Operações Unitárias III

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Operações Unitárias III
Eng. Quím.
DEQ
Dimensionamento de Colunas
Prof. Alexandre F. Santos 
Equipamento e Operação
DESTILAÇÃO BINÁRIA
Equipamento e Operação
O casco vertical 
abriga os internos da 
coluna e junto com o 
condensador e 
refervedor, 
constituem uma 
coluna de destilação. 
COLUNA DE PRATOS
PRATOS PERFURADOS PRATOS VALVULADOS
DESTILAÇÃO BINÁRIA
Internos da Coluna
COLUNA DE PRATOS
PRATOS COM BORBULHADORES
DESTILAÇÃO BINÁRIA
Internos da Coluna
Internos da Coluna
Bandejas ou pratos
os termos "bandejas" e "pratos" são usados de forma 
análoga. Existem muitos tipos de configurações de 
bandeja, mas as mais comuns são:
Bubble cap trays (Pratos com borbulhadores)
O gás flui através do duto ascendente e passa
pela campânula que força a passagem do gás por
fendas laterais, quando então é dispersado na fase
líquida que cobre tais fendas.
Internos da Coluna
Bubble cap trays (Pratos com borbulhadores)
Internos da Coluna
Sieve trays (Pratos perfurados)
São placas de metal com 
orifícios. Vapor passa direto 
para cima através do líquido 
sobre a placa. Arranjo, 
número e tamanho dos 
orifícios são parâmetros de 
projeto. Por causa de sua 
eficiência, ampla faixa 
operacional, facilidade de 
manutenção e baixo custo, 
pratos perfurados e 
valvulados têm substituído os 
borbulhadores em muitas 
aplicações.
Internos da Coluna
Valve trays (pratos valvulados)
Possui perfurações cobertas com opérculos móveis, que
são levantados pelo vapor que flui para cima através das 
perfurações, e abaixam-se sobre o orifício quando a 
velocidade do vapor é baixa. Tais válvulas direcionam o 
vapor horizontalmente no líquido, proporcionando
mistura mais completa que no caso dos pratos
perfurados.
ABSORÇÃO
Pratos Perfurados Pratos Valvulados Borbulhadores
❑ TIPOS DE PRATOS
Internos da Coluna
ABSORÇÃO
Fonte : Seader e Henley, 1998.
Internos da Coluna
Pratos 
Perfurados
Pratos 
Valvulados
Borbulhadores
(bubble cap)
Pratos valvulados
→ amplo intervalo de velocidade de escoamento (frente ao prato
perfurado)
→ Custo inferior ao prato com borbulhador
→ Elevadas eficiências de estágio (pouco sensível a velocidade)
Internos da Coluna
Prato valvulado Bubble cap 
Fluxo de líquido e vapor numa coluna de pratos
Internos da Coluna
Internos da Coluna
Cada prato possui 2 condutores de líquido, um em cada lado, 
denominados ‘downcomers’. Líquido desce prato a prato
através dos downcomers por gravidade. O fluxo através de 
cada prato é mostrado abaixo.
Uma barreira (weir) no prato
garante a existência de líquido
(holdup) no prato, sendo
projetada de modo manter o 
líquido em altura adequada (ex, 
de forma a cobrir totalmente os
borbulhadores com líquido).
O vapor ascende através da
coluna sendo forçado a atravessar
o líquido através das aberturas
dos pratos. A área disponível para
passagem de vapor em cada prato
é a área ativa do prato. 
COLUNA DE RECHEIO
DESTILAÇÃO BINÁRIA
Internos da Coluna
TIPOS DE RECHEIO
RECHEIOS RANDÔMICOS
RECHEIOS ESTRUTURADOS
DESTILAÇÃO BINÁRIA
Internos da Coluna
Internos da Coluna
RECHEIOS
Recheios são dispositivos passivos que são projetados para 
aumentar a área interfacial de contato líquido-vapor. As 
seguintes imagens mostram 3 tipos diferentes de recheios.
Estas peças supostamente conferem bom contato líquido-vapor, 
sem causar excessiva queda de pressão através de uma seção 
empacotada. 
Isto é importante porque uma elevada queda de pressão 
significa que mais energia é necessária para conduzir o vapor 
para a coluna de destilação.
Internos da Coluna
Recheio x Prato
Uma coluna de pratos que esteja enfrentando problemas de 
transferência pode ser aprimorada via substituição da seção
de pratos por uma seção de recheio. Isto porque: 
• Recheios fornecem área interfacial extra para contato L-V
• A eficiencia de separação aumenta para a mesma altura de 
coluna
• Colunas recheadas sao menores do que colunas de pratos. 
• Colunas recheadas sao chamadas de colunas de contato
contínuo enquanto as colunas de pratos sao denominadas
colunas de estágios de contato.
Refervedor
Exemplos de Refervedores
Refervedor
Refervedor
http://www.rccostello.com/Klarex.html
Fatores que afetam a operação da
coluna
Condições de Vazão de Vapor
Condições adversas no fluxo de vapor podem causar:
Espuma 
Arraste
Gotejamento/Choro
Inundação
Formação de espuma
Refere-se a expansão do líquido devido à 
passagem de vapor. Embora forneça alta área 
de contato interfacial líquido-vapor, formação 
de espuma excessiva conduz frequentemente a 
acúmulo de líquido nos pratos. Em alguns 
casos, a formação de espuma pode ser tão 
ruim que a espuma se mistura com o líquido 
no prato acima. Ocorrência de espuma 
depende principalmente de propriedades 
físicas das misturas líquidas, mas às vezes é 
devido à condição e layout do prato. Seja qual 
for a causa, eficiência de separação é sempre 
reduzida.
Fatores que afetam a operação da
coluna
Arraste
Refere-se ao líquido transportado por vapor 
até o prato superior e novamente é causado 
por altas taxas de fluxo de vapor. É prejudicial 
porque reduz a eficiência do prato: material de 
volatilidade inferior é levado a prato com 
líquido com volatilidade superior.Isso também 
poderia contaminar destilado de alta pureza. 
Arraste excessivo pode causar inundação.
Fatores que afetam a operação da
coluna
Choro/Gotejamento
Fenômeno causado pela baixa vazão de vapor.
A pressão exercida pelo vapor é insuficiente
para segurar o líquido no prato. Portanto, o
líquido começa a vazar através dos orifícios.
Choro excessivo levará ao dumping
(vazamento). Choro é acompanhado de uma
queda de pressão acentuada na coluna e por
eficiência de separação reduzida.
Fatores que afetam a operação da
coluna
Inundação
Provocada por fluxo de vapor excessivo,
causando o arraste de líquido pela coluna. O
aumento da pressão de vapor em excesso
também faz o retorno de líquido no
downcomer, causando um aumento no volume
de líquido no prato acima. Dependendo do
grau de inundação, a capacidade máxima da
coluna pode ser severamente reduzida.
Inundação é acompanhada por aumentos
acentuados na pressão diferencial da coluna e
por significativa diminuição na eficiência de
separação.
Fatores que afetam a operação da
coluna
Diâmetro da Coluna
A maioria dos fatores que afetam a operação da 
coluna é devido às condições de fluxo de vapor: ou 
excessiva ou muito baixa. 
Velocidade de fluxo de vapor depende do diâmetro da 
coluna. 
Choro determina o fluxo mínimo exigido;
Inundação determina o fluxo de vapor máximo 
permitido, portanto, capacidade de fluxo de vapor 
da coluna. 
Fatores que afetam a operação da
coluna
• Vazões - realizar um balanço de massa para
determinar vazões F, D, B, e de L e V em ambas as
seções da coluna.
• Altura da coluna - determinar o número de estágios
de equilíbrio. Escolha prato ou recheio e divida o
número de estágios de equilíbrio por eficiência de
prato para obter o número real de pratos ou altura
total do recheio (além de espaçamento e espessura
dos pratos)
• diâmetro de coluna– determinar a velocidade de
vapor, dividir vazão por velocidade e calcular a
área
• agora ficou claro dimensionar diâmetro e altura de
pratos ou de recheios.
Dimensionamento: sumário
Vazão de Líquido e de Vapor
Vazões de vapor podem causar arraste e inundação (se muito altas) e 
gotejamento se muito baixa.
Inundação
Choro excessivo
Região de operação
Liquid flow rate
V
ap
ou
r 
fl
ow
 r
at
e
Velocidade do Vapor
Velocidades de vapor são determinadas para a retificação e 
stripping , podendo ser diferentes. 
Se demasiado baixa → Choro, líquido flui através dos furos 
Se muito alta → inundação, líquido irá de volta para o próximo 
prato. 
Se muito alta → pode reduzir a eficiência do prato porque o 
tempo de contato entre as fases é reduzido. 
Calcularo limite superior para a velocidade no ponto no qual 
inundação ocorre. Uma velocidade de projeto de 80 a 85% da 
velocidade inundação é usada
Cálculo da velocidade de inundação
Válido para Retificação ou stripping
v
vL
f Ku

 −
= 1
Onde uf = velocidade de inundação m/s
K1 = coeficiente obtido via gráfico
L = densidade do líquido
v = densidade do vapor
Diagrama de K1 versus FLV está disponível em quase todos os livros
de OP.III . O diagrama é específico para cada tipo de prato ou
borbulhador. Os espaços entre pratos devem ser conhecidos´. FLV
é o fator de vazão liquido-vapor dado por:
L
v
w
w
LV
V
L
F


=
Onde Lw = liquid mass flow rate kg/s
Vw = vapour mass flow rate kg/s
L = liquid density
v = vapour density
Cálculo da velocidade de inundação
Diagrama de K1 versus FLV
Coulson & Richardson, Vol VI, 3rd Ed., p567
Gráfico K1 x FLV
Algumas restrições se aplicam a este gráfico como o diâmetro mínimo do 
orifício, altura de barreira, sistema sem espuma, limite de tensão da 
superfície líquida.
O tamanho do furo deve ser menor que 6,5mm; 
A altura da barreira deve ser menor que 15% do TS; 
Sistemas não devem formar espuma; 
A razão dos furos pela área ativa deve ser maior que 0,10. 
furos/área
ativa 
0,10 
0,08 
0,06 
1,0
0,9
0,8
multiplicar K1 por:
A tensão superficial deve ser igual a 0,02N/m, caso não, corrige-se abaixo: 
conforme abaixo 
Cálculo da densidade do vapor ideal
Se a densidade de vapor é desconhecida, então pode ser calculada usando 
a lei dos gases ideais:
nRTPV =
P = pressão da coluna
V = volume de gas (desconhecido)
n = no. de mols (kmol em kmol/hr ou use base de 1 mol)
R = constante universal dos gases, 8.314 J/K
T = temperatura do vapor
Calcule a densidade usando o produto do peso molecular do gás (MG) pelo
termo P/RT. 
Diâmetro da Coluna
O fluxo de vapor em qualquer seção da coluna é obtido a partir do 
balanço de massa em kmol/h. Isto é convertido em m3/s, como segue: 
m3/s = (kmol/h x mol wt.)/(densidade x 3600)
A partir da equação da continuidade, q = va. Uma vez que sabemos a 
velocidade e a vazão, podemos determinar a área de seção reta e o 
diâmetro. Duas velocidades diferentes fornecerão 2 diâmetros 
específicos. 
O mesmo diâmetro da coluna (o maior) pode ser usado para a coluna 
inteira para simplificar a construção. Neste caso, os pratos na seção de 
baixa velocidade terão menos perfurações.
Vop
v
c
v
MWV
A

)(
= D =
4A
c
p
Verificando Gotejamento (choro)
( ) 
v
h
h
dK
u

−−
=
4.2590.02
É boa prática verificar que o choro não irá ocorrer. Para chorar, a
velocidade do vapor através dos furos na bandeja é baixa. Isto é obtido
dividindo-se a vazão de vapor mínimo (m3/s) pela área disponível para o
fluxo, ou seja, a área total do orifício. Isto é comparado com a velocidade do
vapor em que inicia o choro, que é dada por:
dh = diâmetro do orifício e K2 via diagrama.
A velocidade mínima deve ser maior que a velocidade de choro!!!!
Verificando Gotejamento (choro)
Onde, lw =comprimento da barreira, m
how = crista da barreira, mm de líquido
Lw = vazao de líquido, kg/s.
Espaçamento dos Pratos
•Espaçamento do prato determina a altura da coluna. 
•Pratos normalmente são espaçados em 0,15 a 1m de distância
•Se o diâmetro é superior a 1m , usar uma espaçamento de prato de 0.5m
Colunas de recheio
• Queda de pressão < 1000 Pa por m de altura de recheio (0,054 psi/ft de 
recheio, em Seader & Henley, 2nd ed., p233)
• Diâmetro nomimal do recheio < 1/8 do diâmetro da coluna
• Fator FLV calculado conforme expressão anterior.
• Utilizar um outro diagrama de FLV versus Y com retas de queda de 
pressao constante por comprimento de recheio.
• O fator Y contem a velocidade do gas desejada e fatores de correção para
densidade e viscosidade do líquido.
• Isto é conhecido como GPDC, Generalized Pressure Drop Correlation.
GPDC Chart (exemplo)
FLV
Fator Y para coluna de Recheio
( ) ( )LL
OH
gPo ff
g
Fu
Y
L











=
)(2
2
uo = gas velocity
FP = packing factor from a table of properties for packings
g = gravity
ρg = density of gas
f(ρL) = liquid density correction factor
f(L) = liquid viscosity correction factor
Como calcular o diâmetro da coluna?
1. Calcular FLV
2. Decidir a queda de pressao de inundação
3. Leitura de Y do diagrama
4. Rearranjar equação para obter uv,f
5. Usar eq. da continuidade, estimar área da seção reta, 
e assim o diâmetro.
Colunas de Recheio x Pratos
• Para D < 0.6m recheio é mais
barato
• Recheio pode ser feito de 
material inerte/resistente, logo 
pode lidar com substs
corrosivas.
• Eficiente para sistema com 
baixa ΔP, logo suporta bem o 
vácuo
• Coluna de recheio lida melhor
com espuma. 
• Holdup de líquido é baixo
• Pratos podem ser limpos mais
facilmente.
• Recheio pode quebrar mais
facilmente
• Altas vazoes de líquido são
mais econômicas com colunas
de prato. 
• Baixas vazoes de líquido não
são tão problemáticas (o 
recheio não ficaria uniforme-
mente “molhado”)
Colunas de Recheio
Recheio estruturado Recheio randômico
Projeto de uma Coluna de Fracionamento: 
Fatores importantes
❑ Corrente de alimentação (T, P, composição, condição da fase);
❑ Grau desejado de separação;
❑Pressão de operação (deve ser menor que a pressão crítica da mistura);
❑ Perda de carga;
❑ Razão de refluxo mínima e de operação;
❑Número mínimo de estágios e números de estágios de operação;
❑ Tipo de condensador e refervedor;
❑ Diâmetro da coluna;
❑ Tipo de contato (pratos, recheio ou ambos);
❑ Internos da coluna;
❑Condição do refluxo (líquido saturado ou subresfriado);
❑ Altura da coluna;
❑Posição da alimentação.
DESTILAÇÃO BINÁRIA
Projeto de uma Coluna de Fracionamento 
para Destilação Binária
Método gráfico simplificado → proposto por Warren L. McCabe e Edwin W. Thiele
(1925)
DESTILAÇÃO BINÁRIA
MÉTODO DE MCCABE-THIELE
Balanços de massa na seção de 
retificação e esgotamento 
LINHAS DE OPERAÇÃO
+
CURVA DE EQUILÍBRIO PARA O SISTEMA
No estágios para 
uma dada Razão de Refluxo (R)
No mínimo de estágios (Nmín)
Razão de refluxo mínima (Rmín)
Estágio ótimo para a entrada de F