Processos de Se Separação I MEB 2008/09 2º. Sem. Edmundo Gomes de Azevedo DEQB, IST http://web.ist.utl.pt/egazevedo/
[email protected] 11º. And Andar, ar,Torre Quím Q uímica ica
Destilação por Andares: Misturas Multicomponentes
A fraccionação de misturas multicomponentes numa coluna de destilação permite apenas a separação entre dois componentes. Exemplo:
mistura dos componentes A, B, C, D, etc.,
Uma coluna de destilação separa os componentes AeB componentes chave
ou CeD
Especificam-se um máximo de duas composições correspondentes a dois dos n componentes da mistura
Composições no destilado e no resíduo são especificadas – os mais importantes em termos de destilação (queremos separar estes dois de todos os outros constituintes da mistura multicomponente)
Componentes chave O mais volátil Chave leve (light key, LK)
A ser separado e concentrado no destilado
O menos volátil
Chave pesada (heavy key , HK),
A ser concentrado no resíduo
Componentes não-chave
Leves (LNK) (Mais voláteis que a chave leve)
Pesados (HNK) (Menos voláteis que a chave pesada)
Componentes chave Aparecem em quantidade significativa nas correntes dos produtos no topo (LK) e na base da da coluna (HK)
São especificados Componentes não chave Não chave leves (LNK): saem exclusivamente no destilado Não chave pesados (HNK): saem apenas no resíduo
As suas composições no topo e no fundo da coluna resultam das relações entre as variáveis envolvidas nos balanços de massa e resultantes das condições de equilíbrio líquido-vapor e não podem ser especificadas Requer a resolução iterativa das equações
Para evitar esta resolução iterativa, podemos simplificar estes cálculos nas situações em que ocorrem simultaneamente: •
•
Não há componentes de volatilidade intermédia entre os componentes chave Pretende-se uma boa separação entre os componentes chave
Todos os componentes mais voláteis que a chave leve aparecem unicamente no destilado (isto é, é zero a sua concentração no resíduo) pois só os componentes chave se distribuem entre o topo e o fundo da coluna, existindo separação apenas entre os dois componentes chave
Já existem equações suficientes para determinar as composições do destilado e do resíduo e podem pois efectuar-se cálculos andar a andar Além destes métodos rigorosos (que envolvem a resolução das equações dos balanços mássicos e energéticos e das equações de equilíbrio) existem métodos aproximados para o cálculo de colunas de destilação de misturas multicomponentes
Exemplo Uma mistura multicomponente cuja composição está indicada na tabela seguinte foi destilada numa coluna de pratos tendo-se obtido um destilado e um resíduo com as composições apresentadas na tabela. Identifique os componentes desta mistura que são: a) A chave leve. b) A chave pesada. c) Não chave leve. d) Não chave pesada .
Resolução: a) Os componentes chave: componentes da mistura da alimentação sobre os quais especificamos a separação
Propano (LK) n-Butano (HK)
c) Por exemplo, o metano (ou o etano) não é uma chave leve pois a sua composição (e quantidade) é especificada apenas numa das correntes (destilado). Os restantes componentes são não-chaves. Os não chaves que são mais voláteis que a chave leve são denominados não chaves leves, LNK (light non-key ). Os não chaves que são menos voláteis que a chave pesada são denominados não chaves leves, LNK (light non-key ). Metano e o etano: não chaves leves Pentano e o hexano: não chaves pesadas
LK HK
Método FUG Fenske-Underwood-Gilliland (FUG) •
•
•
Método aproximado Permite obter o número de andares ideais necessários para separar os componentes de uma mistura multicomponente Segue uma sequência de passos
Baseia-se nas seguintes hipóteses:
Só os componentes chave se distribuem em quantidades significativas pelas correntes que saem da coluna (topo e fundo)
Os caudais molares são constantes de prato para prato
As volatilidades relativas entre componentes, aA,B, são constantes
Os componentes chave: saem em quantidade significativa nas correntes do topo e da base da coluna. Não-chave leves saem só no destilado; e as não-chave pesadas só no resíduo
Refluxo Total R
N N min
10
Refluxo Mínimo R Rmin
N
11
Método FUG Passo
Equação
Condição
Para calcular:
1
Fenske
Refluxo total (R )
Nmin
∞
(Número mínimo de andares) (inclui ebulidor parcial)
2
Underwood
N
∞
Rmin
(Refluxo mínimo) 3
Refluxo real
R = f (Rmin )
R = (1.2-1.5) Rmin
4
Gilliland
Refluxo finito
Número de andares ideais, N
5
Kirkbride
Refluxo finito
Localização óptima do andar da alimentação
Fenske:
( xLK / xHK )dest ( / ) x x LK HK res ln a LK,HK
ln
(N min) N min
Taxa de recuperação (em vez da fracção molar do componente i no destilado ou no resíduo):
taxa de recuperação de i =
moles de i na corrente moles de i na alimentação
Taxa de recuperação de A no destilado:
(FR A )dest
xA D z A F
(FRA)dest + (FRA)res = 1
(FR A / FR B )dest (FR A )dest (FR B )res ln ln (FR A / FR B )res [(1 FR A )dest ][1 FR B ] res N min ln a A,B ln a A,B
Underwood: (Rmin)
n
a i,HK xi,F
a ,HK 1 q i 1
volatilidade de cada componente em relação à HK
n
(variável auxiliar)
i
a i,HK xi ,D
a ,HK 1 Rmin i 1
Rmin
i
equação de grau n
das n raízes escolhe-se o valor de tal que obedece à relação
1 aLK,HK Refluxo real: R (1.2-1.5)Rmin
Gilliland: (N )
relações empíricas entre o número de andares de equilíbrio e a razão de refluxo, sabendo N min, R e Rmin Eq. Fenske Eq. Underwood
Alternativa: correlação gráfica de Gilliland
N Nmin N 1
R Rmin 0.75 0.75 R 1
0.5668
Localização óptima do andar da alimentação: Usar equação de Fenske para estimar onde seria a localização do prato da alimentação se o refluxo fosse total
Determinação do número de andares necessários para ir das composições dos compostos chave na alimentação até às composições no destilado
N F,min
x zLK LK ln / xHK dest zHK aliment ln a LK,HK
Admitindo constante a localização relativa da alimentação quando alteramos o refluxo total para um valor finito, a localização real da alimentação é
N F,min Nmin
Alternativa: Equação de Kirkbride:
N rectif N esgot
N F N
zHK,F z LK,F
2
x LK,B x HK,D
W D
0.206
FUG:
Sequência de cálculo
Identificar os compostos chave-leve e a chave-pesada.
Estimar as distribuições dos componentes não-chave e calcular as composições do destilado e do resíduo.
Obter aLK,HK.
Obter N min da equação de Fenske.
Calcular a distribuição dos componentes não chave.
Calcular Rmin = (L /D)min usando as equações de Underwood.
Especificar a razão de refluxo, R, que se pretende utilizar.
Calcular o número de andares de equilíbrio através da relação de Gilliland. Determinar a localização óptima do andar da alimentação.
