Processos de Separação I

Edmundo Gomes de Azevedo DEQ, IST http://web.ist.utl.pt/egazevedo/ egazevedo@ist.utl.pt 11º. Andar, Torre Química

1

MEB/MEQ 2.º Sem., 2011/12

3

Liquid flow shown by blue arrows. Vapor flow by red arrows.

Weir

Plate

Colunas de Pratos/Enchimento

4

Flooding: excessive accumulation of liquids inside the columns

o Column operating in spray regime n liquid on the tray in form of drops

o As vapor velocity is raised, bulk of these drops are entrained into the tray above

o Liquid accumulates on the tray above instead of flowing to the tray below

5

o At higher liquid flow rates, dispersion on the tray is in the form of a froth

o When vapor velocity is raised, froth height increases

o To design a sieve tray

1. Calculate the column diameter that prevents flooding 2. Design the tray layout 3. Design the downcomers

6

o Sizes the column to prevent flooding caused by excessive entrainment.

o Excessive entrainment can cause a large drop in stage efficiency

n liquid that has not been separated is mixed with vapor.

Design Procedure

Anomalias numa coluna de pratos de separação líquido-vapor

8

Anomalias numa coluna de pratos de separação líquido-vapor

Gotejamento Inundação

9

Características de operação de uma coluna de pratos

Zona a sombreado: domínio de operação satisfatória

10

Definição das áreas de um prato perfurado

Operação de um prato perfurado numa coluna de separação líquido-vapor

12

Fracção de arrastamento em colunas de pratos perfurados em função do parâmetro de fluxo

13

o Downcomers and weirs n control the liquid distribution and flow

14

Extractor Sieve Tray

15

Prato Perfurado Prato de válvula Prato de campânula (perforation cap) (valve cap) (bubble cap)

Pratos mais usuais numa coluna de separação gás-líquido

De orifício De válvula De campânula

17

18

Trayed Columns

19

20

21

Reboilers

22

Feed Distributors

23

Valve Tray Deck

24

Fouled Bubble Cap Tray

25

Fouling Resistant Design

26

The “Real” World

27

Coluna de Pratos Coluna de Enchimento

§ A variação da composição é contínua ao longo da coluna § Contacto mais demorado e íntimo entre as fases (aumenta área superficial de transfe- rência de massa) § Boa drenagem do líquido § Baixas perdas de carga do vapor

Enchimentos

Aleatórios

Estruturados

28

Enchimento Estruturado

(havendo grandes quedas de pressão: necessário gastar mais energia para que o vapor suba na coluna)

VANTAGENS: eficiente contacto líquido-vapor sem causar quedas de pressão assinaláveis

(maior área interfacial gás-líquido)

Maior eficiência para a mesma altura de coluna

29

Structured Packing Wetted Area

30

Enchimento Aleatório

Enchimentos aleatórios (metálicos, cerâmicos ou plásticos)

Anel de Raschig Anel de Pall Tellerette®

Sela de Berl Sela Intalox® Anel de Nutter

Enchimentos aleatórios metálicos da última geração

Anel de Nutter

Superanel de Raschig

Intalox de alto desempenho (IMTP®)

33

Blocos de enchimento estruturado

Mellapak Plus

Mellapak BX

Vários

34

Coluna de enchimento de um processo de absorção

35

Retenção (holdup) total em função do fluxo mássico de vapor

Retenção total: quantidade total de líquido presente num determinado mo- mento dentro da coluna, necessária para assegurar a circu- lação do líquido por gravidade contra a circulação do vapor

- Aumenta com o caudal de líquido - Independente do caudal de vapor até ao ponto de carga

Colunas de Pratos/Enchimento

36

Flooding: excessive accumulation of liquids inside the columns

37

Inundação em colunas de enchimento

Condição normal:

Com inundação:

Dimensionamento de Colunas de Enchimento

41

- Altura

- Diâmetro

relacionada com a dificuldade da separação a efetuar

• Através das equações de transferência de massa:

¢= ´ = = =

-òentrada

saída*

(HTU) (NTU)y

sOy Oy Oy Oy

yy

G dyz H N H NK a y y

• Através da determinação do número de andares de equilíbrio e sua conversão numa altura equivalente (HETP)

A zona empacotada da coluna é hipoteticamente dividida num determinado número de segmentos com igual altura, que atuam como um andar de equilíbrio

altura da colunaHETPnúmero de pratos teóricos

= (HETP) (número de pratos teóricos)z = ´

relacionado com critério de inundação ou perda de carga aceitável

42

HETP para anéis de Nutter (aço inoxidável) de várias dimensões

HETP = altura de enchimento necessária para obter a variação de composição obtida com um andar de equilíbrio

• Depende do enchimento (tipo, dimensões) e do caudal de vapor

• Obtido de curvas em função do fator de capacidade do vapor, F 0.5

GG( )F v r=é ù¢

= = =ê úr r ê úë û

G 2 3G G

kg/s m / s(m )(kg/m )

G GvA

onde

43

HETP para o enchimento estruturado metálico Mellapak 350.Y em função do factor de capacidade do gás

Na ausência de dados: usar correlações para obter HETP

44

Quedas de pressão, Dp/z, para Mellapak 125.Y e 250.Y em função do factor de capacidade do gás

(960 mbar)

Dimensionamento de Colunas de Enchimento

45

- Altura - Diâmetro

Calculado com base no critério de velocidade de inundação (ou de perda de carga aceitável)

- experimentalmente

- correlação gráfica

Usar uma velocidade operatória do gás 50-80% da velocidade

de inundação

diâmetro da coluna

46

Quedas de pressão em colunas de enchimento (para F > 197 m )

Fp = factor de enchimento (estabelecido pelo fabricante do enchimento) y = parâmetro de fluxo

L, G = caudais kg/s L´, G´ = fluxos kg/(m2 s)

G´

A = G/G´

dc = (4A/p)1/2

a high pressure drop more energy is required to drive the vapour up the distillation column

p -1

47

Correlação generalizada de quedas de pressão (Dp/z em Pa/m) (enchimentos aleatórios com F < 200 m ) p

-1

m Pa/m -1

48

Factor de capacidade máxima (Cf) em função do parâmetro de fluxo para enchimentos estruturados Mellapak da série Y

0.5G

f fL G

C væ ör

= ç ÷ç ÷r - rè ø

factor de capacidade máxima (correspondente à condição de inundação)

vf

v v= - ´op f(50 80%)

v= rop G´G A dc

Cf

49

altura do enchimentoHETP= nº. pratos teóricos

1/2VL

LG

æ öç ÷ç ÷è ø

rY =

r

1/ 2 1/ 2G G G( )v -= r -r rG LC

1/ 2G Gv= rF

HETP = altura de enchimento necessária para obter a variação de composição obtida com um andar de equilíbrio

1) Parâmetro de fluxo Y

3) CG,operacional = 0.70 ´ CG,max 4) Velocidade superficial do gás, vG 5) Factor F (factor característico do tipo de enchimento)

6) Nº. de andares teóricos/m (= 1/HETP) Gráfico sabendo F e tipo de enchimento Þ 1/HETP Þ HETP

Colunas de Enchimento

2) CG,max Gráfico sabendo Y e tipo de enchimento

50

HETP = nº. pratos teóricos

z

G

3 2caudal volumétrico gás m /s mvelocidade superficial gás m/sv= ==c

GA

22

caudal gás kg/s mfluxo gás kg/(m s )c

GAG

== =¢ G G

2 3kg m kg

sm s m

v¢= ´ r

¯ [ ]

G

4 cc

Ad =

p

7) Altura do enchimento, z

8) Diâmetro da coluna de enchimento, dc a) Área da secção recta da coluna, Ac

b) Diâmetro da coluna, dc

9) Perda de carga na coluna, DP Gráfico sabendo F e tipo de enchimento Þ DP/z (mbar/m) Perda de carga total: DP = (DP/z) ´ altura coluna

51

EXEMPLO: Prob. 8.66(c) – Considerando que a coluna é de enchimento, calcular HETP, a altura e o diâmetro da coluna para: (i) enchimento Mellapack 500.Y; (ii) anéis Pall de 38 mm, para os quais HETP = 0.51 m Sabe-se que t = 100ºC, rL = 950 kg/m3.

1/2GL

æ öç ÷ç ÷è ø

rY =

rLG

1) Parâmetro de fluxo Y

L = 50.1 kmol/h x2 = 0.84

V = 66.8 y2 = 0.915 condições no topo da coluna (prato médio) (onde existem maiores caudais, L e V)

L,G : caudais mássicos r : densidades mássicas

G (kg/h) = V (kmol/h) x (kg/kmol) L(kg/h) = L (kmol/h) x (kg/kmol)

1/21.5 0.033066 9502295 æ ö =ç ÷

è øY =

4) voperacional = 0.70 ´ 2.09 = 1.46 m/s

M M

3) 1/2

f f fG 2.09 m/sL

v væ ö

´ Þ =ç ÷ç ÷è ø

r=

rC

i) Mellapak 500.Y

2) Cf = 0.083 (para Y = 0.03, 500.Y)

0.083

52

5)

1/2

c4 0.70 m (diâmetro da coluna)æ ö= ç ÷pè ø

=Ad

6) Altura do enchimento, z

HETP = nº. pratos teóricos

z

0.24 6 1.44 m (altura enchimento altura da coluna)= ´ = »z

2op

G G

3066 0.39 m1.5

1.46v ¢= = Þ =

´= =

r rG G A

AA

1/2 1/2 3 1/2 1/2G G( ) 1.46 (1.5) 1.8 (m/s) (kg/m ) (Pa)v= r ´ = ==F

Da Fig. 8-27 para 500.Y e F = 1.8 (Pa)1/2: HETP = 0.24 m

NOTA: pratos teóricos

GGFluxo de gás = = v¢ rG

do método McCabe-Thiele usando as linhas operatórias já obtidas nas alíneas anteriores N.º de pratos teóricos = 6

0.24

53

ii) Anéis Pall de 38 mm (HETP = 0.51 m)

Da Tabela 8-6 para anéis Pall, 38 mm: Fp = 130 m-1, que cai no intervalo entre 30 e 197 m-1. Logo, a queda de pressão nas condições de inundação é: (Dp/z)f = 40.912Fp

0.7 =1235 Pa/m

pois a viscosidade cinemática, n, é dada por

Da Fig.8-23 para (Dp/z)f = 1235 ≈ 1226 Pa/m e Y = 0.03:

CGFp0.5n0.05 = 1.05 m0.5/s

CG ≡ Cf = 1.05/1300.5= 0.092 m/s

6 2L

L

0.001= 1.05 10 m / s 1.0 cSt950

-mn = = ´ »

r1/2 0.5

f f f 0.50.092 950G 2.31 m/s

1.5L0.092 v v

æ ö ´= ´ Þ = =ç ÷ç ÷

è ø

r=

rC

vop = 0.70 ´ 2.31 = 1.60 m/s

2c

op G

3066 / 3600 0.35 m 0.67 m1.60 1.5

A = v = Þ = Þ =´

=r

G A d

54

(n.º pratos teóricos) HETP 6 0.51 3.06 m= ´ = ´ =z

Para os anéis Pall de 38 mm: HETP = 0.51 m

Assim, para este enchimento e nas condições de trabalho: Coluna de 0.67 m de diâmetro e com 3.06 m de altura