2013 2 opiii unifal aula 06
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1 Aula 5: Destilação - McCabe-Thiele Aula 5: Cálculos de Flash Isotérmico 1 1
OPERAÇÕES UNITÁRIAS III - FUNDAMENTOS E
APLICAÇÕES DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA (ICT 504)
Prof. Marlus Rolemberg - Aula 06
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2 Aula 5: Destilação - McCabe-Thiele
Método de McCabe-Thiele
Relações de refluxo
Refluxo Total: Situação em que todo o vapor condensado no topo retorna para a
coluna.
11
R
R
D
LR R
Logo, a reta de operação da seção
de retificação e, conseqüentemente,
da seção de esgotamento coincidem
com a reta y=x.
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3 Aula 5: Destilação - McCabe-Thiele
Método de McCabe-Thiele
Relações de refluxo
• A condição de refluxo total, corresponde a situação onde o número de estágios
necessários para efetuar a separação é mínimo.
• Na prática, esta condição pode ser obtida retornando todo o vapor condensado
no topo da torre como refluxo. Do mesmo modo, todo o produto de fundo é
vaporizado, retornando a coluna como corrente de refluxo.
• A condição de refluxo total pode ser interpretada como a condição em que as
capacidades do refervedor, condensador e coluna (diâmetro) são infinitas.
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4 Aula 5: Destilação - McCabe-Thiele
Método de McCabe-Thiele
Relações de refluxo
Refluxo Mínimo: Pode ser definido como a razão de refluxo que requer um
número infinito de estágios para que se obtenha a separação desejada.
•Corresponde a condição em que as
capacidades do condensador e
refervedor são mínimas.
•Quando R diminui, a inclinação da
reta de operação da seção de
enriquecimento diminui, e o ponto
de interseção desta reta com a
“linha-q” se aproxima da curva de
equilíbrio.
xD xB zF
y
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5 Aula 5: Destilação - McCabe-Thiele
Método de McCabe-Thiele
Relações de refluxo (sistemas ideais)
A situação em que o ponto de interseção coincide com a curva de equilíbrio
corresponde a mínima inclinação da reta da seção de enriquecimento. Nesta
situação, temos a condição de refluxo mínimo e o número de estágios
necessários para realizar a separação tornam-se infinitos.
A razão de refluxo mínima pode ser
obtida pela relação abaixo:
'
'
min
min
1 xx
yx
R
R
D
D
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6 Aula 5: Destilação - McCabe-Thiele
Método de McCabe-Thiele
Relações de refluxo (sistemas não-ideais)
A situação em que a reta de operação tangencia a curva de equilíbrio
corresponde a mínima inclinação da reta da seção de enriquecimento. Nesta
situação, temos a condição de refluxo mínimo e o número de estágios
necessários para realizar a separação tornam-se infinitos.
xD xB zF
y
xD xB zF
y
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7 Aula 5: Destilação - McCabe-Thiele
Método de McCabe-Thiele
Razão de refluxo ótima
Refluxo total
Altura da
coluna
Diâmetro Necessidades de
vapor para
aquecimento
Necessidade de
água para
resfriamento
Estimativa de
custo
mínima infinito infinita infinita infinita
Refluxo mínimo
Altura da
coluna
Diâmetro Necessidades de
vapor para
aquecimento
Necessidade de
água para
resfriamento
Estimativa de
custo
infinita mínimo mínima mínima infinita
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8 Aula 5: Destilação - McCabe-Thiele
Método de McCabe-Thiele
Razão de refluxo ótima
As duas situações anteriores consistem em casos limites de operação da coluna
de destilação.
A seleção de uma razão de refluxo ótima requer um balanço econômico completo
da unidade, envolvendo os custos fixos e os custos de operação.
Para a maioria das situações, esta razão de refluxo ótima varia entre 1,2Rmin e
1,5Rmin .
OBS: Informações mais detalhadas sobre análise de custos de uma coluna de
destilação e seleção da razão ótima de refluxo pode ser realizada com base
no trabalho realizado por Colburn, detalhado no livro do Colson and
Richardson’s, vol. 2, 5ª ed., pg. 576-578.
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9 Aula 5: Destilação - McCabe-Thiele
Questão 1: Uma mistura líquida de benzeno e tolueno é destilada em uma coluna a
101,3 kPa. A alimentação (100 kmol/h) encontra-se no estado líquido, contendo 45%
de benzeno e 55% de tolueno, e entra na coluna a uma temperatura de 54,45 °C. Um
destilado contendo 95% de benzeno e 5% de tolueno e um produto de fundo
contendo 10% de benzeno e 90% de tolueno são obtidos. A razão de refluxo (R) é de
4:1. O calor específico médio da alimentação é de 159 kJ/kmol.K e o seu calor latente
de vaporização médio vale 32099 kJ/kmol. Os dados de equilíbrio para o sistema são
fornecidos nos diagramas abaixo. Calcule a vazão de destilado e do produto de fundo
em kmol/h e o número de estágios teóricos necessários para se efetuar a separação.
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10 Aula 5: Destilação - McCabe-Thiele
Dados:
F = 100 kmol/h
zF = 0,45
TF = 54,45 °C
cP = 159 kJ/kmol
λ = 32099 kJ/kmol
D = ?
xD = 0,95
B = ?
xB = 0,10
OBS: razão de refluxo, R = 4
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11 Aula 5: Destilação - McCabe-Thiele
Balanço para o componente leve:
95,0.10,0.45,0.100 DB
DBF DB100Balanço global na coluna:
DBF DxBxFz
Resolvendo para B e para D: hkmolB /8,58 hkmolD /2,41
Dnn xR
xR
Ry
1
1
11
Equação da reta de operação da seção de retificação:
95,0.14
1
14
41
nn xy
19,08,01 nn xy
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12 Aula 5: Destilação - McCabe-Thiele
A reta de operação da seção de retificação pode então ser estabelecida:
19,08,01 nn xy
xD
Reta de operação da
Seção de retificação
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13 Aula 5: Destilação - McCabe-Thiele
A linha-q pode ser obtida a partir a partir dos dados de entalpia fornecidos no
problema. No entanto, precisamos conhecer a temperatura de saturação da
alimentação (ponto de bolha), que pode ser obtida a partir do diagrama Txy:
xF = 0,45
93,5 °C
195,132099
)45,545,93(15932099)(
vap
FB
L
p
vap
LV
FV
h
TTch
hh
hhq
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14 Aula 5: Destilação - McCabe-Thiele
Substituindo o valor de q e de zX na equação da reta q, obtemos:
)1(1
q
zx
q
qy F
)195,1(
45,0
1195,1
195,1
xy
3,212,6 xy
A reta q pode então ser traçada no diagrama xy.
Observe que para y = 0
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15 Aula 5: Destilação - McCabe-Thiele
Reta q:
xD zF
Reta de operação da
Seção de retificação
Reta q
interseção
(~ 0,376)
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16 Aula 5: Destilação - McCabe-Thiele
A definição da interseção da reta de operação da seção de retificação com a “reta
q”, fixa automaticamente a inclinação da reta de seção de esgotamento.
xD zF xB
Reta de operação da
Seção de retificação
Reta q
Reta de operação da
Seção de esgotamento
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17 Aula 5: Destilação - McCabe-Thiele
O número de estágios teóricos pode então ser obtido graficamente
xD zF xB
1
2
3
4
5
6
7
Aprox. 7,5 estágios teóricos,
incluindo o refervedor na
base da coluna.
A alimentação deve ser
inserida no quinto estágio.
Prato da alimentação
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18 Aula 5: Destilação - McCabe-Thiele
Questão 2: Para a mesma situação do problema anterior, onde uma mistura
benzeno/toulueno está sendo destilada, produzindo um destilado com xD = 0,95 e
um produto de fundo com xB = 0,1, calcule:
a) A razão mínima de refluxo (Rmin)
b) O número de estágios para a situação de refluxo máximo.
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19 Aula 5: Destilação - McCabe-Thiele
Na situação de refluxo mínimo, a reta de operação da seção de retificação
intercepta a “reta q” no ponto de interseção desta com a curva de equilíbrio.
xD zF xB
(0,705)
(0,49)
'
'
min
min
1 xx
yx
R
R
D
D
49,095,0
705,095,0
1min
min
R
R
17,1min R
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20 Aula 5: Destilação - McCabe-Thiele
Na situação de refluxo total, as retas de operação das seções de retificação e
esgotamento coincidem com a reta y=x.
xD zF xB
1
2
3
4
5
Aprox. 5,8 estágios de
equilíbrio, incluindo o
refervedor na base da
coluna.
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21 Aula 5: Destilação - McCabe-Thiele
Método de McCabe-Thiele
Localização do estágio de alimentação em uma coluna: Outras possibilidades
A alimentação da coluna em uma posição diferente da considerada “padrão”
implica na necessidade de um maior número de estágios de equilíbrios na
coluna para se obter a separação desejada.
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22 Aula 5: Destilação - McCabe-Thiele
Método de McCabe-Thiele
Localização do estágio de alimentação em uma coluna
Observe que a posição da alimentação divide a coluna nas seções de retificação e
esgotamento.
Devido a variações de composição na alimentação e a incertezas sobre a eficiência
dos pratos, a alimentação pode ser feita um pouco acima ou abaixo da localização
ótima.