100º C, ou seja, 1344 mmHg e 556 mmHg.mmHg e 556 mmHg.

Utilizando a fração Utilizando a fração molar de 0,263, as molar de 0,263, as pressões parciais pressões parciais são, são, respectivamente, 363 respectivamente, 363 mmHg e 410 mmHg mmHg e 410 mmHg (P total = 763 (P total = 763 mmHg).mmHg).

P

Pxy

vi

ii .Combinando as duas Leis

Não há mudança no volume quando os componentes são misturados

O calor de mistura é zero.

Não há alterações no estado de agregação molecular

Mistura Ideal


Esta expressão é utilizada para calcular as Esta expressão é utilizada para calcular as

composições dos componentes que deixam cada composições dos componentes que deixam cada

prato nas colunas de destilação para misturas prato nas colunas de destilação para misturas

ideais.ideais.

Uma mistura de benzeno e tolueno com 40% molar de benzeno Uma mistura de benzeno e tolueno com 40% molar de benzeno na fase líquida, está em equilíbrio a 90º C. Calcule a composição na fase líquida, está em equilíbrio a 90º C. Calcule a composição na fase vapor, sabendo-se que a pressão de vapor do benzeno e na fase vapor, sabendo-se que a pressão de vapor do benzeno e do tolueno a 90º C são respectivamente 1016 e 405 mmHg.do tolueno a 90º C são respectivamente 1016 e 405 mmHg.

Calcule a composição do líquido em equilíbrio com uma mistura Calcule a composição do líquido em equilíbrio com uma mistura gasosa de benzeno e tolueno com 25% molar de tolueno a 95º C. gasosa de benzeno e tolueno com 25% molar de tolueno a 95º C. Dados 1168 mmHg e 475 mmHg.Dados 1168 mmHg e 475 mmHg.

Calcule a composição da fase vapor de uma mistura de propano Calcule a composição da fase vapor de uma mistura de propano e hexano sabendo que xe hexano sabendo que xc3c3 = x = xc6c6 = 0,5 e que T = 100º F. A = 0,5 e que T = 100º F. A pressão de vapor do propano e do hexano são, respectivamente pressão de vapor do propano e do hexano são, respectivamente 14 e 0,35 kgf/cm14 e 0,35 kgf/cm22 a 100º F. a 100º F.

Exercícios


Diagramas de equilíbrio Diagramas de equilíbrio líquido -vaporlíquido -vapor

Diagramas de equilíbrio são a forma gráfica de representar Diagramas de equilíbrio são a forma gráfica de representar

a interdependência entre temperatura, pressão e composição a interdependência entre temperatura, pressão e composição no equilíbrio para sistemas binários. São bastante utilizados no equilíbrio para sistemas binários. São bastante utilizados por sua simplicidade e facilidade para visualização dessa por sua simplicidade e facilidade para visualização dessa relação entre as variáveis de equilíbrio.relação entre as variáveis de equilíbrio.

Os diagramas de equilíbrio podem ser construídos a partir Os diagramas de equilíbrio podem ser construídos a partir das equações apresentadas até aqui. Os principais tipos de das equações apresentadas até aqui. Os principais tipos de diagramas são:diagramas são:

Pressão vs Composição a T constante;Pressão vs Composição a T constante;

Temperatura vs Composição a P constante;Temperatura vs Composição a P constante;

Composição fase líquida vs composição fase vapor a T ou Composição fase líquida vs composição fase vapor a T ou P constante.P constante.


Mostra como as Mostra como as

composições da fase composições da fase

líquida e vapor que estão líquida e vapor que estão

em equilíbrio variam com em equilíbrio variam com

a temperatura mantida a a temperatura mantida a

pressão constante. Este pressão constante. Este

diagrama é denominado diagrama é denominado

Diagrama de Ponto de Diagrama de Ponto de

ebulição.ebulição.

Temperatura vs composição à constante

Diagrama

Do

Ponto

De Ebulição


Seja um líquido sub-resfriado Seja um líquido sub-resfriado

com fração molar de 40% de A com fração molar de 40% de A

e a e a T1T1..

Quando é aquecido, sua Quando é aquecido, sua

concentração permanece concentração permanece

constante até atingir o constante até atingir o ponto de ponto de

bolha B bolha B quando começa a quando começa a

entrar em ebulição. entrar em ebulição.

Os vapores liberados durante a Os vapores liberados durante a

ebulição tem sua composição de ebulição tem sua composição de

equilíbrio dada pelo ponto C, equilíbrio dada pelo ponto C,

cerca de 80% de A, o dobro da cerca de 80% de A, o dobro da

composição original do líquido.composição original do líquido.

Diagrama do Ponto de Diagrama do Ponto de EbuliçãoEbulição

Continuando o aquecimento até Continuando o aquecimento até uma temperatura intermediária uma temperatura intermediária TT22 o vapor formado vai se o vapor formado vai se

empobrecendo no componente empobrecendo no componente mais volátil pois o componente 2 mais volátil pois o componente 2 também vai passando à fase também vai passando à fase vapor.vapor.

No ponto de orvalho TNo ponto de orvalho Too, resta , resta

apenas um última gota de apenas um última gota de líquido,líquido,

Muito mais rico no componente Muito mais rico no componente 2 que a mistura original (cerca 2 que a mistura original (cerca de 80% de 2)de 80% de 2)

Acima desta temperatura todo o Acima desta temperatura todo o líquido está na fase vapor (ponto líquido está na fase vapor (ponto G; T = TG; T = T22))

Diagrama do Ponto Diagrama do Ponto de Ebuliçãode Ebulição

Diagrama do Ponto de Diagrama do Ponto de EbuliçãoEbulição

Rearranjando as Leis de Dalton e Raoult, Rearranjando as Leis de Dalton e Raoult,

encontram-se equações que determinam as encontram-se equações que determinam as

concentrações molares da fase líquida e da concentrações molares da fase líquida e da

fase vapor de uma mistura binária.fase vapor de uma mistura binária.

Estas concentrações molares são plotadas Estas concentrações molares são plotadas

com a Temperatura, à pressão constante, e com a Temperatura, à pressão constante, e

originam os diagramas deoriginam os diagramas de ebulição.ebulição.

**

*

BA

BA PP

PPX

**

**

BA

BAA PP

PP

P

PY

Exemplo: Construção do diagrama T – XA – YA para a mistura benzeno – tolueno à P = 1 atm.

**

*

BA

BA PP

PPX

**

**

BA

BAA PP

PP

P

PY

TEMPERATURA Pvapor BENZENO Pvapor TOLUENO XA YA

80,1 760 296 1 1

85 877 345 0,780075 0,90016

90 1016 405 0,58101 0,77672

95 1168 475 0,411255 0,63203

100 1344 557 0,25794 0,45614

105 1532 645 0,129650 0,26134

110 1748 743 0,016915 0,03890

110,6 1800 760 0 0

Te Benzeno = 80,1 oC

Te Tolueno = 110,6 oC

Diagramas do Ponto de Diagramas do Ponto de EbuliçãoEbulição

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

80

85

90

95

100

105

110

115

80

85

90

95

100

105

110

115

Linha dos Pontos de Bolha

Linha dos Pontos de Orvalho

L + V

Líquido

Vapor

Te

mp

era

tura

(o C

)

Composição do Benzeno

Diagrama de Ponto de Ebulição: Benzeno – Tolueno


Uma mistura contendo 30% de Benzeno a 95º C Uma mistura contendo 30% de Benzeno a 95º C encontra-se em que estado?encontra-se em que estado?

Qual a temperatura de ebulição de uma mistura Qual a temperatura de ebulição de uma mistura contendo 50% de Benzeno e qual a composição do contendo 50% de Benzeno e qual a composição do primeiro vapor formado?primeiro vapor formado?

Qual a faixa de destilação de uma mistura Qual a faixa de destilação de uma mistura contendo 80% de Tolueno?contendo 80% de Tolueno?

Qual a faixa de destilação de uma mistura Qual a faixa de destilação de uma mistura contendo 40% de Benzeno?contendo 40% de Benzeno?

Qual a temperatura de condensação de uma Qual a temperatura de condensação de uma mistura contendo 20% de Benzeno e qual a mistura contendo 20% de Benzeno e qual a composição da primeira gota formada?composição da primeira gota formada?

Calcule a composição do líquido em equilíbrio com Calcule a composição do líquido em equilíbrio com um vapor que contém 80% de benzeno e 20% de um vapor que contém 80% de benzeno e 20% de tolueno a 95º C.tolueno a 95º C.

Perguntas:


XX11 é a composição do é a composição do

componente mais volátil.componente mais volátil.

Os pontos que estão abaixo Os pontos que estão abaixo da curva de vapor estão da curva de vapor estão inteiramente na fase vapor.inteiramente na fase vapor.

Os pontos que estão acima Os pontos que estão acima da curva do líquido da curva do líquido representam a mistura representam a mistura inteiramente na fase inteiramente na fase líquida.líquida.

Diagrama pressão vs composição à T Diagrama pressão vs composição à T constanteconstante

Mostra como as composições da fase líquida e Mostra como as composições da fase líquida e vapor que estão no equilíbrio variam com a vapor que estão no equilíbrio variam com a pressão mantida a temperatura constante.pressão mantida a temperatura constante.

A região entre as duas curvas contém os sistemas A região entre as duas curvas contém os sistemas onde estão presentes as duas fasesonde estão presentes as duas fases

Diagrama pressão vs composição à T Diagrama pressão vs composição à T constanteconstante

AvA

vB

vA xPPPP .

AvA

vB

vA

vB

vA

yPPP

PPP

.

.

Para misturas binárias ideais pode-se escrever as equações Para misturas binárias ideais pode-se escrever as equações

que relacionam a pressão total com as composições das fases que relacionam a pressão total com as composições das fases

líquida e vapor a partir das Leis de Dalton e de Raoult. Assim:líquida e vapor a partir das Leis de Dalton e de Raoult. Assim:

Diagrama pressão vs composição à Diagrama pressão vs composição à T constanteT constante

Exemplo: Construção do diagrama P – XA – YA para a mistura benzeno – tolueno à T = 100 ºC. Dados Pv

benzeno = 1344 mmHg e Pvtolueno = 557

mmHg.XA YA P (XA) P (YA)

0 0 557 557

0,1 0,1 635,7 591,6447

0,2 0,2 714,4 630,8849

0,3 0,3 793,1 675,7

0,4 0,4 871,8 727,3688

0,5 0,5 950,5 787,5939

0,6 0,6 1029,2 858,6924

0,7 0,7 1107,9 943,9011

0,8 0,8 1186,6 1047,884

0,9 0,9 1265,3 1177,612

1 1 1344 1344

Diagrama P-X-Y para a mistura binária Diagrama P-X-Y para a mistura binária de benzeno e tolueno a 100 ºCde benzeno e tolueno a 100 ºC

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500T = 100oC

P (XA)

P (YA)

L + V

Líquido

Vapor

Pre

ssão

(m

mH

g)

Composição molar do benzeno

Mostra como as composições das fases líquida e vapor Mostra como as composições das fases líquida e vapor que estão no equilíbrio se relacionam entre si.que estão no equilíbrio se relacionam entre si.

Diagrama composição vs composição à T ou Diagrama composição vs composição à T ou P constanteP constante

A curva de equilíbrio A curva de equilíbrio

expressa as composições expressa as composições

no líquido e no vapor do no líquido e no vapor do

composto mais volátil de composto mais volátil de

uma mistura binária. uma mistura binária.

Geralmente as Geralmente as

composições são composições são

medidas em diversas medidas em diversas

temperaturas mantida a temperaturas mantida a

pressão constante.pressão constante.

Diagrama composição vs composição à T ou Diagrama composição vs composição à T ou P constanteP constante

Exemplo: Construção do diagrama XA – YA para a mistura benzeno – tolueno à P = 1 atm.

TEMPERATURA Pvapor BENZENO Pvapor TOLUENO XA YA

80,1 760 296 1 1

85 877 345 0,780075 0,90016

90 1016 405 0,58101 0,77672

95 1168 475 0,411255 0,63203

100 1344 557 0,25794 0,45614

105 1532 645 0,129650 0,26134

110 1748 743 0,016915 0,03890

110,6 1800 760 0 0

Diagrama x versus y:

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

P = 1 atm

Benzeno - Tolueno

Com

posi

ção

mol

ar -

vap

or

Composição molar - líquido

Diagrama composição vs composição à Diagrama composição vs composição à T constanteT constante

Quando a mistura não é ideal, o diagrama do ELV Quando a mistura não é ideal, o diagrama do ELV não é simétrico em relação à perpendicular que não é simétrico em relação à perpendicular que passa ao meio da diagonal, conforme abaixo.passa ao meio da diagonal, conforme abaixo.

Diagrama composição vs composição à T ou P Diagrama composição vs composição à T ou P constanteconstante

D E S T I L A Ç Ã OD E S T I L A Ç Ã OVolatilidade: é a tendência que uma substância tem em passar da fase líquida para a fase vapor. É medida em função de pressão de vapor para uma determinada temperatura..Constante de equilíbrio (K): é relação entre a fração molar do composto na fase vapor e a fração molar do composto na fase líquida. Mede a tendência do componente em vaporizar.

i

ii X

YK


Volatilidade Relativa: é relação entre

volatilidades. Indica a facilidade de separação

por destilação.

BB

AA

B

ABA xy

xy

K

K

/

//

vB

vA

BA P

P/

Quanto maior a pressão de vapor de uma substância maior é sua volatilidade, pois maior será a tendência de suas moléculas passarem do estado líquido para o estado vapor.

D E S T I L A Ç Ã OD E S T I L A Ç Ã OO valor da volatilidade relativa dá idéia da facilidade de separação do componente por destilação.

Separação fácil

Quantidade de refluxo baixa

Torre de tamanho pequeno

Custo de energia baixo

Separação difícil

Quantidade de refluxo alta

Torre grande

Custo de energia alto

Altas vazões internas

Para componentes com a TE próximas

(volatilidade relativa próximo a 1,0) a destilação

torna-se anti-econômica

50,1

15,1


Destilação Diferencial ou Simples

Aquecimento

Destilação simples Destilação simples

é empregada é empregada

quando a diferença quando a diferença

entre pontos de entre pontos de

ebulição dos ebulição dos

componentes componentes

permitem a permitem a

separação sem separação sem

necessidade de necessidade de

lançar mão de lançar mão de

nenhum agente nenhum agente

externo para externo para

promover a promover a

separação além do separação além do

emprego de calor.emprego de calor.


Destilação Flash ou de Equilíbrio

Destilação por Arraste

A carga é

parcialmente

vaporizada

pelo

abaixamento

de pressão

e/ou aumento

de

temperatura.

Nota sobre Demister; É uma peça instalada no topo de vasos de

separação de fases líquida e vapor, com a finalidade de favorecer a separação de pequenas gotículas de líquido.


D E S T I L A Ç Ã OD E S T I L A Ç Ã ODestilação Fracionada

Coluna de Pratos

D E S T I L A Ç Ã OD E S T I L A Ç Ã OTipos de Pratos

Perfurados

Borbulhadores

Valvulados

D E S T I L A Ç Ã OD E S T I L A Ç Ã O Pratos com Borbulhadores

Os borbulhadores fazem com que o gás

ascendente flua por entre o líquido em

forma de pequenas bolhas e impede a

passagem do líquido pelas aberturas do

gás em caso de baixa velocidade de

escoamento do gás. São relativamente

mais caros que os pratos perfurados .

O arranjo é, em geral, na forma de

triângulo equilátero.

Nas bandejas com borbulhadores o

desperdício periférico é mais acentuado.

PRATO Borbulhador

Partes de um Borbulhador


Possui um selo intríseco que impede a drenagem do líquido quando a taxa de escoamento

do gás é baixa.

Os borbulhadores são os dispositivos de contato líquido/vapor.

É o tipo mais antigo de prato.

O vapor borbulha no líquido escapando pelos orifícios laterais dos borbulhadores.


Pratos com Borbulhadores


D E S T I L A Ç Ã OD E S T I L A Ç Ã O Pratos Perfurados

Constam de placas metálicas com orifícios.Constam de placas metálicas com orifícios.

O vapor passa pelos orifícios e borbulha no O vapor passa pelos orifícios e borbulha no líquido que inunda o prato.líquido que inunda o prato.

Oferecem menos flexibilidade que os pratos Oferecem menos flexibilidade que os pratos com borbulhadores e valvulado, em termos de com borbulhadores e valvulado, em termos de vazões de operação.vazões de operação.

Os orifícios das placas perfuradas vão de 1/8 a Os orifícios das placas perfuradas vão de 1/8 a ½ de diâmetro. A mais comum tem 3/16 in.½ de diâmetro. A mais comum tem 3/16 in.

Orifícios menores são difíceis de perfurar e Orifícios menores são difíceis de perfurar e podem ficar obstruídos em serviços podem ficar obstruídos em serviços contaminantes. Os maiores provocam contaminantes. Os maiores provocam drenagem e pequena dispersão.drenagem e pequena dispersão.

Cada prato corresponde a um estágio de equilíbrio.

Há troca de calor e massa em cada prato.

A represa ou dique mantém o nível do líquido adequado em cada prato.

Pratos Perfurados

D E S T I L A Ç Ã D E S T I L A Ç Ã OO

D E S T I L A Ç Ã OD E S T I L A Ç Ã O Pratos Valvulados

Desvantagem entre estes pratos está no fato de que os pratos perfurados apresentam um range bem definido de velocidade de escoamento para os

fluidos

O contato líquido/vapor é facilitado por válvulas cuja abertura é função da vazão do vapor.

Oferecem maior flexibilidade para operar com vazões variadas.

Substituem os pratos com borbulhadores.

D E S T I L A Ç Ã OD E S T I L A Ç Ã O Pratos Valvulados

Atualmente a maioria das torres são projetadas

utilizando pratos valvulados

Zonas de uma bandeja (prato)


Zona de dispersão ativaZona de dispersão ativa

Varia de 40 a 70%Varia de 40 a 70%

Zona periférica de enrijecimento e suporteZona periférica de enrijecimento e suporte

Varia de 2 a 5%. Ocorre principalmente em Varia de 2 a 5%. Ocorre principalmente em bandejas com borbulhadores.bandejas com borbulhadores.

Zona de separação e de distribuiçãoZona de separação e de distribuição

Varia de 5 a 20%. Em algumas bandejas Varia de 5 a 20%. Em algumas bandejas perfuradas estas zonas são completamente perfuradas estas zonas são completamente eliminadas.eliminadas.

Zona dos vertedoresZona dos vertedores

Varia de 10 a 30%. Em torres com fluxo em Varia de 10 a 30%. Em torres com fluxo em contracorrente os vertedores são eliminados.contracorrente os vertedores são eliminados.

Queda de pressão e eficiência nas bandejas

Equação geralEquação geral

hhtt = h = hdd + h + hll

hhtt = queda total de pressão (in de líquido) = queda total de pressão (in de líquido)

hhdd = queda de pressão através da unidade de = queda de pressão através da unidade de dispersão.dispersão.

hhll = queda de pressão através da massa aerada = queda de pressão através da massa aerada que fica em cima e em torno do dispersor.que fica em cima e em torno do dispersor.

EficiênciaEficiência

Sistema: composição e propriedadesSistema: composição e propriedades

Condições do escoamento: taxas de produçãoCondições do escoamento: taxas de produção

Geometria: tipo e dimensões da bandeja.Geometria: tipo e dimensões da bandeja.


Determinação da quantidade de pratos necessários para a separação desejada.

Determinação do espaçamento entre os pratos.

Determinação do diâmetro da coluna.

Determinação do ponto de alimentação.

Utilização de softwares de simulação.

CONSIDERAÇÕES A RESPEITO DO CONSIDERAÇÕES A RESPEITO DO PROJETO DE UMA COLUNA DE PRATOSPROJETO DE UMA COLUNA DE PRATOS

D E S T I L A Ç Ã OD E S T I L A Ç Ã O Zonas de uma Coluna de Fracionamento

D E S T I L A Ç Ã OD E S T I L A Ç Ã O Tipos de Fluxos em Colunas de Fracionamento

Fluxo

Cruzado

Fluxo

Dividido


Destilação Fracionada

Coluna de Recheio

São colunas que, diferentemente das de pratos, têm no seu interior dispositivos denominados recheios, para promover o contato líquido/vapor.

Randômicos

Estruturados


Tipos de RecheiosRandômicos

São dispostos aleatoriamente na coluna. Os recheios têm que ser adequados às características

do fluido em termos de resistência à corrosão e resistência mecânica.

Para colocação do recheio a coluna deve conter água. Para haver eficiência é necessária a boa distribuição de

fluxos na coluna.

REGIÃO DE UMA REGIÃO DE UMA TORRE COM TORRE COM RECHEIOS RECHEIOS

RANDÔMICOSRANDÔMICOS

Entrada de vapor

Entrada dacarga

Entrada da carga

Saída de líquido

Suporte do recheio

Saída dos leves

Distribuidor de fluxo

São elementos comprados com um diâmetro próximo ao da coluna.

São montados em “pacotes” ao longo da coluna.

Têm a mesma função dos pratos e dos recheios randômicos.


Tipos de RecheiosEstruturados

As colunas de pratos são chamadas de “colunas com contatos em estágios” e as colunas com recheios são chamadas “colunas com contato contínuo”.

Os recheios possibilitam um melhor contato líquido/vapor.

Nas colunas com recheios a eficiência é maior para uma mesma altura, sendo mais econômicas.

As perdas de carga nas colunas com recheios são mais altas que nas colunas com pratos.

É comum a migração dos recheios randômicos para o prato de distribuição e/ou tubo de saída dos vapores de topo.

A formação de caminhos preferenciais para o líquido prejudica a eficiência das colunas com recheios.

D E S T I L A Ç Ã OD E S T I L A Ç Ã O Coluna de Pratos X Coluna de Recheio

O número de estágios necessários é elevado;

Pequeno hold-up de líquido;Diâmetro inferior a 2 ft;Baixa queda de pressão;Forte tendência à formação de espuma;Sistema muito viscoso;Sistema corrosivo.

D E S T I L A Ç Ã OD E S T I L A Ç Ã O Coluna de Pratos X Coluna de Recheio

Recomenda-se torres de recheio quando:

Observa-se sobre os pratos de uma coluna de Observa-se sobre os pratos de uma coluna de destilação três zonas distintas:destilação três zonas distintas:

HIDRÁULICA DE TORRESHIDRÁULICA DE TORRES

Zona IZona I = zona de espuma de = zona de espuma de altura variável.altura variável.

Zona IIZona II = região de grandes = região de grandes gotas que coalescem e gotas que coalescem e retornam ao prato. retornam ao prato.

Zona IIIZona III = região de = região de pequenas gotas que são pequenas gotas que são arrastadas para o prato de arrastadas para o prato de cima e voltam ao prato ao cima e voltam ao prato ao prato de origem com o prato de origem com o líquido.líquido.

Alterações nos fluxos internos da coluna pode Alterações nos fluxos internos da coluna pode provocar variações excessivas na altura dessas provocar variações excessivas na altura dessas regiões acarretando problemas operacionais.regiões acarretando problemas operacionais.

Inundação:Inundação: Ocorre quando o líquido é acumulado sobre o prato com maior Ocorre quando o líquido é acumulado sobre o prato com maior

rapidez de que pode fluir para a bandeja inferior, até que rapidez de que pode fluir para a bandeja inferior, até que atinge o prato superior através do aumento de nível nos atinge o prato superior através do aumento de nível nos downcomers.downcomers.

Resulta da tentativa de se fazer passar muito gás ou muito Resulta da tentativa de se fazer passar muito gás ou muito líquido pela coluna, fazendo-se com que o líquido do prato líquido pela coluna, fazendo-se com que o líquido do prato inferior atinja o prato superior. inferior atinja o prato superior.

Causas:Causas: alta velocidade do vapor; alta velocidade do vapor; altas vazões de líquido enchendo os downcomers; altas vazões de líquido enchendo os downcomers; espuma (aumento da zona I).espuma (aumento da zona I).


HIDRÁULICA DE TORRESHIDRÁULICA DE TORRES Arraste (entrainment) de líquidoArraste (entrainment) de líquido

Ocorre quando o vapor ascendente carrega consigo Ocorre quando o vapor ascendente carrega consigo gotículas de líquido para o prato superior.gotículas de líquido para o prato superior.

O espaçamento correto entre os pratos é fundamental O espaçamento correto entre os pratos é fundamental para minimizar os efeitos nocivos do arraste.para minimizar os efeitos nocivos do arraste.

Diminui a eficiência da coluna pois prejudica a Diminui a eficiência da coluna pois prejudica a transferência de massa entre as fases dificultando o transferência de massa entre as fases dificultando o equilíbrio. Impurezas não voláteis podem também ser equilíbrio. Impurezas não voláteis podem também ser carreadas pelo vapor, contaminando o produto de carreadas pelo vapor, contaminando o produto de topo.topo.

CausasCausas Alta velocidade do vapor.Alta velocidade do vapor.

Se a vazão do vapor for muito elevada ocorrerá Se a vazão do vapor for muito elevada ocorrerá também o blowing (consiste no fato do vapor abrir também o blowing (consiste no fato do vapor abrir passagens no líquido, resultando em um contato passagens no líquido, resultando em um contato deficiente).deficiente).

HIDRÁULICA DE TORRESHIDRÁULICA DE TORRES Arraste (entrainment) de vaporArraste (entrainment) de vapor

É a oclusão de vapor no líquido (espuma) o qual É a oclusão de vapor no líquido (espuma) o qual pode ser carregado para o prato inferior.pode ser carregado para o prato inferior.

Como o vapor contém mais componentes Como o vapor contém mais componentes voláteis que o líquido do prato, acaba diluindo o voláteis que o líquido do prato, acaba diluindo o líquido e reduzindo a eficiência de separação.líquido e reduzindo a eficiência de separação.

Weeping (gotejamento)Weeping (gotejamento) É o gotejamento do líquido através dos É o gotejamento do líquido através dos

furos do prato afetando a eficiência.furos do prato afetando a eficiência. É ocasionado pela baixa vazão de vapor.É ocasionado pela baixa vazão de vapor.

Contato entre vapor e líquidoContato entre vapor e líquido Um prato é projetado para ter uma área de Um prato é projetado para ter uma área de

contato líquido-vapor e um tempo de contato líquido-vapor e um tempo de residência suficiente. Alterações nas vazões residência suficiente. Alterações nas vazões alteram condições diferentes das de projeto alteram condições diferentes das de projeto e modificam a eficiência do prato.e modificam a eficiência do prato.


Maximum velocityMaximum velocity

É a velocidade excessiva de líquido no downcomer.É a velocidade excessiva de líquido no downcomer.

É ocasionada pela insuficiência de área no É ocasionada pela insuficiência de área no downcomer para uma dada vazão de líquido.downcomer para uma dada vazão de líquido.

HIDRÁULICA DE TORRESHIDRÁULICA DE TORRES PulsaçãoPulsação

Ocorre quando a vazão de vapor que ascende de Ocorre quando a vazão de vapor que ascende de

um prato inferior para um superior não tem um prato inferior para um superior não tem

pressão suficiente para vencer continuamente a pressão suficiente para vencer continuamente a

perda de carga apresentada pela bandeja.perda de carga apresentada pela bandeja.

Nesta situação, o vapor cessa temporariamente Nesta situação, o vapor cessa temporariamente

sua passagem por esta bandeja e, ao retomar a sua passagem por esta bandeja e, ao retomar a

pressão necessária, vence a perda de carga de pressão necessária, vence a perda de carga de

forma brusca. forma brusca.

Entre as pulsações de vapor pode haver Entre as pulsações de vapor pode haver

vazamento de líquido para o prato inferior.vazamento de líquido para o prato inferior.

Formação de cones de vaporFormação de cones de vapor Ocorre quando a vazão de líquido é pequena. Ocorre quando a vazão de líquido é pequena.

Ocasiona em torno dos borbulhadores uma Ocasiona em torno dos borbulhadores uma região isenta de líquido.região isenta de líquido.

Isso impede que o vapor entre em contato Isso impede que o vapor entre em contato íntimo com o líquido, não havendo íntimo com o líquido, não havendo fracionamento.fracionamento.


VazamentosVazamentos

É a passagem de líquido ou queda de líquido de um prato ao É a passagem de líquido ou queda de líquido de um prato ao prato inferior através dos orifícios especiais destinados à prato inferior através dos orifícios especiais destinados à passagem de vapor, ocorrendo quando a vazão de vapor é passagem de vapor, ocorrendo quando a vazão de vapor é baixa e a vazão de líquido é excessivamente alta.baixa e a vazão de líquido é excessivamente alta.

DumpingDumping

Ocorre quando há vazamento de todo o Ocorre quando há vazamento de todo o

líquido através dos furos do prato.líquido através dos furos do prato.

Representa a menor vazão de vapor Representa a menor vazão de vapor

permissível para uma dada vazão de líquido.permissível para uma dada vazão de líquido.

É o valor limite para a operação da torre.É o valor limite para a operação da torre.

Em contrapartida, a Ultimate Capacity é o Em contrapartida, a Ultimate Capacity é o

limite máximo de vazão de vapor na qual a limite máximo de vazão de vapor na qual a

coluna pode operar sem perda de eficiência.coluna pode operar sem perda de eficiência.


Nas torres de recheio podem ocorrer 2 fenômenos Nas torres de recheio podem ocorrer 2 fenômenos indesejáveis:indesejáveis:

Canalização.Canalização.

É o escoamento preferencial do líquido, geralmente próximo à É o escoamento preferencial do líquido, geralmente próximo à parede da torre, impedindo um contato eficiente entre o líquido parede da torre, impedindo um contato eficiente entre o líquido e o vapor.e o vapor.

É provocada por vazão baixa de líquido, ausência de É provocada por vazão baixa de líquido, ausência de distribuidores internos e recheio de tamanho inadequado.distribuidores internos e recheio de tamanho inadequado.

Inundação.Inundação.

É a retenção do líquido acima do recheio. Pode ser provocada É a retenção do líquido acima do recheio. Pode ser provocada por vazões altas de líquido, quebra do recheio, esmagamento do por vazões altas de líquido, quebra do recheio, esmagamento do recheio ou obstrução no leito.recheio ou obstrução no leito.


A operação de uma determinada coluna está limitada pela A operação de uma determinada coluna está limitada pela

velocidade do vapor.velocidade do vapor.

A faixa de operação é determinada pelo projeto e depende A faixa de operação é determinada pelo projeto e depende

do tipo de bandeja utilizado.do tipo de bandeja utilizado.

Quando operada fora dos limites especificados os produtos Quando operada fora dos limites especificados os produtos

saem de especificação.saem de especificação.

Indicadores de operação instável:Indicadores de operação instável:

Temperatura diferente do padrão na região onde ocorre Temperatura diferente do padrão na região onde ocorre

anormalidadeanormalidade

Oscilações significativas na pressão ou no sistema de controleOscilações significativas na pressão ou no sistema de controle

Oscilações significativas no diferencial de pressão entre base Oscilações significativas no diferencial de pressão entre base

e topoe topo


O diagrama abaixo representa qualitativamente a O diagrama abaixo representa qualitativamente a região de operação estável para todos os pratos:região de operação estável para todos os pratos:


Balanço Material e EnergéticoF: Alimentação (carga) kg/h;

D: produto (destilado) kg/h;

L: refluxo externo do condensador kg/h;

V: Vapor de topo kg/h

W: produto de fundo kg/h;

m: seção de enriquecimento;

n: seção de esgotamento;

qF: calor contido na carga;

qW: calor contido no produto de fundo;

qR: calor fornecido pelo vaporizador;

qC: calor retirado pelo condensador;

qD: calor que sai com o produto;

qL: calor que entra na torre com a corrente refluxo



Equações do Balanço Material

WDF DLV mm WVL nn

Balanço global

Região do condensador

Região do reverfedor

Exemplo: Uma torre de destilação é alimentada com uma carga de 35 ton/h de óleo cru. Sabendo-se que o projeto prevê a retirada de 16 ton/h de produto de cauda, que o refluxo no condensador é de 48 ton/h e que a vazão mássica da corrente que chega ao refervedor é de 63 ton/h, calcule as vazões do:

a. Destilado;

b. Vapor que chega ao condensador;

c. Vapor que sai do reverfedor.

D E S T I L A Ç Ã OD E S T I L A Ç Ã O Equações do Balanço Térmico

Balanço global CWDRF qqWqDqqF ...

Região do condensador

CDLV qqDqLqV ...DL qq

LV

C

qq

qDL

ocondensaçã decalor LV qq

Exemplo: Considere uma carga de óleo cru de 10 t/h que entra em

uma coluna de fracionamento contendo uma quantidade de calor

de 25 kcal/kg a 50º C. A corrente de produto de cauda é de 4 t/h e

contém uma quantidade de calor de 50 kcal/kg a 100º C, o calor

introduzido pelo refervedor é de 540000 kcal/h, o destilado, depois

de condensado, possui um calor de 15 kcal/kg a 30º C e o calor

latente de condensação do vapor de topo é de 50 kcal/kg.

Determine a vazão de refluxo nas condições estipuladas.


Exercício Proposto 01

Para o tambor de flash abaixo calcule as vazões de topo e fundo.

Uma mistura binária de etano e Uma mistura binária de etano e

propano deve ser destilada com propano deve ser destilada com

o objetivo de recuperar 95% do o objetivo de recuperar 95% do

etano no destilado e 90% do etano no destilado e 90% do

propano no resíduo. Determine propano no resíduo. Determine

a composição percentual do a composição percentual do

destilado e do resíduo, destilado e do resíduo,

sabendo-se que a fração em sabendo-se que a fração em

quantidade de matéria de quantidade de matéria de

propano e etano são iguais.propano e etano são iguais.


Exercício Proposto 02

%100.entrada de corrente naA de massa

saída de corrente naA de massaA de orecuperaçã


Exercício Proposto 03Em um processo contínuo de destilação deseja-se efetuar a separação da mistura benzeno-tolueno. A coluna de destilação é alimentada à razão de 500 kmol/h com uma mistura contendo uma fração molar de 0,30 em benzeno. Deseja-se obter um produto purificado com a concentração de 0,97 em benzeno (fração molar) e um resíduo contendo 0,02 em benzeno (fração molar). O condensador de topo funciona com uma vazão de 10000 kg/h de água de resfriamento que entra a 20º C e sai a 60º C. A pressão do vapor introduzido no reboiler é de 5 atmosferas absolutas. Dados: qF = 3420 kcal/kmol; qD = 1240 kcal/kmol e qW = 3740 kcal/kmol. Determine:a. As quantidades dos produtos de topo e de fundo em kmol/h.b. A massa de vapor introduzida no reboiler.

Fatores que Influenciam o Fatores que Influenciam o FracionamentoFracionamento

Pressão de OperaçãoPressão de Operação

Volatilidades dos componentes alimentados à colunaVolatilidades dos componentes alimentados à coluna

Temperaturas dos meios disponíveis de aquecimento Temperaturas dos meios disponíveis de aquecimento

e resfriamentoe resfriamento

Características dos componentes da misturaCaracterísticas dos componentes da mistura

Pressão Elevada: - dificulta a separação implica em um Pressão Elevada: - dificulta a separação implica em um maior número de estágios e uma maior razão de maior número de estágios e uma maior razão de refluxo. Maiores revervedores.refluxo. Maiores revervedores.

Pressão Baixa: - facilita a separação implica em um Pressão Baixa: - facilita a separação implica em um menor número de estágio.menor número de estágio.

- volume maior de vapor implica em um - volume maior de vapor implica em um maior diâmetromaior diâmetro

- aumento da entalpia implica em - aumento da entalpia implica em condensadores maiores.condensadores maiores.




TemperaturaTemperatura A temperatura de topo é a temperatura do primeiro prato da A temperatura de topo é a temperatura do primeiro prato da

coluna deve-se mantê-la constante o quanto possível, coluna deve-se mantê-la constante o quanto possível,

para obter-se um produto dentro das especificações.para obter-se um produto dentro das especificações.

A temperatura do fundo é determinada pelo ponto de bolha A temperatura do fundo é determinada pelo ponto de bolha

deste produto à pressão de operação da coluna deve deste produto à pressão de operação da coluna deve

ser mantida constante o quanto possível a fim de manter o ser mantida constante o quanto possível a fim de manter o

equilíbrio operacional da torre. equilíbrio operacional da torre.

Temperaturas elevadas no refervedor provocam um Temperaturas elevadas no refervedor provocam um

aumento de pressão do vapor na base da coluna, vaporizando aumento de pressão do vapor na base da coluna, vaporizando

os componentes pesados do produto, contaminando os os componentes pesados do produto, contaminando os

vapores de topovapores de topo..



CargaCarga

Importância da composição especificações dos Importância da composição especificações dos

produtos de topo e fundo. produtos de topo e fundo.

A variação de vazão da carga influencia na pureza dos A variação de vazão da carga influencia na pureza dos

produtos, bem como no equilíbrio operacional da torre.produtos, bem como no equilíbrio operacional da torre.

É normalmente aquecida temperatura próxima É normalmente aquecida temperatura próxima

àquela do prato de alimentação.àquela do prato de alimentação.

Na operação de uma coluna existente, alterações nas propriedades da carga, certamente alterarão

o perfil de operação da coluna.



Número de Estágios Número de Estágios (N) (N)

Quanto maior o número de estágios maior deverá ser o Quanto maior o número de estágios maior deverá ser o

fracionamento. fracionamento.

A elevação de N provoca um aumento da altura, da perda de A elevação de N provoca um aumento da altura, da perda de

carga, do hold-up e do custo da coluna.carga, do hold-up e do custo da coluna.

Eficiência dos Estágios Eficiência dos Estágios (N) (N)

A eficiência dos pratos reais situa-se geralmente entre 50 e A eficiência dos pratos reais situa-se geralmente entre 50 e

80%. 80%.

O fator de eficiência está intimamente ligado à vazão da O fator de eficiência está intimamente ligado à vazão da

massa e transferência de calor..massa e transferência de calor..

D E S T I L A Ç Ã OD E S T I L A Ç Ã O Variáveis que contribuem para o mecanismo de transferência de massa

Variáveis OperacionaisVariáveis Operacionais

Temperatura, pressão, vazão de líquido e vazão de Temperatura, pressão, vazão de líquido e vazão de vapor.vapor.

Variáveis de ProjetoVariáveis de Projeto

Diâmetro da coluna, espaçamento, área total de Diâmetro da coluna, espaçamento, área total de passagem de vapor através do prato, área individual de passagem de vapor através do prato, área individual de passagem de vapor através do prato, altura de líquido, passagem de vapor através do prato, altura de líquido, altura de espuma, área de contato líquido-vapor por altura de espuma, área de contato líquido-vapor por unidade da área do prato e lay-out (vertedoros, tipos de unidade da área do prato e lay-out (vertedoros, tipos de dispositivos, etc.).dispositivos, etc.).

Variáveis do SistemaVariáveis do Sistema

Tensão superficial, densidade do líquido e vapor, Tensão superficial, densidade do líquido e vapor, viscosidade do líquido e vapor, volatilidade relativa dos viscosidade do líquido e vapor, volatilidade relativa dos componentes chaves e difusibilidade.componentes chaves e difusibilidade.

D E S T I L A Ç Ã OD E S T I L A Ç Ã O Fatores que Influenciam o Fatores que Influenciam o FracionamentoFracionamento

RefluxoRefluxo Controla a temperatura do topo da torre pureza do Controla a temperatura do topo da torre pureza do

produto. produto.

A taxa de refluxo deve ser mantida constante o quanto A taxa de refluxo deve ser mantida constante o quanto

possível possível

Existe uma taxa de refluxo ótima produzirá um Existe uma taxa de refluxo ótima produzirá um

melhor rendimento na separação.melhor rendimento na separação.

Refluxo ExternoRefluxo Externo

Refluxo InternoRefluxo Interno

D

LRe

m

mabsorçãoi V

LR )(

n

noesgotamenti L

VR )(


RefluxoRefluxo

Razão de Refluxo MínimaRazão de Refluxo Mínima: : Existe um valor chamado de Existe um valor chamado de razão de refluxo mínimarazão de refluxo mínima, para o qual o número de estágios , para o qual o número de estágios (pratos) deve ser infinito para que a separação seja (pratos) deve ser infinito para que a separação seja alcançadaalcançada

A condição de operação com razão de refluxo A condição de operação com razão de refluxo mínima é inviável, pois o projeto da coluna deveria mínima é inviável, pois o projeto da coluna deveria prever infinitos estágios, o que é impossívelprever infinitos estágios, o que é impossível

0D

LmáximoD N


RefluxoRefluxo

Razão de Refluxo Máxima: Razão de Refluxo Máxima: Quando o refluxo Quando o refluxo aumenta, o número de estágios necessários para o aumenta, o número de estágios necessários para o fracionamento especificado diminuifracionamento especificado diminui..

D

L0D mínimoN



RefluxoRefluxo

Os dados de razão de refluxo Os dados de razão de refluxo

mínima e de razão de refluxo mínima e de razão de refluxo

máxima servem principalmente para máxima servem principalmente para

que se possa ter os limites de que se possa ter os limites de

operação e para se estimar a operação e para se estimar a

dificuldade de separação e o dificuldade de separação e o

desempenho da coluna.desempenho da coluna.

Operação normal e controle da torreOperação normal e controle da torre TemperaturaTemperatura

Variando as temperaturas de alimentação da carga, Variando as temperaturas de alimentação da carga, de fundo e de topo de uma coluna, pode-se obter de fundo e de topo de uma coluna, pode-se obter composições e quantidades diferentes no destilado e composições e quantidades diferentes no destilado e no resíduo.no resíduo.

Temperatura da cargaTemperatura da carga Alta: causa aumento na quantidade da fração mais Alta: causa aumento na quantidade da fração mais

pesada enviada à parte de retificação.pesada enviada à parte de retificação. Baixa: causa uma menor vaporização no prato de Baixa: causa uma menor vaporização no prato de

carga, aumentando o refluxo na parte de carga, aumentando o refluxo na parte de esgotamento.esgotamento.

Temperatura de fundoTemperatura de fundo Alta: resíduo mais pesado e maior quantidade.Alta: resíduo mais pesado e maior quantidade. Baixa: resíduo mais leve e menor quantidade.Baixa: resíduo mais leve e menor quantidade.

Temperatura de topoTemperatura de topo Alta: destilado mais pesado e maior quantidade.Alta: destilado mais pesado e maior quantidade. Baixa: destilado mais leve e menor quantidade.Baixa: destilado mais leve e menor quantidade.

Operação normal e controle da torreOperação normal e controle da torre PressãoPressão

É uma variável geralmente ajustada pelo operador. É uma variável geralmente ajustada pelo operador. Mesmo com as unidades automáticas, o operador Mesmo com as unidades automáticas, o operador deve manter uma cuidadosa observação.deve manter uma cuidadosa observação.

Alterações na pressão diminui a qualidade de todos Alterações na pressão diminui a qualidade de todos os produtos, pois há uma mudança na volatilidade os produtos, pois há uma mudança na volatilidade relativa dos componentes.relativa dos componentes.

VazõesVazões

São as variáveis mais manipuladas para estabelecer São as variáveis mais manipuladas para estabelecer as condições de operação desejadas na coluna.as condições de operação desejadas na coluna.

Uma variação na vazão alterará uma certa Uma variação na vazão alterará uma certa temperatura e isso, por sua vez, provocará uma temperatura e isso, por sua vez, provocará uma variação na qualidade de um dos produtos.variação na qualidade de um dos produtos.

D E S T I L A Ç Ã OD E S T I L A Ç Ã O AzeotropiaAzeotropiaPropriedade na qual o líquido em ebulição de uma mistura, Propriedade na qual o líquido em ebulição de uma mistura,

forma um vapor que tem exatamente a mesma composição forma um vapor que tem exatamente a mesma composição

do líquido.do líquido.

Portanto, os componentes desta mistura neste ponto de Portanto, os componentes desta mistura neste ponto de

ebulição determinado não podem ser separados.ebulição determinado não podem ser separados.

A mistura, para o determinado ponto de azeotropia, A mistura, para o determinado ponto de azeotropia,

comporta-se como uma substância pura, ou seja, ferve à comporta-se como uma substância pura, ou seja, ferve à

temperatura constante.temperatura constante.Azeótropo de mínimo ponto de ebuliçãoAzeótropo de mínimo ponto de ebulição : ocorre quando o : ocorre quando o

azeótropo formado tem um ponto de ebulição menor que os azeótropo formado tem um ponto de ebulição menor que os

dos componentes separadamente.dos componentes separadamente.

Azeótropo de máximo ponto de ebuliçãoAzeótropo de máximo ponto de ebulição : ocorre quando o : ocorre quando o

azeótropo formado tem um ponto de ebulição maior que os azeótropo formado tem um ponto de ebulição maior que os

dos componentes separadamentedos componentes separadamente.

Chama-se de mistura azeotrópica toda mistura que, estando em equilíbrio de fases sob uma dada temperatura e pressão, as composições do líquido e vapor são iguais, ou seja, quando a mistura entra em ebulição, os componentes que formam o azeótropo passam juntos a fase vapor sendo impossível separá-los por destilação simples.


No diagrama do ponto de ebulição destas No diagrama do ponto de ebulição destas

misturas, a curva do ponto de bolha e do ponto misturas, a curva do ponto de bolha e do ponto

de orvalho coincidem num ponto extremo que de orvalho coincidem num ponto extremo que

pode ser máximo (azeótropo de máximo) ou de pode ser máximo (azeótropo de máximo) ou de

mínimo (azeótropo de mínimo). mínimo (azeótropo de mínimo).

Nos Azeótropos de Máximo, a mistura Nos Azeótropos de Máximo, a mistura

azeotrópica possui ponto de ebulição maior que azeotrópica possui ponto de ebulição maior que

os componentes que os compõe puros. os componentes que os compõe puros.

Nos Azeótropos de Mínimo, a mistura Nos Azeótropos de Mínimo, a mistura

azeotrópica possui ponto de ebulição menor que azeotrópica possui ponto de ebulição menor que

os componentes que os compõe puros.os componentes que os compõe puros.


Nas misturas azeotrópicas, o ponto onde a curva de equilíbrio Nas misturas azeotrópicas, o ponto onde a curva de equilíbrio intercepta a diagonal (intercepta a diagonal (x = yx = y) são os pontos azeotrópicos.) são os pontos azeotrópicos.


A destilação azeotrópica é usada principalmente quando é impossível separar por destilação simples ou quando se quer separar uma mistura azetrópica.

É adicionado um componente mais volátil que a carga que sai pelo topo da coluna junto com o destilado e é chamado de entrainer.

O entrainer forma uma nova mistura azeotrópica com o destilado, carregando com ele o composto que se quer separar.


D E S T I L A Ç Ã OD E S T I L A Ç Ã O Destilação do álcool etílicoDestilação do álcool etílico

Destilação do álcool etílicoDestilação do álcool etílico


Destilação Extrativa:Destilação Extrativa:

É um dos métodos empregados quando a separação É um dos métodos empregados quando a separação por destilação simples é difícil ou quando os por destilação simples é difícil ou quando os componentes possuem pontos de ebulição próximos.componentes possuem pontos de ebulição próximos.

Neste processo, um solvente relativamente não volátil Neste processo, um solvente relativamente não volátil é introduzido próximo ao topo da coluna alterando a é introduzido próximo ao topo da coluna alterando a volatilidade dos compostos.volatilidade dos compostos.

Esta corrente extra de alimentação aparece junto com Esta corrente extra de alimentação aparece junto com produto de fundo. É necessário depois separar o produto de fundo. É necessário depois separar o agente extrativo do componente original mediante agente extrativo do componente original mediante processo de separação apropriado.processo de separação apropriado.



Destilação Extrativa

Destilações azeotrópica e extrativa envolvem a Destilações azeotrópica e extrativa envolvem a adição de um terceiro componente a um sistema adição de um terceiro componente a um sistema binário para facilitar a separação do sistema por binário para facilitar a separação do sistema por destilação.destilação.

O componente adicionado modifica a volatilidade O componente adicionado modifica a volatilidade relativa do sistema.relativa do sistema.

O terceiro componente e o fornecimento de O terceiro componente e o fornecimento de energia no refervedor são os dois agentes de energia no refervedor são os dois agentes de separação nestes processos.separação nestes processos.

Estes tipos de separação são usados nas indústrias Estes tipos de separação são usados nas indústrias químicas e petroquímicas quando a volatilidade químicas e petroquímicas quando a volatilidade relativa dos componentes chaves é próximo da relativa dos componentes chaves é próximo da unidade ou quando o sistema apresenta azeótropo.unidade ou quando o sistema apresenta azeótropo.


Destilação Extrativa e Azeotrópica


Se o composto adicionado é relativamente volátil e Se o composto adicionado é relativamente volátil e ele aparece em grande quantidade no destilado, ele aparece em grande quantidade no destilado, ocorre uma destilação azeotrópica. Em muitas ocorre uma destilação azeotrópica. Em muitas situações forma um azeótropo de mínimo na situações forma um azeótropo de mínimo na temperatura de ebulição, com um dos componentes temperatura de ebulição, com um dos componentes da mistura.da mistura.

Se o composto adicionado for pouco volátil, ele Se o composto adicionado for pouco volátil, ele escorre descendentemente pela coluna, escorre descendentemente pela coluna, aumentando a volatilidade relativa e aparece no aumentando a volatilidade relativa e aparece no produto de cauda. Neste caso, temos a destilação produto de cauda. Neste caso, temos a destilação extrativa.extrativa.

Destilação Extrativa e AzeotrópicaDestilação Extrativa e Azeotrópica

curso de destilação e extração - cofic - destilação - 07 e 08

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