Aula_Destilação

Prévia do material em texto

PQI0410 -
Operações 
Unitárias da 
Indústria 
Química V
AULAS 6: Destilação contínua (consumo 
de energia, influência da alimentação e do 
refluxo no número de estágios teóricos).
Prof. Moisés Teles/
moises.teles@usp.br
Departamento de 
Engenharia Química 
Escola Politécnica da 
USP
mailto:moises.teles@usp.br
OBJETIVOS 
 Identificar a relação entre o refluxo, linha de operação e o 
design/operação da coluna.
 Determinar as condições limites para o refluxo e o número de estágios.
 Calcular o consumo de energia básico no refervedor e condensador. 
 Identificar a linha de alimentação da coluna.
 Calcular o número mínimo de estágios de uma separação analiticamente 
e graficamente.
2
DESTILAÇÃO CONTÍNUA
3SISTEMA CONTÍNUO
DESTILAÇÃO CONTÍNUA
4
Líquido sub-
resfriado
DESTILAÇÃO CONTÍNUA
5
ALIMENTAÇÃO
Ou q= 1 – fração de vapor
F
LL
q


Fração da alimentação que se 
junta ao líquido descendente na 
coluna
Líquido saturado
Parcialmente vaporizado
Vapor 
saturado Vapor 
superaquecido
DESTILAÇÃO CONTÍNUA
ALIMENTAÇÃO
 Reta de alimentação















11 q
z
x
q
q
y F
Lugar geométrico dos pontos de 
intersecção das retas de operação das 
seções de retificação e esgotamento
V
Dx
x
V
L
y D Zona de enriquecimento
Bx
V
B
x
V
L
y 
Zona de esgotamento
FBD FzBxDx  Balanço global no componente chave
Balanço global na placa de alimentaçãoLVLVF 
q= 1 – fração de vapor
6
DESTILAÇÃO CONTÍNUA
ALIMENTAÇÃO
 Reta de alimentação
7















11 q
z
x
q
q
y F















11 q
z
x
q
q
x F
Ponto de intersecção com a diagonal
F
F
zx
zqxxq

 )1(
DESTILAÇÃO CONTÍNUA
8
DESTILAÇÃO CONTÍNUA
9
DESTILAÇÃO CONTÍNUA
10
MÉTODO GRÁFICO MCCABE-THIELE: RETIFICAÇÃO
Condensador total 1 D Rx x y
DESTILAÇÃO CONTÍNUA
11
MÉTODO GRÁFICO MCCABE-THIELE: RETIFICAÇÃO
 Condensador parcial
xR em equilíbrio com yD
DESTILAÇÃO CONTÍNUA
12
MÉTODO GRÁFICO MCCABE-THIELE: ESGOTAMENTO
Refervedor é um estágio de equilíbrio
 Refervedor parcial
DESTILAÇÃO CONTÍNUA
13
INTERSECÇÃO DAS LINHAS DE OPERAÇÃO
Lugar geométrico dos pontos de
intersecção das retas de operação das
seções de retificação e esgotamento.
Função de R
V
Dx
x
V
L
y D
nn 1
Bmm x
V
B
x
V
L
y 1
E se o refluxo aumenta?
E se o refluxo diminui?
DESTILAÇÃO CONTÍNUA
15
EFEITO DA RAZÃO DE REFLUXO
R diminuindo a partir da condição limite de R total: intersecção das linhas de operação se afastam da diagonal e se 
aproximam da curva de equilíbrio. Aumento do número de estágios.












D
L
D
L
min
V
Dx
x
V
L
y D
Reta de enriquecimento
https://checalc.com/index.html
https://checalc.com/index.html
DESTILAÇÃO CONTÍNUA
16
EFEITO DA RAZÃO DE REFLUXO
V
Dx
x
V
L
y DReta de enriquecimento
Reta de esgotamento coef,.angular:
qFRD
BV
L



1
1
R -> 00. Coef.angular ->1
D= 0 ou L>>D
REFLUXO TOTAL
Número mínimo de estágios: refluxo total (D=0)
DESTILAÇÃO CONTÍNUA
17
EFEITO DA RAZÃO DE REFLUXO
REFLUXO MÍNIMO
V
Dx
x
V
L
y DReta de enriquecimento
Reta de esgotamento
qFRD
BV
L



1
1
R diminuindo
N = infinito
P: Pinch point
DESTILAÇÃO CONTÍNUA
18
EFEITO DA RAZÃO DE REFLUXO
NÚMERO MÍNIMO DE ESTÁGIOS: REFLUXO TOTAL
(embora seja uma operação não viável, serve de referência para obtermos o número 
mínimo de estágios (Nmin), um importante parâmetro na avaliação preliminar de uma 
coluna).
DESTILAÇÃO CONTÍNUA
19
LOCALIZAÇÃO DA PLACA DE 
ALIMENTAÇÃO
 Mudança correta:
- Menor número de placas teóricas
-Menor irreversibilidade 
termodinâmica (geração de entropia)
(tanto menor quanto mais próximas 
forem as composições da 
alimentação e do líquido na placa de 
alimentação)
 Mudança tardia
 Mudança antecipada
Equações de Fenske: refluxo total (número min de estágios)
Correntes que se cruzam em refluxo total:
Logo:
Estágio 2:
Estágio 3: ....
Estágio 1:
Estágio N: ....
NÚMERO MÍNIMO DE ESTÁGIOS: EQUAÇÃO DE FENSKE
Estágio N:
Enriquecimento relativo de um par qualquer 
de componentes i e j em N estágios
Volatilidade relativa em cada estágio = 
f(composição, T, P)
exata
Equações de Fenske: refluxo total (número min de estágios)
y em N é igual a x em N +1
(condensa tudo e volta)
NÚMERO MÍNIMO DE ESTÁGIOS: EQUAÇÃO DE FENSKE
Outras médias podem ser 
usadas
Volatilidade relativa média:
Equação de Fenske
i,j = “podem” ser os componentes chave
Qual a influência dos outros componentes nessa equação? 
Equações de Fenske: refluxo total (número min de estágios)NÚMERO MÍNIMO DE ESTÁGIOS: EQUAÇÃO DE FENSKE
Volatilidade relativa média:
Forma alternativa
Vazões no destilado e produto de fundo
Em que condições a eq. de Fenske é exata?
Quais as aproximações usadas ?
Equações de Fenske: refluxo total (número min de estágios)NÚMERO MÍNIMO DE ESTÁGIOS: EQUAÇÃO DE FENSKE
DESTILAÇÃO CONTÍNUA
24
EFEITO DA RAZÃO DE REFLUXO
 REFLUXO ÓTIMO
- Situações extremas: condições 
não econômicas de trabalho.
(custo do equipamento inviável).
 Refluxo maior: 
- custo de operação aumenta; 
- Altura da coluna diminui.
- Diâmetro e tamanho dos 
trocadores de calor aumentam.
1. Pelo diagrama: Rmin.
2. R real é dado como múltiplo do
mínimo
Custo do equipamento; energia, água, 
amortizações
DESTILAÇÃO CONTÍNUA
25
TROCADORES DE CALOR
DESTILAÇÃO CONTÍNUA
26
CARGAS TÉRMICAS
Condensador parcial (carga L)
Condensador total (carga V)
Refervedor 
vap
rcondensado HRDQ  )1(
vap
rcondensado HDRQ 
vap
Brefervedor HBVQ 
B
V
VB 
Consumo 
energético: carga 
de vapor a ser 
usada.
vap
vaporvaporrefervedor HmQ   Se vapor saturado for a fonte de calor
Kg/s, ton/h...consumo de vapor
(mais um estágio de equilíbrio)
DESTILAÇÃO CONTÍNUA
27
CARGAS TÉRMICAS
Condensador parcial (carga L)
Condensador total (carga V)
Refervedor 
vap
rcondensado HRDQ  )1(
vap
rcondensado HDRQ 
vap
Brefervedor HBVQ 
B
V
VB 
Consumo energético: carga de 
vapor a ser usada.
vap
vaporvaporrefervedor HmQ   Se vapor saturado
Kg/s, ton/h...consumo de vapor