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Introdução Método de McCabe-Thiele Condições Limites de Operação Eficiência Global e de Prato

Destilação Binária por Estágios

Prof. Rodolfo RodriguesUniversidade Federal do Pampa

BA310 – Operações Unitárias IICurso de Engenharia Química

Campus Bagé

20 de agosto de 2019

Rodolfo Rodrigues Operações Unitárias II

Destilação Binária por Estágios 1


Introdução




Introdução

Destilação por Estágios

Nesse processo, os estágios de equilíbrio são organizadosem um reservatório cilíndrico sob pressão controlada: colunaou torre de destilação;

Na coluna circulam 2 correntes em contracorrente e contatopermanente: vapor ascendente e líquido descendente;

Os internos das torres podem ser de 2 tipos principais:pratos e recheios.




Introdução

Figura 1: PFD da produção de benzeno por hidrodealquilação de tolueno(C6H5CH3 + H2 −−−→ C6H6 + CH4). Destaque para os vasos de separação V-102 e V-103e a coluna de destilação T-101.

Fonte: Turton et al (2018).





(a) pratos (b) recheios

Figura 2: Tipos de internos de colunas: (a) pratos e (b) recheios.Fonte: adaptado de Azevedo & Alves (2013).




Introdução


A corrente líquida descendente é requerida para oenriquecimento (ou retificação) do vapor que sobe;

Esta corrente é garantida pelo refluxo de parte do destilado(condensador) que é obtido no topo;

Do mesmo modo, para promover o esgotamento (ouempobrecimento) do líquido no fundo da coluna, este éparcialmente vaporizado (refervedor) e reenviado a coluna.




Destilação por EstágiosTabela 1: Operações de destilação binária comerciais representativas.

Mistura binária Volatilidade Número de Pressão típica de R/Rminrelativa média, α estágios, N operação, P (psia)

1,3-butadieno/vinil acetileno 1,16 130 75 1,70Vinil acetileno/acetato de etila 1,16 90 15 1,15o-Xileno/m-xileno 1,17 130 15 1,12Isopentano/n-pentano 1,30 120 30 1,20Isobutano/n-butano 1,35 100 100 1,15Etilbenzeno/estireno 1,38 34 1 1,71Propileno/propano 1,40 138 280 1,06Metanol/etanol 1,44 75 15 1,20Água/ácido acético 1,83 40 15 1,35Etileno/etano 1,87 73 230 1,07Ácido acético/anidrido acético 2,02 50 15 1,13Tolueno/etilbenzeno 2,15 28 15 1,20Propano/1,3-butadieno 2,18 40 120 1,13Etanol azeótropo/água 2,21 60 15 1,35Isopropanol/água 2,23 12 15 1,28Benzeno/tolueno 3,09 34 15 1,15Metanol/água 3,27 60 45 1,31Cumeno/fenol 3,76 38 1 1,21Benzeno/etilbenzeno 6,79 20 15 1,14HCN/água 11,20 15 50 1,36Óxido de etileno/água 12,68 50 50 1,19Formaldeído/metanol 16,70 23 50 1,17Água/etilenoglicol 81,20 16 4 1,20

Fonte: adaptado de Henley, Seader e Roper (2011).





Figura 3: Esquema de uma coluna de destilação com estágios de equilíbrio.Fonte: Azevedo & Alves (2013).




Dimensionamento de Colunas

São 4 passos:

1 Levantamento de dados de equilíbrio de fases (ELV) edemais propriedades;

2 Determinação do no de estágios teóricos para uma dadaseparação desejada (ou a partir de uma coluna já existente,determinar a separação que se pode obter);

3 Determinação o no de estágios reais utilizando o conceitode eficiência de pratos ou global aos estágios teóricos;

4 Escolha do tipo de interno da coluna e determinação dosdiâmetro e altura da coluna (e outros parâmetros);




Dimensionamento de Colunas

1 Modelo Rigoroso:Equações MESH (Simuladores de processos);

2 Modelo Reduzido:Método de Ponchon-Savarit (1921-1922): Método gráfico;Método de Lewis(-Sorel) (1922): Método algébrico;Método de McCabe-Thiele (1925)*: Método gráfico.

*McCabe, W. L.; Thiele, E. W. Gaphical design of fractionating columns. Ind. Eng. Chem. v.17, n. 6, p. 605–611, 1925. DOI



http://dx.doi.org/10.1021/ie50186a023


Método de McCabe-Thiele





Hipóteses:

1 Vazões de vapor e líquido são constantes em uma mesmaseção da coluna (CMO, constant molar overflow);

2 Coluna é adiabática;

3 Variações de calor sensível são desprezíveis diante devariações de calor latente;

4 Entalpia de mistura é desprezível e

5 Entalpias de vaporização das espécies e da mistura sãoconstantes.





O método de McCabe-Thiele se baseia na resolução gráfica deequações de balanço de massa e energia das:

Seção de retificação (ou enriquecimento);

Seção de esgotamento (ou empobrecimento) e

Seção de alimentação (ou carga),

em um diagrama x-y (relação de equilíbrio).





Figura 4: Linha de equilíbrio líquido-vapor e linhas de operação do método deMcCabe-Thiele.

Fonte: Azevedo & Alves (2013).





Seção de Alimentação

Linha de operação de alimentação ou “linha-q”:

y =

(q

q − 1

)x −

zq − 1

(1)

onde:

q =L − L

F=

hV − hF

hV − hL(2)





Condições Térmicas da Carga

a q > 1: líquido subresfriado

q = 1 +cp,L (Tb − TF )

∆hvap (3)

b q = 1: líquido saturadoc 0 < q < 1: líquido e vapor

q = 1 − f (4)

d q = 0: vapor saturadoe q < 0: vapor superaquecido

q =cp,V (Td − TF )

∆hvap (5)





Figura 5: Valores possíveis de q e suas relações com as vazões de líquido e de vapor.Fonte: Azevedo & Alves (2013).





Figura 6: Efeito das condições térmicas da carga no coeficiente angular da linha-q.Fonte: Azevedo & Alves (2013).





Tabela 2: Condições térmicas da carga.

Estado q q/(q – 1) T

Líquido subresfriado >1 >1 < Tb

Líquido saturado 1 ∞ Tb

Líquido e vapor entre 0 e 1 <1 entre Tb e Td

Vapor saturado 0 0 Td

Vapor superaquecido <0 entre 0 e 1 >Td

Legenda: Tb é a temperatura do ponto de bolha e Td é a temperatura do pontode orvalho (“dew”).





Seções de Retificação e Esgotamento

Linha de operação de retificação:

y =

(R

R + 1

)x +

xD

R + 1(6)

onde R = L/D é a razão de refluxo.

Linha de operação de esgotamento:

y =L

Vx −

W

VxW =

(RB + 1

RB

)x −

xW

RB(7)

onde RB = V/W é a razão de boilup.





Passo-a-passo:

1 No diagrama x-y, marcar xW , z e xD na linha de 45o;2 Traçar a linha-q a partir de z e do coef. angular (q/q − 1);3 Traçar a linha de retificação a partir de xD e do coef. linear

(xD/R + 1);4 Traçar a linha de esgotamento a partir de xW e do ponto de

intersecção entre as linhas q e de retificação;5 O no de degraus traçados de xD até coincidir ou ultrapassar xW

(do topo para o fundo da coluna) é o no de estágios teóricos,N;

6 O estágio onde a prolongação da linha-q primeiro atravessar éo estágio ótimo para carga, NF .

Obs.: O refervedor conta como um estágio teórico quando for umrefervedor parcial.





Figura 7: Determinação do no de estágios teóricos e do estágio ótimo para carga pelométodo de McCabe-Thiele.






(a) esquema da coluna (b) diagrama

Figura 8: Balanço material e linhas de operação para coluna de esgotamento (stripping):(a) correntes na coluna (b) linhas de operação e equilíbrio. Mesmo raciocínio vale paracoluna de retificação.

Fonte: Geankoplis (2003).





(a) variação de R (b) variação de q

Figura 9: Interseção das linhas de operação: (a) modificando a razão de refluxo com qconstante; (b) modificando q com razão de refluxo constante. Razão de boilup varia.

Fonte: Wankat (2012).




Condições Limites de Operação





Refluxo TotalR → ∞N → Nmin

Na prática, significa que a coluna opera sem retirada deproduto de topo.Graficamente acontece quando a linha de retificação coincidecom a linha de 45o.





(a) refluxo total (b) no mínimo de estágios

Figura 10: Número mínimo de estágios teóricos na condição de refluxo total.Fonte: Azevedo & Alves (2013).





Refluxo MínimoR → Rmin

N → ∞

Rmin =xD − y∗

y∗ − x∗(8)

Ponto de estrangulamento (x∗, y∗): Quando os triângulosformados pelas linhas de operação e de 45o

tocam/tangenciam a curva de equilíbrio.

Custo Total Mínimo (Refluxo Ótimo)

Rop ≈ 1,2 · Rmin (9)





(a) refluxo mínimo (b) mistura ideal (c) mistura não-ideal

Figura 11: Número infinito de estágios teóricos na condição refluxo mínimo.Fonte: Azevedo & Alves (2013).





(a) seção de retificação (b) seção de esgotamento

Figura 12: Ponto de estrangulamento, K , na linha de operação da (a) seção de retificaçãoe (b) seção de esgotamento.

Fonte: Dutta (2007).





Figura 13: Razão de refluxo ótima para uma operação de destilação representativa.Fonte: Henley, Seader & Roper (2011).




Eficiência Global e de Prato





Na prática, L-V que deixam um estágio não estão equilíbriodevido a:

Tempo insuficiente de contato entre as fases eMistura deficiente

O conceito de eficiência relaciona um estágio de equilíbrio(ideal) com o respectivo estágio real;

Eficiência global, E0, se refere globalmente à coluna eeficiência de prato ou de Murphree, EM , se refere a cadaprato individualmente.





Eficiência de Murphree

Eficiência de Murphree relativa à fase vapor, EMV :

EMV =Enriquecimento real do vaporEnriquecimento ideal do vapor

=yn − yn+1

y∗n − yn+1(10)

Eficiência de Murphree relativa à fase líquida, EML :

EML =Empobrecimento real do líquidoEmpobrecimento ideal do líquido

=xn − xn+1

x∗n − xn+1(11)





Estágio ideal Estágio real

Linha de operação

(a) representação gráfica (b) representação dos estágios

Figura 14: Eficiência de prato ou de Murphree: (a) representação gráfica entre estágioideal e real e (b) representação dos estágios ideias de uma coluna.






Eficiência de Murphree

Graficamente, tem-se:

EMV =yn − yn+1

y∗n − yn+1=

AB

AC(12)

EML =xn − xn+1

x∗n − xn+1=

DB

DE(13)

Para EML , começar a determinação dos pratos a partir dotopo da coluna;Para EMV , começar a determinação dos pratos a partir dofundo da coluna;O refervedor corresponde a um estágio de equilíbrio (100% deeficiência).





Figura 15: Eficiência de Murphree e construção de McCabe-Thiele.Fonte: Azevedo & Alves (2013).





Eficiência Global

Define-se:

E0 =No de estágios ideaisNo de estágios reais

=Nideal

Nreal< 1 (14)

Pela correlação de O’Connell, tem-se:

E0 = 49,2 · (µα)−0,245 (15)

válido para 0,1 < µ < 10 cP.





Figura 16: Correlação de O’Connell para a eficiência global (%) de colunas de pratos decampânulas em função do produto da viscosidade da carga, µ (cP), com a volatilidade, α,do componente mais volátil relativo ao menos volátil.




Referências

AZEVEDO, E. G.; ALVES, A. M. Destilação por Andares:Misturas Binárias. In: ________. (org.). Engenharia deProcessos de Separação. 3. ed. Lisboa: IST Press, 2017,p. 99-220.

DUTTA, B. K. Continuous Multistage Fractionation ofBinary Mixtures. In: ________. (org.). Principles of MassTransfer and Separation Process. New Delhi: Prentice Hall ofIndia, 2007, p. 359-386.

GEANKOPLIS, C. J. Distillation with Reflux andMcCabe-Thiele Method. In: ________. (org.). TransportProcesses and Separation Process Principles (Includes UnitOperations). 4. ed. Upper Saddle River: Prentice Hall, 2003,p. 706-724.



Referências

HENLEY, E. J.; SEADER, J. D.; ROPER, D. K. BinaryDistillation. In: ________. (org.). Separation ProcessPrinciples. 3. ed. Hoboken: John Wiley & Sons, 2011,p. 280-322.

MCCABE, W. L.; SMITH, J. C.; HARRIOTT, P. ContinuousDistillation with Reflux. In: ________. (org.). UnitOperations of Chemical Engineering. 7. ed. Boston:McGraw-Hill, 2005, p. 666-701.

WANKAT, P. C. Column Distillation: InternalStage-by-Stage Balances. In: ________. (org.). SeparationProcess Engineering Includes Mass Transfer Analysis. 3. ed.Upper Saddle River: Pearson, 2012, p. 101-181.



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