4 OpU Proc Separ Hidraulica Coluna AulaZecão 2018.1

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HIDRÁULICA DE COLUNAS DE 
DESTILAÇÃO
HIDRÁULICA DE COLUNAS DE 
DESTILAÇÃO
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ÎPode-se observar sobre os pratos de uma coluna de destilação, 
três zonas distintas conforme mostrado abaixo:
Zona III
Zona II
Zona I
�Zona I = zona de espuma de altura variável
�Zona II = região de grandes gotas que coalescem
e retornam ao prato.
�Zona III = região de pequenas gotas que são 
arrastadas para o prato de cima e voltam ao 
prato ao prato de origem com o líquido.
ÎAlterações nos fluxos internos da coluna pode provocar 
variações excessivas na altura dessas regiões acarretando 
problemas operacionais conforme demonstrado a seguir.
HIDRÁULICA DE PRATOS
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REGIME DE OPERAÇÃO DE UM PRATO
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Î5.1 - INUNDAÇÃO
Ocorre quando o líquido é acumulado sobre o prato com 
maior rapidez de que pode fluir para a bandeja inferior, até
que atinge o prato superior através do aumento de nível nos 
downcomers.
ÎCausas:
alta velocidade do vapor
altas vazões de líquido enchendo os downcomers
espuma (aumento da zona I)
HIDRÁULICA DE PRATOS
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Î5.2 - ENTRAINMENT (ARRASTE)
O arraste numa coluna de bandejas é a passagem do líquido 
arrastado pelo gás de uma bandeja para a que fica acima. 
Diminui a eficiência da coluna pois prejudica a transferência 
de massa entre as fases dificultando o equilíbrio. Impurezas 
não voláteis podem também ser carreadas pelo vapor, 
contaminando o produto de topo.
ÎCausas:
alta velocidade do vapor
HIDRÁULICA DE PRATOS
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ARRASTE
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ARRASTE
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Î5.3 -WEEPING (GOTEJAMENTO)
É o gotejamento de líquido através dos furos do prato 
afetando a eficiência.
Î5.4 -MAXIMUM VELOCITY
É a velocidade excessiva de líquido no downcomer.
ÎCausa:
baixas vazões de vapor através do prato
ÎCausa:
Insuficiência de área no downcomer para uma dada 
vazão de líquido.
HIDRÁULICA DE PRATOS
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Î5.5 - DUMPING
Ocorre quando há vazamento de todo o líquido através dos 
furos do prato. Representa a menor vazão de vapor 
permissível para uma dada vazão de líquido. É o valor limite 
para a operação da torre. Em contrapartida, a Ultimate
Capacity é o limite máximo de vazão de vapor na qual a 
coluna pode operar sem perda de eficiência.
ÎCausa:
vazão mínima de vapor através do prato
HIDRÁULICA DE PRATOS
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Î5.6 - LIMITES OPERACIONAIS DE UMA TORRE DE 
PRATOS
ÎA operação de uma determinada coluna está limitada 
pela velocidade do vapor. A faixa de operação é
determinada pelo projeto e depende do tipo de bandeja 
utilizado. Quando operada fora dos limites especificados 
os produtos saem de especificação.
ÎIndicadores de operação instável:
Temperatura diferente do padrão na região onde 
ocorre anormalidade
Oscilações significativas na pressão ou no sistema 
de controle
Oscilações significativas no diferencial de pressão 
entre base e topo
HIDRÁULICA DE PRATOS
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ÎO diagrama abaixo representa qualitativamente a 
região de operação estável válida para todos os pratos.
operação estável
T
a
x
a
 
d
e
 
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c
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Taxa de escoamento
do líquido
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r
r
a
s
t
e
Inundação
descendente
HIDRÁULICA DE PRATOS
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REGIÃO DE OPERAÇÃO DE UM 
PRATO PERFURADO
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REGIME DE OPERAÇÃO DE UM PRATO
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REGIME DE OPERAÇÃO DE UM PRATO
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REGIME DE OPERAÇÃO DE UM PRATO
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ESPUMA CELULAR
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ESPUMA (FROTH)
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ESPUMA (FROTH)
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SPRAY
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SPRAY
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EMULSÃO
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EMULSÃO
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4.2.4 - Esquema das bandejas
ÎOs pratos com correntes cruzadas, ( borbulhamento, 
perfurados ou valvulados), são constituídos por 5 zonas 
distintas, conforme desenho esquemático a seguir:
desperdício periférico
desperdício periférico
Á
rea dos vertedores
descendentes
Zona de distribuição Z
o
n
a
 
d
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Área ativa
Bandeja borbulhadora
desperdício periférico
desperdício periférico
Á
rea dos vertedores
descendentes
Zona de distribuição Z
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s
Área ativa
Bandeja perfurada ou valvulada
HIDRÁULICA DE PRATOS
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4.2.4 - Esquema das bandejas
ÎAs percentagens da área da seção reta do prato ocupada 
por cada uma das zonas são:
�Zona de dispersão ativa do vapor⇒ de 60 a 80%
�Zona periférica de enrijecimento e suporte⇒ de 2 a 5 %
�Zona de separação e Zona de distribuição⇒ de 5 a 20%
�Zona dos vertedores em cada bandeja⇒ de 5 a 15%
ÎPara os pratos em contracorrente, perfurados (fluxo 
duplo), fendilhado - (turbogrid) e perfurados-ondulados 
(ripple), têm uma área aberta (para escoamento de líquido) 
que vai de 15 a 30% da seção reta total (maior que 5 a 15% 
dos pratos com fluxo com corrente cruzada)
HIDRÁULICA DE PRATOS
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4.2.5 - Queda de Pressão
ÎPara estimar a perda de carga de colunas de pratos 
utiliza-se a equação geral abaixo. 
ht = hd + hl
onde: ht = queda de pressão total, in de líquido
hd = somatório de ∆p através das regiões do prato, ou 
seja: ∆p borbulador seco + ∆p fenda (para borbulhador) 
ou orifício seco (para prato perfurado) ou válvula seca 
(prato valvulado), in de líquido
hl = ∆p através do nível de líquido que fica acima do 
prato, in de líquido
VERIFICAR FIGURA 10 PG 19 DA APOSTILA
HIDRÁULICA DE PRATOS
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4.2.6 - Eficiência da bandeja
ÎO número de estágios de equilíbrio real (número de 
pratos) que será empregado em uma coluna de 
destilação, depende da eficiência com que o contato 
entre líquido e vapor é estabelecido para promover a 
troca de massa entre as fases, em outras palavras, 
depende da eficiência das bandejas.
ÎA eficiência global da da coluna pode ser calculada por 
métodos de previsão empíricos ou estatísticos ou por 
métodos de previsão teóricos ou semiteóricos. 
HIDRÁULICA DE PRATOS
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4.2.6 - Eficiência da bandeja
ÎDe posse do valor da eficiência do prato, o número 
real de pratos necessários para promover a separação 
é dada por:
Eoc = Nt / Na ou Na = Nt/Eoc
onde: Eoc = eficiência global da coluna
Nt = número de pratos teóricos
Na = número de pratos reais
HIDRÁULICA DE PRATOS
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HIDRÁULICA DE RECHEIOS
Um recheio de coluna de destilação deve possuir as seguintes características:
¾ Propiciar uma grande superfície interfacial entre o líquido e o gás. A 
superfície do recheio por unidade de volume do espaço recheado ap deve ser 
grande mas não no sentido microscópico. A superfície de recheio ap é sempre
um pouco maior que a superfície interfacial gás-líquido;
¾ Possuir características desejáveis para o escoamento do fluido. Isto
normalmente significa que a fração de vazios no leito recheado deve ser 
grande. O recheio deve permitir a passagem de grandes volumes de fluido
através da seção transversal da torre sem inundação e com uma baixa perda de 
carga para o gás;
¾ Ser quimicamente inerte aos fluidos processados;
¾ Possuir resistência estrutural para permitir o seu fácil manuseio e 
instalação;
¾ Representar um baixo custo.
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CARACTERÍSTICAS DE RECHEIOS
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HIDRÁULICA DE RECHEIOS
Distribuição de Líquido no Recheio:
a) Inadequada b) adequada
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HIDRÁULICA DE RECHEIOS
Um recheio de coluna de destilação deve possuir as seguintes
características:
¾ A torre deve usualmente ser projetada para operar na região de loading,razoavelmente perto do limite máximo (40 a 80% do flooding). Isto determinará a área 
ótima para qual a eficiência na transferência de massa é máxima.
¾ A dimensão do recheio não deve ser maior que 1/8 do diâmetro da torre. Em outras 
palavras, não há objeção alguma em se utilizar recheios de dimensões pequenas, a 
menos que a vazão de líquido não seja suficiente para molhar toda a área disponível. 
Obs.: a dimensão ótima está em torno de 1/15 do diâmetro da torre.
¾ A altura de cada secção recheada é limitada a aproximadamente 3D para anéis de 
Raschigs e 5D para anéis de Pall. Não é recomendável utilizar-se secção recheada 
superior a 20 ft.
¾ Para sistemas em que a resistência se deve a fase gasosa, recomenda-se utilizar 
recheio aleatoriamente distribuído na torre. Caso contrário, usar recheio arrumado 
dentro da torre, sendo que para recheios menores que 3’’ o custo do arranjo do recheio 
é muito elevado. Não é econômico utilizar-se recheios maiores que 2’’ distribuídos 
aleatoriamente.
¾ distribuição inicial do líquido e a sua redistribuição no topo de cada secção é muito 
importante para corrigir a migração de líquido para as paredes. 
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EFICIÊNCIA DE RECHEIOS
¾ A eficiência de um recheio, em termos de transferência de 
massa, é medida pela altura de recheio que equivale a um estágio 
teórico de equilíbrio líquido-vapor. Esta altura é comumente 
conhecida como HETP (Height Equivalent of the Theoretical
Plate);
¾ A altura de recheio pode assim ser calculada a partir do número 
de estágios teóricos requeridos para a separação: H = N.HETP
¾O valor do HETP depende do sistema, da área superficial 
específica do recheio e das condições de fluxo na coluna;
¾Um valor típico para o HETP de colunas industriais é de 1 a 2 ft 
(30 a 60 cm);
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HIDRÁULICA DE RECHEIOS
Efeito do Tamanho do recheio no HETP
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HIDRÁULICA DE RECHEIOS
Variação do Coeficiente de Transferência de Massa em 
Torres Recheadas
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HIDRÁULICA DE RECHEIOS
Grau de Molhamento em Recheios
¾ A transferência de massa diminui sensivelmente quando a razão do 
líquido é inferior a certo valor crítico, denominado “grau de molhamento 
mínimo” ou “mínimum wetting rate” (MWR);
¾ A razão de molhamento (WR) é dada por: W.R = L / ap
onde:
L = razão de líquido, ft3/hr x ft2 = vazão de líquido (ft3/hr) por área da 
secção transversal da torre (ft2)
ap = área específica do recheio, ft2 / ft3 (Tab 5.1)
WR = razão de molhamento, ft3/hr x ft 
¾ Valores recomendados para a razão de molhamento mínima:
ƒ recheio ≤ 3’’ M.W.R = 0,85 ft3/hr x ft
ƒ outros M.W.R = 1,30 ft3/hr x ft
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HIDRÁULICA DE RECHEIOS
Influência da Altura de Recheio sobre o HETP
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HIDRÁULICA DE RECHEIOS
Perda de Carga em Torres Recheadas
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HIDRÁULICA DE RECHEIOS
Perda de Carga em Torres Recheadas
¾A perda de carga no ponto de loading está entre aproximadamente 0,50 
e 1,0 in H2O / ft recheio, e no ponto de flooding entre 2,0 e 3,0 in H2O / 
ft;
¾A razão de gás na torre deve estar abaixo da vazão de inundação 
(flooding). Usualmente para projetos de absorvedores e strippers adota-se, 
em função das características do sistema uma razão de gás entre 40 e 80% 
da vazão de flooding. As torres assim projetadas usualmente apresentarão 
perda de carga entre 0,25 e 0,50 in H2O / ft recheio, operando próximo ao 
limite inferior da região de loading.
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HIDRÁULICA DE RECHEIOS
Correlação generalizada para Perda de Carga em Torres Recheadas
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HIDRÁULICA DE RECHEIOS
Variação do Hold-up de Líquido em Torres Recheadas