Dimensionamento de Vaso Flash - ChENGINEER...

Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente

Dimensionamento de Vaso Flash

Prof. Rodolfo RodriguesUniversidade Federal do Pampa

BA310 – Operações Unitárias IICurso de Engenharia Química

Campus Bagé

12 de novembro de 2019

Rodolfo Rodrigues Operações Unitárias II

Dimensionamento de Vaso Flash 1

Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente

Vaso Flash

Figura 1: Vasos separadores gás-líquido verticais.Fonte: Bothamley (2013b).

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Dimensionamento de Vaso Flash 2

Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente

Vaso Flash

Figura 2: Vaso separador trifásico horizontal.Fonte: NA Solid Petroserve Ltd. Calgary, Canadá (2016).

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Dimensionamento de Vaso Flash 3

Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente

Vaso Flash

(a) vaso vertical (b) vaso horizontal

Figura 3: Partes internas de vasos separadores líquido-vapor (a) vertical e (b) horizontal.Legenda: (I) carga, (OV) saída de vapor, (OL) saída de líquido, (1) e (2) seções primária esecundária de separação, (3) seção de separação do líquido, (4) demister e (5) quebradorde vórtice.

Fonte: KLM Tech Group (2011).

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Dimensionamento de Vaso Flash 4

Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente

Vaso Flash

(a) vaso vertical (b) vaso horizontal

Figura 4: Partes internas de vasos separadores líquido-vapor (a) vertical e (b) horizontal.As principais partes são: tubo de alimentação, dispositivo de entrada, seção de separaçãode gás por gravidade, extrator de névoa (demister) e seção de separação de líquido porgravidade.

Fonte: Bothamley (2013b).

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Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente

Vaso Vertical

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Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente

Vaso Flash Vertical

D

V

L

hV

h F

h L

F

Nívelmáximo

Figura 5: Dimensões de um vaso flash vertical. Legenda: hL = altura do volume de líquidode compensação, hF = altura do nível de líquido até a linha de carga, hV = altura da linhade carga até o demister.

Fonte: adaptado de Wankat (2012).

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Dimensionamento de Vaso Flash 7

Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente

Vaso Flash Vertical

Dimensionamento

Roteiro de Wankat (2012)

1 Determinar as vazões, L e V , e as composições, xi e yi , dovapor e do líquido;

2 Calcular a velocidade admissível do vapor, uperm;

3 A partir de V e uperm obter a área da seção transversal Ac eapós, D;

4 Determinar h a partir de:Regra prática: 3 6 h/D 6 5; ouVolume de compensação de líquido requerido, Vsurge.

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Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente

Vaso Flash Vertical

Diâmetro do Vaso, D

Velocidade admissível do vapor, uperm:

uperm = Kdrum

√ρL − ρV

ρV(1)

onde:

Kdrum = (1 ft/s) exp[A + B(lnFLV) (2)

+ C(lnFLV)2 + D(lnFLV)

3

+ E(lnFLV)4]

FLV =WL

WV

√ρV

ρL(3)

sendo 0,1 < Kdrum < 0,35, W é a vazão mássica das fases.

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Dimensionamento de Vaso Flash 9

Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente

Vaso Flash Vertical

Diâmetro do Vaso, D

Os parâmetros são:

A = −1,8774780970 B = −0,8145804597C = −0,1870744085 D = −0,0145228667E = −0,0010148518

Obtém-se D a partir da área transversal, Ac :

Ac =V ·MwV

uperm ·ρV(4)

D =

√4Ac

π(5)

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Dimensionamento de Vaso Flash 10

Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente

Vaso Flash Vertical

Altura do Vaso, htotal

1 Regra prática:

3 6htotal

D6 5 (6)

2 Volume de compensação de líquido, Vsurge:

hV = 36” + 0,5dF (7)

hF = 12” + 0,5dF (8)

onde hV > 48” e hF > 18”.

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Dimensionamento de Vaso Flash 11

Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente

Vaso Flash Vertical

Altura do Vaso, htotal

2 Volume de compensação de líquido, Vsurge:

hL =Vsurge

πD2/4(9)

htotal = hV + hF + hL (10)

como regra prática adotar tres = 5 min. Assim:

Vsurge = (WL/ρL)·tres (11)

Por fim,Se htotal/D < 3, um volume de compensação de líquido, Vsurge,maior é requerido;Se htotal/D > 5, um vaso horizontal deve ser utilizado.

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Dimensionamento de Vaso Flash 12

Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente

Propriedades da Fase Vapor

Massa específica (assumindo um gás ideal):

ρV =p

RTMwV (12)

Massa molar média:

MwV =C∑

i=1

yi ·Mwi (13)

onde C é o número de espécies químicas.

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Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente

Propriedades da Fase Líquida

Massa específica (da mistura líquida):

ρL =MwL

VL(14)

Massa molar média:

MwL =C∑

i=1

xi ·Mwi (15)

Volume específico médio (assumindo mistura ideal):

VL =C∑

i=1

xi ·V i =C∑

i=1

xi ·Mwi

ρL ,ionde ρL ,i = f(T) (16)

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Dimensionamento de Vaso Flash 14

Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente

Flash Isotérmico Multicomponente

Equação de Rachford-Rice:

C∑i=1

zi ·(Ki − 1)1 + (Ki − 1)·f

= 0 (17)

Razão de equilíbrio (se válidas as leis de Raoult e Dalton):

Ki =psat

i

ponde psat

i = f(T) (18)

Frações molares dos produtos:

xi =zi

1 + (Ki − 1)·f(19)

yi = Ki ·xi (20)

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Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente

Consulta de Valores de Propriedades

Massa molar:Tabela periódicaMassa específica de líquidos puros:• Sec. 3.1 Density of liquids de Coker (2007);• Tab. 2-32 Densities of inorganic and organic liquidsde Perry, Green e Maloney (2008).

Pressão de saturação:• Sec. 3.9 Vapor Pressure de Coker (2007);• Tab. 2-8 Vapor pressure of inorganic and organic liquidsde Perry, Green e Maloney (2008).

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Dimensionamento de Vaso Flash 16

Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente

Vaso Horizontal

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Dimensionamento de Vaso Flash 17

Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente

Vaso Flash Horizontal

Vasos horizontais são usados para grandes vazões;

Uma área de separação adicional é formada ao fazer acoluna “larga” como em vasos horizontais;

Vasos horizontais são mais baratos que os verticais;

Vasos horizontais são particularmente úteis quando sãonecessárias grandes capacidades de líquido decompensação.

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Dimensionamento de Vaso Flash 18

Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente

Vaso Flash Horizontal

Dimensionamento

1 Escolher h/D entre 3 e 5.

2 Determinar uperm pela equação 2 sendo:

Khorizontal = 1,25 · Kvertical (21)

3 Calcular D:

D =

√V ·MwV

uperm ·ρV ·(h/D)(22)

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Dimensionamento de Vaso Flash 19

Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente

Vaso Flash Horizontal

Dimensionamento

3 Calcular D:Para um gás ideal, tem-se:

D =

√V ·R ·T

uperm ·p ·(h/D)(23)

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Dimensionamento de Vaso Flash 20

Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente

Vaso Existente

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Dimensionamento de Vaso Flash 21

Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente

Vaso Flash Existente

Dimensionamento

Para este caso, h e D já estão definidos para o vaso.

Para um dado vaso é determinada a quantidade máximaadmitida de vapor, Vmax:

Vmax =πD2 ·uperm ·ρV

4MwV(24)

A capacidade máxima de vapor limita o produto da fraçãovaporizada, V/F , pela carga, F :

(V/F)F < Vmax (25)

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Dimensionamento de Vaso Flash 22

Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente

Vaso Flash Existente

Dimensionamento

Se a equação 25 é satisfeita então o uso do vaso é direto,caso contrário, algo deve ser feito:

1 Adicionar divisas ou um demister para aumentar Vmax oudiminuir o arraste;

2 Reduzir a carga, F , no vaso;3 Reduzir V/F . Menos vapor com mais do componente mais

volátil será produzido;4 Usar vasos em paralelo. Isto reduz a carga para cada vaso;5 Usar vasos em série;6 Tentar aumentar a pressão;7 Usar alguma combinação dessas alternativas.

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Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente

Variáveis Típicas para Vaso

Tabela 1: Variáveis mínima e máxima para projeto de vasos.

Configuração Variável Valor máximo Valor mínimo

Vaso Horizontal Pressão (bar) 400 VácuoTemperatura (oC) 400 –200Comprimento (m) 10 2Diâmetro (m) 2 0,3L/D 5 2

Vaso Vertical Pressão (bar) 400 400Temperatura (oC) 400 –200Altura (m) 10 2Diâmetro (m) 2 0,3L/D 5 2

Fonte: Coker (2007).

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Dimensionamento de Vaso Flash 24

Referências

BOTHAMLEY, M. Gas/liquid separators: Quantifyingseparation performance—Part 1. Projects SystemsTechnologies: Oil and Gas Facilities, v. 2, n. 4, 2013. URL

BOTHAMLEY, M. Gas/liquid separators: Quantifyingseparation performance—Part 2. Projects SystemsTechnologies: Oil and Gas Facilities, v. 2, n. 5, 2013. URL

COKER, A. K. Ludwig’s applied process design forchemical and petrochemical plants. 4. ed. [S. l.]: GulfProfessional Publishing, 2007, 1024 p. v. 1. URL

Chapter 0 - Rules of thumb: summaryChapter 3 - Physical properties of liquids and gasesAppendix C - Physical properties of liquids and gases

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Referências

KLM TECH GROUP. Process design of gas (vapor)-liquidseparators (project standards and specifications). JohorBahru, Malásia: KLM Technology Group, 2011. URL

PERRY, R. H.; GREEN, D. W.; MALONEY, J. O. Perry’schemical engineer’s handbook. 8. ed. New York:McGraw-Hill, 2008.

Section 2 - Physical and chemical data

WANKAT, P. C. Flash distillation. Size calculation. In:________. (org.). Separation process engineering includesmass transfer analysis. 3. ed. Upper Saddle River: Pearson,2012, p. 48-54.

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