Aula 5 Destilação Multicomponente

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Aula 5 – Destilação Multicomponente Métodos Aproximados
Operações Unitárias: 
Separação Composicional
Prof. Rodrigo Azevedo dos Reis
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Ler Capítulo 9 do Livro
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INTRODUÇÃO À SEPARAÇÃO MULTICOMPONENTES
A grande maioria dos processos de separação não está limitada a apenas dois componentes e, desta forma, os sistemas de separação trabalham com misturas multicomponentes.
É feito tratamento conceitual com base termodinâmica igual ao de misturas binárias, onde os cálculos aplicam equações de estado e outras equações com muitas variáveis para serem resolvidas analíticamente.
Assim, a solução rigorosa de sistemas multicomponentes exige métodos computacionais. De toda a forma, são necessários cálculos preliminares, suficientemente precisos para estimativas de custos e as entradas de dados para os métodos computacionais.
DESTILAÇÃO MULTICOMPONENTE
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os não
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SEPARAÇÃO EM MÚLTIPLOS ESTÁGIOS DE EQUILÍBRIO
Sistemática de Fenske – Underwood – Gilliland
Especificação da Alimentação
Especificação do prato de Alimentação
Cálculo da carga térmica do Cond. e do Referv.
Equação de Kirkbrid
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SEPARAÇÃO EM MÚLTIPLOS ESTÁGIOS DE EQUILÍBRIO
Seleção dos Componentes -Chave
Componente Chave Leve:
É o componente mais leve que aparece em quantidade mensurável no produto de fundo.
Componente Chave Pesado:
É o componente mais pesado que aparece em quantidade mensurável no produto de topo.
Para começar o projeto, será necessário especificar a composição da corrente de alimentação e um objetivo de separação para a coluna.
Ex.: Desbutanizadora
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Seleção dos Componentes -Chave
 Caso 1 – Deseja-se separar isobutano (componente chave leve) de n-butano (componente chave pesado). Neste caso, é esperado que uma pequena quantidade de isobutano saia na corrente de produto de fundo e uma pequena quantidade de n-butano saia na corrente de topo. Devemos definir uma estimativa inicial para essas quantidades que atenda ao objetivo do projeto.
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Seleção dos Componentes -Chave
Caso 1 
Chaves adjacentes
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Seleção dos Componentes -Chave
Chaves adjacentes
Caso 1 
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 Caso 2 – Deseja-se separar a corrente C4- dos demais componentes. Neste caso, é esperado que uma pequena quantidade de n-C4 saia na corrente de produto de fundo (componente chave leve), mas não temos nenhuma informação de pureza para os componentes menos voláteis que o n-C4.
Seleção dos Componentes -Chave
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Seleção dos Componentes -Chave
Caso 2 
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Seleção dos Componentes -Chave
Caso 2 
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 Caso 3 – Deseja-se separar a corrente C4- dos demais componentes, mas há uma especificação máxima para C6 no topo (por exemplo). Neste caso, é C6 será o componente chave pesado.
Seleção dos Componentes -Chave
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Seleção dos Componentes -Chave
Caso 3 
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Seleção dos Componentes -Chave
Caso 3 
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SEPARAÇÃO EM MÚLTIPLOS ESTÁGIOS DE EQUILÍBRIO
Pressão de Operação e Tipo de Condensador
1a Tentativa: Utilizar água como fluido refrigerante no condensador. 
Para se utilizar a água como refrigerante, a pressão manométrica da saída da corrente de produto (Pproduto) deve estar entre 0 psia e 415 psia para uma temperatura mínima deve ser 49oC (120oF).
Eurística:
Ptopo = Pproduto + 5 psia
 Pcarga = Pproduto + 7,5 psia
 Pfundo = Pproduto + 10 psia
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Pressão de Operação e Tipo de Condensador
Composição do produto de topo e de fundo (conhecido ou especificado)
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Destilado
Componente	lbmol/h
nC4		442
iC5		13
Fundo
Componente	lbmol/h
nC4		 6
iC5		 23
Componente lbmol/h
iC4		12
nC4 (LK)	448
iC5 (HK)		36
nC5		15
C6		23
C7		39.1
C8		272.2
C9		31.0
		876.3	
DESBUTANIZADOR
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Pressões de Operação e Tipo de Condensador
 Exemplo – Determine a pressão de operação e o tipo de condensador para a seguinte debutanizadora.
Cálculo da Pressão de ponto de bolha a 49oC na composição de topo
79 psia
Como
79 psia < 215 psia
Condesador total
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Destilado
Componente	lbmol/h	 xi
iC4		(12)	0.0256
nC4		442	0.9444
iC5		13	0.0278
nC5		(1)	0.0021
		(468)
Ponto de Bolha do produto de topo a 49ºC
79 psia
<
 215 psia
CONDENSADOR 
TOTAL
Pressão no Fundo
PB = PD + 10 psia
PB= 89 psia
Cálculo da temperatura do produto de fundo TB
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Pressões de Operação e Tipo de Condensador
PD = 79 psia
Eurística:
 PT = PD + 5 psia = 84,0 psia
 PF = PD + 7,5 psia = 86,5 psia
 PB = PD + 10 psia = 89,0 psia
sai vapor saturado TPO =50,6oC
sai líquido saturado TPB=171,1oC
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estado térmico + alg. de Flash T
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SEPARAÇÃO EM MÚLTIPLOS ESTÁGIOS DE EQUILÍBRIO
Número Mínimo de Estágios
O número mínimo de estágios ideais é alcançado na condição de REFLUXO TOTAL. 
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SEPARAÇÃO EM MÚLTIPLOS ESTÁGIOS DE EQUILÍBRIO
Número Mínimo de Estágios
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Número Mínimo de Estágios
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Uma simplificação grosseira considera a volatilidade relativa constante para todos os pratos, o que, rigorosamente, não é verdade mesmo para misturas ideais.
Número Mínimo de Estágios
Equação de Fenske
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Utilizando o componente chave pesado como referência:
Distribuição dos Componentes NÃO Chaves
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Lembrem-se de respeitar o Balanço Material na coluna, utilize o menor valor entre di e bi e obtenha o outro pelo Balanço de Massa.
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Para o exemplo da debutanizadora
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Para o exemplo da debutanizadora, não foi especificada a condição térmica da alimentação, portanto :
Conhecendo a composição da alimentação, do topo e do fundo, assim como as condições térmicas dessas correntes, pode-se calcular a volatilidade, em relação ao componente chave pesado, de todos os outros componentes em cada corrente.
Então,
Número Mínimo de Estágios
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Distribuição dos Componentes NÃO Chaves
E para os componentes NÃO chaves :
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Lembrem-se de respeitar o Balanço Material na coluna, utilize o menor valor entre di e bi e obtenha o outro pelo Balanço de Massa.
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Com as novas composições, recalcular a temperatura de ponto de bolha (TPB) do produto de topo e comparar com o valor anterior. Se forem próximas, o problema convergiu. Caso não sejam, recalcular a pressão do produto de topo para T igual a 49oC com a nova composição e repetir todo o procedimento.
Para o exemplo da debutanizadora
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RAZÃO DE REFLUXO MÍNIMO
Zonas Invariantes – Número infinito de estágios
Classe 1 – Sistemas com um Pinch: todos os componentes da carga saem nos dois produtos da torre – Caso (a).
Classe 2 – Sistemas com dois Pinches – um ou mais componentes saem no dois produtos da torre – Casos (b) e (c).
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a) Faixa estreita de ponto de ebulição ou corte largo dos componentes chaves;
(a)
b) Nem no destilado e nem no fundo, aparecem todos os componente alimentados;
(b)
c) Todos os componentes aparecem no fundo, mas nem todos aparecem no topo;
(c)
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RAZÃO DE REFLUXO MÍNIMO
Equação de Underwood
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I
qC
D; xD
LR; xR
Divisor
n
2
3
1
V; y
L; x 
Zona de Pinch
Na Zona de Pinch 
Isolando V
Como esta equação vale para quaisquer componente do sistema
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RAZÃO DE REFLUXO MÍNIMO
Equação de Underwood
Multiplicando e Dividindo a expressão acima por F e LF, quando esta é aplicada para os componentes chave leve e pesado:
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Faixa das condições avaliadas:
C = 2- 11;
q= 0,28-1,42
P = 0 – 600 psig
= 1,11- 4,05
Rmin = 0,53 – 9,09
Nmin = 3,4 – 60,3
RAZÃO REFLUXO
(RR - RRMin )/ (RR+ 1)
1.0
0.5
0.2
0.1
0.05
0.02
0.05
0.04
0.07
0.1
0.3
0.2
0.5
0.4
0.7
1.0
NÚMERO DE ESTÁGIOS 
(N - N)Min /(N+ 1)
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C
E
EE
E
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C
E
C
C
E
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