Aula 3 Estágio Único

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Aula 3. Destilação em um Único Estagio
Operações Unitárias: 
Separação Composicional
Prof. Rodrigo Azevedo dos Reis
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Destilação em um Único Estágio de Equilíbrio
Ao final deste Capítulo o estudante será capaz de:
calcular gráfica e analiticamente as vazões e composições de um processo de destilação em um único estágio de misturas, conhecendo-se dados térmicos, de pressão e de equilíbrio;
definir as condições operacionais necessárias para se obter a vaporização desejada de uma mistura de composição conhecida;
estabelecer as equações para a destilação integral de uma mistura multicomponente;
calcular o estado térmico de misturas binárias e multicomponentes. 
Pré-Requisitos Matemáticos: Métodos Numéricos.
Pré-Requisitos de Engenharia e Científicos:Balanço Material.Termodinâmica Básica (I e II princípios, equilíbrio termodinâmico). Equilíbrio e Regra das Fases.
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Conceitos Básicos
Diagramas de Fase:
Diagrama P, T, x, y para sistema binário
 Se fizermos cortes por planos verticais temos isotermas de P vs xy, onde a curva de baixo representa a curva de vapor saturado e a de cima líquido saturado. 
 Se fizermos cortes por planos horizontais temos isobáricas de T vs xy, onde a curva pontilhada representa a curva de vapor saturado e a cheia líquido saturado. 
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Diagramas de Fase:
Diagrama P, T, x, y para sistema binário
 Os segmentos UBHC1 e KAC2 representam o diagrama pressão de vapor vs temperatura para os componentes 1 e 2 respectivamente;
 Os pontos C1 e C2 representam os pontos críticos dos componentes 1 e 2 respectivamente e a curva que liga esses pontos representa o lugar geométrico dos pontos críticos das misturas;
 Acima do sólido formado no diagrama há líquido subresfriado e abaixo vapor superaquecido. No interior, coexistem fases em equilíbrio.
Conceitos Básicos
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Diagramas de Fase:
Diagrama P, T, x, y para sistema binário
 Se começamos com um líquido na condição F e baixamos sua pressão isotermicamente até o ponto G, temos o aparecimento da primeira bolha de vapor no ponto L (ponto de bolha). A superfície superior e chamada de superfície de ponto de bolha. A composição do vapor formado deve ser lida na superfície inferior (superfície de ponto de orvalho) na mesma T e P do ponto L (ponto V), pois são estados em equilíbrio. A partir do ponto L, a queda de pressão resultará e formação de mais vapor até o ponto W, onde teremos a última gota de líquido (ponto de orvalho da mistura);
Conceitos Básicos
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 Diagramas Pxy:
 As linhas de amarração são paralelas ao eixo das abscissas. 
 Na temperatura Tb, o sistema encontra-se acima da temperatura crítica do componente 1 (C1), mas abaixo de C2; 
 Na temperatura Td, o sistema encontra-se acima das duas temperaturas críticas.
Conceitos Básicos
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 Diagramas Txy:
Conceitos Básicos
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 Diagramas PT (isocóricas):
Os pontos de intercessão de uma linha de líquido saturado numa composição com um linha de vapor saturado em outra composição representam composições em equilíbrio (exs. Pontos A e B).
Conceitos Básicos
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VAPORIZAÇÃO E CONDENSAÇÃO PARCIAL
(“Equilíbrio Flash”)
Uma mistura líquida é aquecida sob pressão e expandida adiabaticamente através de uma válvula até uma pressão mais baixa, resultando na criação de uma fase vapor que é separada da fase líquida em um tambor.
Se não houvesse a válvula o líquido em baixa pressão poderia ser parcialmente vaporizado no aquecedor e então separado em duas fases no tambor.
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VAPORIZAÇÃO E CONDENSAÇÃO PARCIAL
(“Equilíbrio Flash”)
Alternativamente, uma alimentação vaporizada pode ser resfriada e condensada parcialmente com separação das fases em um tambor 
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TAMBOR DE FLASH.
 Os tambores de flash são vasos separadores de fases líquido-vapor do tipo vertical. 
Devido a sua forma, os tambores de flash permitem que as fases líquido e vapor separadas, escoem sobre a toda a seção transversal do vaso. 
 
A altura e a área transversal do vaso são calculadas a partir dos critérios de separação de fases.
Dispositivos
N L
L L
15 cm
LÍQUIDO
PURGA
LIMPEZA
120 cm ou 0,75D 
sem demister
L
BOCA DE 
VISITA
MEDIDOR 
DE NÍVEL 
90 cm ou 1,2D 
com demister
VÁLVULA
D
"VENT"
VAPOR
60 cm ou D/2
H L
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TAMBOR DE FLASH.
Como critérios considera-se como altura necessária à fase líquida a altura correspondente ao volume compreendido entre o nível normal e mínimo necessário para um dado tempo de residência. 
Acima da entrada de carga coloca-se, normalmente, um colchão de aço conhecido como demister, o qual tem a finalidade de reter partículas pesadas que podem ser arrastadas pela fase vapor, como metais e resíduos, que a contaminariam.
Dispositivos
N L
L L
15 cm
LÍQUIDO
PURGA
LIMPEZA
120 cm ou 0,75D 
sem demister
L
BOCA DE 
VISITA
MEDIDOR 
DE NÍVEL 
90 cm ou 1,2D 
com demister
VÁLVULA
D
"VENT"
VAPOR
60 cm ou D/2
H L
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VÁLVULAS CONTROLADORAS DE PRESSÃO
Dispositivos
De modo geral, esta válvula apresentará um isolante térmico, promovendo portanto uma EXPANSÃO ADIABÁTICA da corrente.
Entretanto, se a temperatura de saída estiver próxima da temperatura de congelamento do componente menos volátil ou da água, algum calor deverá ser adicionado na válvula para evitar seu congelamento
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Volatilidade Relativa
 Definição: É a razão entre a razões de composição molar de um componente em fase em equilíbrio termodinâmico:
ou
Para o caso Binário
ou ainda
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Constante de Equilíbrio
Equilíbrio Líquido-Vapor:
Considere um sistema com N componentes que se transferem entre as fases líquida e vapor até alcançarem o equilíbrio termodinâmico. 
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Variáveis de Processo
Variáveis:	
Fluxos, T e P (A, B, C)	3C + 9 
Calor (q)		 	1_____
		Nv 	=	3C + 10 
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Equilíbrio Flash
Para um único estágio em equilíbrio com uma alimentação e das correntes de saída, são aplicadas as seguintes 2C+6 equações:
(1 somatório de composições para cada corrente cruzando a envoltória)
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3C + 10 variáveis
 (F, V, L, zi, yi, xi, TF, TV, TL, PF, PV, PL, q)
Equilíbrio Flash
2C+6 equações
C+4 graus de liberdade
C+2 variáveis são especificadas na alimentação (F, zi, TF, PF)
resta definir apenas duas variáveis para que o processo esteja todo especificado
PV e TV				“Flash” Isotérmico
V/F = 0 e PL			Temperatura de ponto de bolha
V/F = 1 e PV			Temperatura de ponto de orvalho
V/F = 0 e TL			Pressão de ponto de bolha
V/F = 1 e TV			Pressão de ponto de orvalho
q = 0 e PV			“Flash” Adiabático
q  0 e PV			“Flash” não-Adiabático
V/F e PV			“Flash” com fração vaporizada
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Equilíbrio Flash
Relações Auxiliares
	(constantes de equilíbrio)
	(entalpia da alimentação)
	(entalpia da fase vapor)
	(entalpia da fase líquida)
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Cálculo de Ponto de Bolha 
				e Ponto de Orvalho
Pelo balanço material e a relação de equilíbrio para o componente i: 
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1. Cálculo de Ponto de Bolha e Ponto de Orvalho
Para o cálculo do ponto de orvalho,  = 1, zi = yi 
Para o cálculo do ponto de bolha,  = 0, zi = xi 
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Algoritmo de Ponto de Bolha
Dados Temperatura e Composição total (zi)
Operações em pressões baixas a moderadas:
Para o cálculo do ponto de bolha,  = 0, zi = xi :
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Algoritmo de Ponto de Bolha
Dados Temperatura e Composição total (zi) 
Usando Gráficos para mistura binária
Para o cálculo do ponto de bolha,  = 0, zi = xi :
P
yi
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Algoritmo de Ponto de Bolha
Dados Pressão e Composição total (zi)
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Algoritmo de Ponto de Bolha
Dados Pressão e Composição total(zi) 
Usando Gráficos para mistura binária
Para o cálculo do ponto de bolha,  = 0, zi = xi :
T
yi
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Algoritmo de Ponto de Orvalho
Dados Temperatura e Composição total (zi)
Considere Solução Líquida Ideal
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Algoritmo de Ponto de Orvalho
Dados Temperatura e Composição total (zi) 
Usando Gráficos para mistura binária
Para o cálculo do ponto de bolha,  = 0, zi = xi :
P
yi
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Algoritmo de Ponto de Orvalho
Dados Pressão e Composição total (zi)
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Algoritmo de Ponto de Orvalho
Dados Pressão e Composição total (zi) 
Usando Gráficos para mistura binária
Para o cálculo do ponto de bolha,  = 0, zi = xi :
T
yi
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“Flash” Isotérmico
Dados Temperatura, Pressão e a composição da alimentação (zi)
Inicialmente, aplicar os algoritmos de pressão de ponto de bolha e ponto de orvalho para verificar se a pressão do “flash” encontra-se entre esses valores. Fora desse intervalo teremos líquido subresfriado ou vapor superaquecido.
Considere Solução Líquida Ideal
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“Flash” Isotérmico
Dados Temperatura, Pressão e a composição da alimentação (zi)
		
 
		Vapor super-aquecido
		
		Vapor saturado 
Ponto de Orvalho
		
		Duas fases
		
 
		Líquido saturado
Ponto de Bolha
		
 
		Líquido subresfriado
_1224673959.unknown
_1224674010.unknown
_1224674030.unknown
_1224673976.unknown
_1224673938.unknown
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T
“Flash” Isotérmico
Dados Temperatura, Pressão e a composição da alimentação (zi)
Usando Gráficos para mistura binária
Calcule i com a nova composição
Registre: yi e xi 
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Equilíbrio Líquido-Vapor 
Ábaco de De Priester 
Baixa T
Dados Temperatura, Pressão e a composição da alimentação (zi)
Usando Ábacos para mistura binária
“Flash” Isotérmico
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Equilíbrio Líquido-Vapor 
Ábaco de De Priester 
Alta T
Dados Temperatura, Pressão e a composição da alimentação (zi)
Usando Ábacos para mistura binária
“Flash” Isotérmico
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“Flash” Isotérmico
Dados Temperatura, Pressão e a composição da alimentação (zi)
Usando Ábacos para mistura binária
Cálculo Analítico (na ausência diagramas T,x,y)
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“Flash” Adiabático
Quando a pressão de uma corrente líquida de composição, taxa e temperatura (ou entalpia) especificadas é reduzida adiabaticamente através de uma válvula, pode-se determinar as novas composições, taxas e temperatura das correntes líquida e vapor que deixam o tambor por um algoritmo de “flash” adiabático. 
Reestime T por um Método Numérico apropriado
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T1
Dados Pressão, q=0, e a composição da alimentação (zi)
Usando Gráficos para mistura binária
Calcule i com a nova composição
Registre: yi e xi 
T2
“Flash” Adiabático
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“Flash” não-Adiabático
Reestime T por um Método Numérico apropriado
q  0 e PV
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T1
Dados Pressão, q, e a composição da alimentação (zi)
Usando Gráficos para mistura binária
Calcule i com a nova composição
Registre: yi e xi 
T2
“Flash” não-Adiabático
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“Flash” P
Dados Fração Vaporizada, Pressão e a composição da alimentação (zi)
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“Flash” P
Dados Fração Vaporizada, Pressão e a composição da alimentação (zi)
Usando Gráficos para mistura binária
(balanço material)
Isolando yi, temos:
(Reta de Operação do Flash)
Construindo a reta de operação no diagrama xy:
Fazendo yi = 1, provar que:
Fazendo yi = xi, provar que:
yi
xi
zi
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“Flash” P
Dados Fração Vaporizada, Pressão e a composição da alimentação (zi)
Usando Gráficos para mistura binária
Marque: yi e xi 
T
Registre: T, yi e xi 
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“Flash” P
Dados Fração Vaporizada, Pressão e a composição da alimentação (zi)
Usando Gráficos para mistura binária
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Equilíbrio Flash
Análise Gráfica
A interseção da reta de operação (Balanço de massa) com a curva de equilíbrio determina as composições das correntes de saída.
Exemplo: Uma mistura de 50% molar de benzeno e tolueno é submetida a destilação “flash” com o separador a 1 atm. Supondo a volatilidade relativa constante, igual a 2,5, determine as composições das correntes de saída para uma fração vaporizada de 0,6.
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Equilíbrio Flash
Análise Gráfica
Reta de Operação
Para o caso do exemplo:
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Equilíbrio Flash
Análise Gráfica
Na interseção da reta do balanço de massa com a curva de equilíbrio, temos
Para o caso do exemplo:
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Exercício de Concurso
(Engenheiro de Processamento Jr. – PETROBRÁS) Uma mistura de hidrocarbonetos contém metano (1) e propano (2) cuja composição global é z1 = 0,3 e z2 = 0,7. Na temperatura T e pressão P, os valores das constantes de equilíbrio K são, aproximadamente, K1=9 e K2=0,50. Para estas condições. A fração do sistema que é líquida é: 
  é aproximadamente 0,5
Assim, a fração líquida do sistema é (1-) = 0,5
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