Apostila_Engenharia de Gás Natural I_ Parte II_UNP

Curso de Especialização em Engenharia de Petróleo e Gás

Natural

Disciplina: Engenharia Gás Natural I PARTE II: DESTILAÇÃO DO GÁS NATURAL

Eng. José Wellington de Paiva Janeiro/2010

SUMÁRIO _____________________________________________________________________________________

Sumário 1 Conceitos fundamentais ......................................................................1 1.1 Destilação ........................................................................................... 1 1.2 Volatilidade .......................................................................................... 1 1.3 Pressão de vapor.................................................................................. 1 1.4 Ponto de ebulição ............................................................................... 2 2 Equilíbrio líquido-vapor ..................................................................... 4 2.1 Introdução............................................................................................ 4 2.2 Lei de Raoult e lei de Dalton ............................................................... 4 2.3 Diagramas binários pressão - temperatura - composição.................... 5 2.4 Constante de equilíbrio, k.................................................................... 6 2.5 Ponto de orvalho ............. .................................................................. 7 2.6 Cálculo do ponto de orvalho................................................................ 7 2.7 Ponto de bolha .................................................................................... 8 2.8 Cálculo do ponto de bolha ................................................................... 8 2.9 Destilação flash .................................................................................. . 9 2.10 Constante de equilíbrio de hidrocarbonetos ...................................... 11

Destilação do gás natural – José Wellington de Paiva

SUMÁRIO _____________________________________________________________________________________

3 Fundamentos da destilação ........................................................... 22 3.1 Processos de destilação................................................................... 22 3.1.1 Destilação integral ........................................................................... 22 3.1.2 Destilação diferencial......................................................................... 22 3.1.3 Destilação fracionada ..... ................................................................. 23 3.2 Conceito de estágio de equilíbrio ................................................. 24 3.3 Eficiência de um estágio de equilíbrio ............................................ 25 3.4 Volatilidade relativa ........................................................................ 25 4 Coluna de destilação ou fracionadora ........................................ 27 4.1 Componentes de uma coluna de destilação .................................... 27 4.2 Seções de uma coluna de destilação .............................................. 29 4.3 Funcionamento de uma coluna de destilação convencional ........... 29 4.4 Número de pratos versus razão de refluxo ...................................... 31 4.5 Internos de torres de destilação ....................................................... 32 4.6 Operação de uma coluna de destilação ........................................... 38 4.6.1 Restrições operacionais ................................................................... 38 4.6.2 Problemas operacionais ................................................................... 42 4.6.3 Variáveis operacionais ..................................................................... 43 Bibliografia ............................................................................................. 44


Capítulo 1 CONCEITOS FUNDAMENTAIS _____________________________________________________________________________________

1 1 Conceitos Fundamentais

1.1 Destilação É um processo no qual uma mistura de líquido ou vapor de duas ou mais

substâncias é separada em frações de componentes com uma pureza desejada através da aplicação ou remoção de calor. 1.2 Volatilidade

É a capacidade de uma substância de passar para o estado vapor. Diz-se que uma substância é mais volátil que outra, quando ela tem maior tendência para passar ao estado de vapor, ou seja, ela tem maior pressão de vapor.

1.3 Pressão de vapor

De acordo com a teoria cinética, as moléculas da superfície livre de um líquido possuem a tendência de passar para o estado vapor, devido ao desequilíbrio de forças que atuam sobre estas moléculas, comparadas com as moléculas que estão no interior da massa líquida. Suponhamos, então um líquido encerrado em um vaso fechado, munido de um manômetro. A temperatura é mantida constante.

Devido ao desequilíbrio mencionado, ocorre a passagem lenta das

moléculas da superfície do líquido para a fase vapor, ou seja, ocorre a evaporação. As moléculas dos vapores formados chocam-se contra as paredes do vaso, exercendo assim uma pressão idêntica à pressão exercida por qualquer gás. Esta pressão é denominada pressão de vapor do líquido. Quanto maior o número de moléculas vaporizadas maior será a pressão de vapor do líquido.

____________________________________________________________________________________ Destilação do Gás Natural – José Wellington de Paiva


2 Entretanto, o número de moléculas da fase vapor não aumenta indefinidamente. Pois, muitas ao se chocarem com a superfície livre do líquido voltam à fase líquida. Esta tendência em voltar à fase líquida aumenta com a concentração das moléculas vaporizadas existentes na fase vapor. Haverá um instante em que o número de moléculas que passa à fase vapor é igual ao número de moléculas que, no mesmo instante retorna à fase líquida. Atinge-se assim um estado de equilíbrio dinâmico. A pressão indicada pelo manômetro, que antes crescia gradativamente, mantém-se constante daí em diante. A pressão exercida pelo vapor, em equilíbrio com o líquido que lhe deu origem, é denominada pressão máxima de vapor (ou simplesmente pressão de vapor) do líquido para a temperatura em que se encontra. Suponhamos agora que a temperatura fosse aumentada. Isto terá como efeito a elevação da energia cinética das moléculas da superfície do líquido e, como consequência, um maior número de moléculas passarão do líquido para o vapor e, vice-versa; ou seja, uma nova situação de equilíbrio será atingida. A pressão de vapor de um líquido varia com a temperatura e é tanto maior quanto mais alta for esta temperatura. 1.4 Ponto de ebulição Considere um líquido puro como, por exemplo, a água, na temperatura de 30ºC e pressão atmosférica padrão, ou seja, 760 mmHg. Nesta temperatura, a pressão de vapor da água é 31,83 mmHg. Se aquecermos o recipiente contendo a água, o calor fornecido provocará a elevação da temperatura da água (calor sensível) com a conseqüente elevação da pressão de vapor da água. Quando a temperatura alcançar 100ºC, a água começará a ferver e, por mais calor que se forneça, a temperatura não se elevará, enquanto houver água fervendo. A pressão de vapor da água a 100ºC é de 760 mmHg. Logo, o ponto de ebulição normal da água é 100ºC, porque nesta temperatura a pressão de vapor da água iguala a pressão atmosférica.



3 O Ponto de ebulição é a temperatura na qual, um líquido puro, quando aquecido, começa a vaporizar (forma a primeira bolha de vapor). Esta condição ocorre em que sua pressão de vapor torna-se igual a pressão a qual o líquido está submetido. A temperatura durante a vaporização é sempre constante.


Capítulo 2 EQUILÍBRIO LÍQUIDO-VAPOR _____________________________________________________________________________________

4 2 Equilíbrio líquido-vapor

2.1 Introdução Diversos processos, como a absorção, destilação e extração, colocam em contato duas fases que não estão em equilíbrio. Na industria a grande maioria dos problemas diz respeito ao equilíbrio líquido-vapor, embora se encontrem, às vezes, sistemas vapor-sólido, líquido-líquido e sólido-líquido. 2.2 Lei de Raoult e Lei de Dalton pV = yi P (fase vapor ) pL = xi Pi

o (fase líquida)

A Pressão parcial exercida na fase vapor por um componente numa solução ideal é dada por:

pi = xi Pio

No equilíbrio líquido-vapor entre uma fase líquida que é uma solução ideal e uma fase vapor que é um gás ideal, a pressão parcial de um componente na fase vapor é igual ao produto da fração molar do componente na fase líquida pela pressão de vapor do componente puro. pi = yi P = xi Pi

o



5 O Tratamento do equlíbrio líquido-vapor seria simples se todos os sistemas obedecessem á lei de Raoult. Na realidade, observam-se desvios em relação à lei de Raoult. Os maiores desvios se dá na fase líquida, devido a distâncias moleculares serem pequenas, provocando o afastamento da fase em relação em comportamento ideal. Na fase vapor observam-se desvios quando se trabalha a pressões elevadas. 2.3 Diagramas binários de Pressão –Temperatura - Composição



6

2.4 Constante de Equilíbrio, K

É definida como:

Ki = yi/xi Para pressões abaixo de 60 psia onde o conceito de gás ideal se aplica a constante de equilíbrio é dada por: K = Pi

o/P Esta constante “K” é chamada constante de equilíbrio líquido-vapor. É um termo bastante utilizado na indústria do petróleo e do gás natural. Este fator fornece uma medida da “volatilidade” de um componente, isto é, sua tendência de concentrar-se na fase vapor. Os componentes leves têm valores de K maiores que 1, enquanto os componentes mais pesados têm valores de K menores que 1.



7 A constante K é uma função complexa da temperatura, da pressão , da composição do vapor e da composição do líquido.

2.5 Ponto de orvalho (dew point) É a temperatura na qual, uma mistura vapor de vários componentes, quando resfriada, começa a condensar (forma a primeira gota de líquido). A temperatura durante a condensação não é constante. Isto ocorre, por causa dos componentes mais pesados tenderem a condensar mais rapidamente que os mais leves, e consequentemente a temperatura diminui a medida que a condensação se procede.

2.6 Cálculo do Ponto de Orvalho

No ponto de orvalho, todo o sistema está na fase vapor exceto uma pequena gota de líquido. Então, Σ (yi/K) = Σ xi = 1 Exemplo: Determine o ponto de orvalho da mistura abaixo a 580 psia. Assumir que o C7

+ tem as mesmas propriedades do C8.

componente yi K (t=153°C) Σ yi/K CO2 1,25 4,83 0,26 H2S 0,50 2,38 0,21 C1 21,36 6,36 3,36 C2 36,78 2,84 12,95 C3 10,21 1,57 6,50 iC4 6,38 1,02 6,25 nC4 9,84 0,86 11,44 iC5 2,63 0,55 4,78 nC5 4,01 0,49 8,18 C6 3,90 0,28 13,93 C7

+ 3,14 0,097 32,37 Σ 100,23



8 2.7 Ponto de Bolha (bubble point) É a temperatura na qual, uma mistura líquida de vários componentes, quando aquecida, começa a vaporizar (formação da primeira bolha de vapor). Esta condição ocorre, no instante em que a soma das pressões de vapor exercidas individualmente pelos componentes torna-se igual a pressão a qual a mistura está submetida. A temperatura de vaporização não é constante. Isto ocorre, por causa dos componentes mais voláteis serem mais rapidamente desprendidos que os mais pesados, e consequentemente a temperatura aumenta a medida que a vaporização procede. Por convenção, o ponto de ebulição de uma mistura multicomponente é seu ponto de bolha. 2.8 Cálculo do Ponto de Bolha No ponto de bolha todo o sistema está no estado líquido exceto uma pequena bolha de vapor. Então: Σ (Kxi) = Σ yi = 1 Exemplo: Determine o ponto de bolha da mistura abaixo a 580 psia. Assumir que o C7

+ tem as mesmas propriedades do C8.

componente xi K (t= -14°C) Σ Kxi

CO2 1,25 1,50 1,88 H2S 0,50 0,41 0,21 C1 21,36 3,48 74,33 C2 36,78 0,58 21,33 C3 10,21 0,16 1,63 iC4 6,38 0,063 0,40 nC4 9,84 0,043 0,42 iC5 2,63 0,017 0,04 nC5 4,01 0,012 0,048 C6 3,90 0,0036 0,014 C7

+ 3,14 0,00033 0,001 Σ = 100,30



9 2.9 Destilação FLASH

Balanço global: F = L + V Para cada componente: Fzi = Lxi + Vyi

xi = zi/(L + VKi) e yi = zi/(V+ L/Ki) Σ yi - Σ xi = Σ zi(Ki – 1)/(V(Ki –1) +1) = 0 Rotina de cálculo:

1. Encontre ki a temperatura e pressão de separação; 2. Assumir V ou L; 3. Calcular Σ yi - Σ xi = Σ zi(Ki – 1)/(V(Ki –1) +1) = 0 4. Se a igualdade não for atendida voltar ao passo 2 5. Calcular xi e yi.



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Exemplo: determine a composição do líquido e do vapor e a fração vaporizada da mistura abaixo nas condições de 100°C e 580 psia:

Comp. zi Ki Σyi - Σxi Σxi Σyi

CO2 1,25 4,050 1,139 0,373 1,512 H2S 0,50 1,740 0,236 0,319 0,554 C1 21,36 5,950 21,974 4,439 26,413 C2 36,78 2,160 22,535 19,427 41,962 C3 10,21 1,030 0,299 9,979 10,279 iC4 6,38 0,600 - 3,688 9,220 5,532 nC4 9,84 0,490 - 8,264 16,203 7,940 iC5 2,63 0,280 - 4,250 5,903 1,653 nC5 4,01 0,240 - 7,348 9,668 2,320 C6 3,90 0,120 - 10,646 12,098 1,452 C7

+ 3,14 0,031 - 11,987 12,370 0,383 Σ = 0,00 Σ = 100 Σ = 100 RESUMO:

Σ Kzi e Σ (zi/K) > 1 duas fases coexistem Σ Kzi < 1 o sistema é todo líquido Σ zi/K < 1 o sistema é todo vapor



11 2.10 Constantes de equilíbrio líquido - vapor



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CAPÍTULO 3 DESTILAÇÃO _____________________________________________________________________________________

22 3 Fundamentos da destilação 3.1 Processos de destilação 3.1.1 Destilação Integral É a destilação em uma única etapa ou estágio, em que a mistura líquida, ou seja, a carga é separada em dois produtos: um vapor e um líquido que estão em equilíbrio termodinâmico. É também conhecida como destilação flash. É uma operação de um estágio apenas onde uma mistura líquida é parcialmente vaporizada; ou uma mistura gasosa é parcialmente condensada, resultando numa separação entre as fases líquida e vapor. Características da destilação FLASH:

É uma separação grosseira: utiliza apenas um estágio; Ocorre em: tambores de flash, zonas de flash de torres de destilação,

condensadores parciais de topo e refervedores parciais.

Para se conseguir uma aumento de pureza seriam necessários vários tambores de flash.

3.1.2 Destilação Diferencial

A primeira bolha de vapor que se forma é retirada do contato com o líquido residual e totalmente condensada. Continuando o aquecimento sempre separando o vapor formado, à medida que ele se desprende, para depois condensá-lo. Ao fim de certo tempo teremos dois líquidos de composições diferentes, o condensado mais rico no componente mais volátil e o líquido residual, mais rico no componente menos volátil. Ao contrário da destilação integral, não existe relação de equilíbrio entre os dois líquidos, se bem que existe equilíbrio diferencial entre o líquido e o vapor a medida que esse se forma.



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A destilação diferencial é intermitente. Carrega-se o destilador com a mistura a destilar e vaporiza-se a carga até o ponto desejado. A temperatura do líquido no destilador sobe continuamente durante a destilação, porque o líquido vai se enriquecendo com o componente mais pesado.

3.1.3 Destilação fracionada

É uma operação de separação de componentes por intermédio de vaporizações e condensações sucessivas que, devido às diferentes volatilidades das substâncias, torna-se possível a obtenção de dois produtos, um com teor elevado dos componentes mais voláteis e outro nos menos voláteis.

A destilação fracionada é uma evolução da destilação integral, pois, em síntese, é uma destilação integral com múltiplos estágios. Ela é necessária para produzir um ou mais produtos com maior grau de pureza.



24 3.2 Conceito de Estágio de equilíbrio

É um conceito que simplifica os processos de transferência de energia e massa numa coluna de destilação. O equilíbrio se dá quando duas fases de composições diferentes são postas em contato resultando na transferência dos diversos componentes de uma fase para outra até que a velocidade de transferência de cada componente seja a mesma em ambos os sentidos. Num estágio de equilíbrio-vapor, o líquido está no seu ponto de bolha e este valor é determinado pela pressão e composição do líquido no estágio.



25 3.3 Eficiência de um Estágio de Equilíbrio

Uma bandeja de uma torre de separação não possui o mesmo desempenho de um estágio de equilíbrio, daí a necessidade de se definir a eficiência dos dispositivos de contato: Eficiência = Número de pratos teóricos Número de pratos reais

Eficiência típica da destilação: 70% Eficiência típica da absorção: 20%

3.4 Volatilidade relativa

É a medida da diferença de volatilidade entre dois componentes. É a forma de expressar quanto um componente é mais volátil que o outro.

α >=1,1 a separação é difícil α >=1,5 a separação é fácil



26 A volatidade relativa varia com a temperatura e pressão de operação. A

temperatura de equilíbrio é diretamente proporcional a pressão. É portanto, a pressão de operação quem vai determinar a maior ou menor volatilidade relativa, ou seja, a maior ou menor facilidade de separação. Para cada dois componentes, a volatilidade relativa é mais alta a pressões mais baixas.


CAPÍTULO 4 OPERAÇÃO DE COLUNAS DE DESTILAÇÃO _____________________________________________________________________________________

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4 Coluna de Destilação ou fracionadora 4.1 Componentes de uma coluna de destilação

É um equipamento usado para promover uma determinada separação e/ou purificação de duas ou mais correntes de produtos, onde dois fluxos internos movem-se em contracorrente atráves de “dispositivos de contato”. Esses dispositivos de contatos são denominados de bandeja ou prato.

Os equipamentos básicos de uma coluna de destilação são: o

condensador, o tambor de refluxo e o refervedor. O fluxo do líquido vai no sentido descendente (por gravidade) enquanto

que o fluxo do vapor é forçado a subir através dos orifícios dos pratos, resultando no contato pela ação do borbulhamento formado.

Os componentes leves que estão na fase líquida tendem a se

intercambiar com os componentes pesados que estão na fase vapor. Sempre que um componente pesado na fase vapor se condensa, um componente na fase líquida utiliza imediatamente o calor liberado na condensação para se vaporizar e escapar da fase líquida.



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29 4.2 Seções da coluna de destilação

A carga é introduzida em um ponto intermediário da coluna e, de acordo com o seu estado térmico e/ou composição, este ponto será localizado abaixo ou acima do ponto médio da altura da coluna.

O Ponto de introdução da carga divide a coluna em duas seções: a parte

superior é chamada de seção de enriquecimento, de absorção ou de retificação. A seção inferior é chamada de seção de esgotamento.

4.3 Funcionamento de uma torre de destilação convencional

A carga ao entrar na torre, dependendo do seu estado térmico, seguirá de acordo com as seguintes possibilidades:

Carga líquida (temperatura ≤ ponto de bolha) – a carga desce para o

prato imediatamente inferior pertencente a seção de esgotamento, se misturando com o líquido (refluxo interno) que desce da seção de absorção.

Carga vapor (temperatura ≥ ponto de orvalho) – neste caso, a carga é

introduzida na parte inferior da torre, que possui apenas uma seção, que é a seção de retificação.

Carga parcialmente vaporizada ( líquido + vapor ) – a parte líquida desce

para o prato superior da seção de esgotamento se misturando ao refluxo interno que desce da seção de absorção. A parte vapor sobe, borbulhando no líquido que escoa no prato inferior da seção de absorção.

O vapor que se desprende de um dado prato da torre de destilação, no seu ponto de orvalho, a uma certa temperatura e composição, ao atravessar o líquido do prato superior, que está a uma outra composição e menor temperatura sofre condensação preferencial dos seus componentes mais pesados (menos voláteis). O calor liberado pela condensação destes



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componentes permite a vaporização preferencial dos componentes mais voláteis do líquido que chega ao prato proveniente do prato superior.

Desta forma, o vapor que abandona um certo prato, além de menor

temperatura, é mais rico nos componentes mais voláteis do que o vapor que chega a este prato, pois ele deixou componentes menos voláteis no líquido e recebeu deste maior quantidade de componentes mais voláteis.

Por outro lado, o líquido que abandona o prato, além de maior

temperatura, é mais rico nos componentes mais pesados do que o líquido que chega ao prato, pois ele recebe maior quantidade de componentes mais pesados e perde maior quantidade de componentes mais voláteis para o vapor.

Devido a estas vaporizações e condensações que ocorrem por contato

direto entre o vapor e o líquido, se diz que existe uma troca de calor e massa entre o líquido e vapor escoam em uma coluna de destilação.

A medida que sobem na torre, os vapores tornam-se cada vez mais frios

e mais concentrados nos componentes mais voláteis. A medida que descem na torre, os líquidos tornam-se cada vez mais

quentes e mais concentrados nos compostos mais pesados. Simplificando, o topo da torre é o ponto de menor temperatura, menor

pressão e maior concentração de componentes mais voláteis. E, consequentemente, o fundo da torre é o ponto de maior temperatura, maior pressão e maior concentração de componentes mais pesados.

O gradiente de temperatura existente entre o topo e o fundo da torre é

gerado pelo refluxo externo , proveniente da condensação de parte dos vapores que saem pelo topo da torre. Este refluxo externo é quem gera no interior da torre, o refluxo interno, que desce de prato a prato, variando sua composição e temperatura. Quanto mais líquido descer na torre melhor será a remoção de componentes pesados presentes no vapor e, portanto, melhor será o fracionamento na seção de absorção. A relação entre a vazão de refluxo externo e o produto destilado é conhecida como razão de refluxo.



31 Na seção de esgotamento, dá-se o contrário, pois nela se deseja

remover os compostos leves do líquido que descem pela seção. Portanto, quanto mais vapor subir pelo fundo, maior será a remoção de compostos leves e mais rico em compostos pesados será o produto de fundo. 4.4 Número de pratos versus vazão de refluxo

O número alto de estágios de equilíbrio é fundamental para se conseguir maior pureza dos produtos, ou seja, melhor separação entre os componentes. É claro que isto implica em uma torre de maior altura e, portanto, maior custo de investimento.

Analogamente, uma alta razão de refluxo implica também em uma

melhor separação entre os componentes. Isto tem como conseqüência um maior custo operacional, pois, quanto maior for a vazão de refluxo, maior será as cargas térmicas do condensador e do refervedor e, portanto, maior o consumo de fluido de resfriamento e fluido de aquecimento.

Portanto, podem ser projetadas torres com grande número de pratos

para operarem com baixa razão de refluxo e torres com menor número de pratos para operarem com altas razões de refluxo, para se obter uma mesma separação de carga. Existe, portanto, uma relação adequada entre o número de pratos necessários para uma dada separação e a razão de refluxo de uma coluna.



32 4.5 Internos de Torres de destilação

A variedade de dispositivos de contato líquido-vapor empregados em destilação é enorme.

Inicialmente a indústria do petróleo empregou os pratos com borbulhadores. Com o advento de métodos mais confiáveis de cálculo, o aumento de mão de obra e o aparecimento de especificações mais rígidas fizeram com que os pratos com borbulhadores entrassem em desuso.

Os pratos perfurados foram utilizados pela primeira vez em 1832. É, sem dúvida nenhuma, um dos mais baratos dispositivos de contato, bem como apresenta uma das mais baixas perdas de carga.

Os pratos valvulados foram patenteados em 1932, vindo ocupar uma faixa de aplicação que sobrepõem-se às faixas do prato com borbulhadores e perfurado. É, na maioria das aplicações, o de maior flexibilidade.

Na atualidade, os projetos de torres de pratos fixam-se quase que exclusivamente em pratos perfurados e valvulados.

A aplicação dos recheios começou com os recheios randômicos. Os anéis de Raschig, Lessing e as selas de Berl. Estes recheios foram substituídos por recheios mais efecientes, ainda randômicos, como os anéis de Pall e as Selas Intalox.

Atualmente, os recheios estruturados de alta eficiência e baixa perda de carga estão sendo cada vez mais empregados.



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CAPÍTULO 4 OPERAÇÃO DE COLUNAS DE DESTILAÇÃO _


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Internos de Torres Recheadas



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ão de uma coluna de destilação

.6.1 Restrições Operacionais

Restrições hidráulicas

cer o peso da coluna de líquido em cada prato, da base até o topo da coluna.

ma direção do gradiente positivo de pressão, devido a diferença de densidade.

respectivamente, promovem a mistura entre as fases líquida e as fases vapor.

4.6 Operaç

4

Uma coluna de destilação é um complexo sistema de escoamento. Na base da coluna, vapor com uma pressão suficientemente elevada, tem que ser gerado para poder ven

Por outro lado, o líquido escoa do topo para o fundo, na mes

O escoamento interno de vapor e de líquido numa coluna de destilação

deve ser tal que favoreça o contato entre as fases, daí a necessidade de colocar dispositivos de contatos nas colunas. As figuras a seguir mostram um prato perfurado e um com borbulhador,



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40 Vazões muito baixas ou altas de vapor ou líquido podem provocar um

dos seguintes problemas:

Arraste de líquido (entrainment) Formação de cones de vapor Pulsação Passagem de líquido ou gotejamento (weeping) Inundação (flooding) Formação excessiva de espuma (foaming)

Se a vazão de vapor for muito grande, a coluna irá inundar, pois o

líquido não consegue vencer o gradiente de pressão. Se a vazão de líquido for muito alta, a coluna também irá inundar, pois o

vapor não consegue vencer o gradiente de pressão devido a coluna de líquido, e o mesmo se acumula entre os pratos.

Problemas também ocorre quando as vazões internas de líquido e vapor

são muito baixas. Se falta vapor o líquido começa a escoar pela abertura nos pratos e não pelo downcomer, diminuindo a eficiência da separação. Se a vazão interna de líquido na coluna é que é pequena, o líquido é distribuído irregularmente no prato, proporcionando a formação de pontos quentes.

Portanto, existem máximos e mínimos para as condições operacionais

de uma coluna de destilação. A mudança de pressão numa coluna deve ser suave. A súbita

diminuição da pressão na coluna provoca uma vaporização brusca do líquido dos pratos (flashing), e o aumento da vazão de vapor com possível formação excessiva de espuma. O aumento repentino da pressão provoca condensação do vapor e a diminuição da vazão do vapor podendo causar passagem do líquido pelos furos ou válvulas.



41 Restrições de separação

A separação é limitada pela quantidade de refluxo disponível e pelo

número de pratos da coluna. Restrições na transferência de calor

Calor é adicionado na base da coluna para gerar uma corrente interna de vapor, enquanto que no topo da coluna o calor é retirado para condensar a corrente de vapor e gerar uma corrente interna em fase líquida.

Se a temperatura do fundo aumenta, o gradiente de temperatura entre o

resíduo e o fluido de aquecimento diminui, causando um decréscimo na transferência de calor.

Restrições de temperatura e pressão

Temperatura e pressão não podem se aproximar das condições críticas, pois o fluxo hidráulico depende da diferença entre a massa específica da fase líquida e gasosa. Além disso algumas substâncias são termicamente sensíveis.



42 4.6.2 Problemas Operacionais Inundação(flooding):

Ocorre quando a vazão de líquido é excessiva Caracterizada pela elevação de nível nos downcomers, atingindo o prato superior Vapores ascendentes passam a arrastar líquido para os pratos superiores

É provocada por:

Excessivas vazões de refluxo Excessiva velocidade dos vapores ascendentes, provocando arraste e

dificultando o escoamento do líquido Principais Sintomas são:

ΔP elevado na zona inundada: Acompanhar ΔP na torre Esfriamento da zona inundada: Acompanhar perfil de temperatura na torre

Ações Corretivas:

Reduzir refluxo da torre Reduzir a temperatura do forno ou refervedor Reduzir carga da unidade

Gotejamento (weeping)

Ocorre quando se opera com baixas vazões de carga implicando em baixas vazões de vapor.

Tem como consequência o vazamento de líquido para as bandejas inferiores prejudicando o contato líquido-vapor

Arraste (entrainment)

Ocorre quando a vazão de vapor é excessiva Tem como consequência o transporte de gotas de líquido do prato inferior

contaminando-o com componentes pesados.



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4.6.3 Variáveis operacionais (Torre desbutanizadora) Relação líquido-vapor • Seção de absorção L/V ↑ → FRACIONAMENTO ↑ , C5+ GLP ↓ L/V ↑ QUANDO REFLUXO TOPO ↑ → CONSUMO DE ENERGIA ↑ • Seção de esgotamento V/L ↑ → FRACIONAMENTO ↑ , C4

- NO C5+ ↓

V/L ↑ QUANDO QREFERVEDOR ↑ → CONSUMO DE ENERGIA ↑ Prato de introdução de carga O prato ótimo de carga é função da composição de carga e da separação desejada. Temperatura de carga TCARGA ↑ → REFLUXO DE TOPO ↑ → L/V ↑ , INTEMPERISMO GLP↓ TCARGA ↑ → QREFERVEDOR ↓ → V/LSEÇÃO ESGOTAMENTO ↓, PVR C5+ ↑ Pressão PRESSÃO ↑→ ∝AB↓ , PVR GLP E C5

+ ↑ PVR GLP ↑ → PRESSÃO TOPO ↑ OU TEMPERATURATOPO ↓ (REFLUXO ↑)


BIBLIOGRAFIA _____________________________________________________________________________________

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Bibliografia

1. GPSA - Engineering data book Vol I and II, 11th edition, 1998 2. Gas Conditioning and Processing John M. Campbell, Larry Lilly and Robet Maddox

Vol 1: The basic Principles, 7th edition, 328 pages, 1992 Vol 2: The equipment modules, 7th edition, 407 pages, 1992

3. Introdução à Termodinâmica na Engenharia Química

J. M. Smith e H.C. Van Ness 3ª edição, 1980 4. Apostila de Controle de coluna de destilação

Ricardo de Araújo Kalid


ANEXO 1 PROPRIEDADES FÍSICAS DE HIDROCARBONETOS _____________________________________________________________________________________

Anexo 1: Propriedades físicas de hidrocarbonetos

1.1 Regras de misturas As propriedades físicas de uma mistura de hidrocarbonetos é o

resultado, para gases ideais, da contribuição de cada um na mistura vezes o valor da propriedade do componente puro.

O peso molecular médio de uma mistura de gases é: M = Σ ym i x Mi

Onde: yi é a fração molar de cada componente na mistura. Mi é o peso molecular de cada componente

As propriedades são aditivas em base molar, base mássica ou base volumétrica.

A Figura 1 mostra as propriedades físicas de componentes puros.



Fig.1a.Constantes Físicas



Fig.1b.Constantes Físicas



Fig.1c.Constantes Físicas



1.2 O Comportamento PVT dos gases

O comportamento dos gases quanto a pressão, volume e temperatura estão muito bem equacionadas. A relação P-V-T, quando se tem apenas uma fase, pode ser expressa pela equação:

f(P,V,T) = 0 Isto significa dizer que existe uma equação de estado relacionando a

pressão, o volume molar e a temperatura. O exemplo mais simples de uma equação de estado é a equação dos gases ideais:

PV = nRT Para gases não ideais esta equação pode ser escrita: PV = nZRT onde: ρ = PM/ZRT Onde R é a constante dos gases ideais, que pode assumir os seguintes

valores:

P V T R kPa m3 K 8,314 kPa.m3/(kmol.K)

MPa m3 K 0,00831 MPa.m3/(kmol.K)

bar m3 K 0,08314 bar. m3/(kmol.K)

psia ft3 0R 10,73 psia.ft3/(lbmol.oR)

atm.a cm3 K 82,05 atm.cm3/(gmol.K)



O comportamento P-V-T e P-T para uma substância pura é mostrada na figuras abaixo:

Figura 2. Diagrama P-V-T para uma substância pura

Figura 3. Diagrama P-T para uma substância pura



Equações de Estado para gases não ideais:

Van der Waals

(P + a/V2)(V – b) = RT

Benedict-Webb-Rubin (BWR) P = RTρ + (BB0RT – A0 – C0/T )ρ + (bRT – a)ρ + aαρ + (cρ /T )(1 + γρ )e2 2 3 6 3 2 2 -γρ2

Onde: A0, BB0, C0, a, b, c, α e γ são constantes de correlação P é a pressão absoluta T é a temperatura absoluta e ρ é a densidade molar

Redlich-Kwong (RK)

P = RT/(V – b) – a/T0,5V(V+b) ou Z = 1/(1 – h) – A/B(h/(1+h)) h = BP/Z

1,5 onde B = b/RT e A/B = a/RT a = 0,4278R2Tc

2,5/Pc

b = RT /8Pc c

Peng-Robinson

P = RT/(V – b) – aT/(V(V+b) + b(V – b))



1.3 Fator de Compressibilidade É a razão entre o volume molar ocupado por um gás real e o volume molar ocupado por um gás ideal de mesma natureza molecular, nas mesmas condições de pressão e temperatura.

Z = V / Vreal ideal

A Figura 4 mostra o fator de compressibilidade aplicados a

hidrocarbonetos de baixo peso molecular incluindo metano, etano, propano e misturas de gases. Apresenta erros de 2 a 3%.

A Figura 5 mostra o fator de compressibilidade para hidrocarbonetos a

baixas pressões.



Figura 4: Fator de compressibilidade generalizado para gás natural



Figura 5: Fator de Compressibilidade para gases a baixas pressões



1.4 Princípio dos Estados Correspondentes Todos os gases, quando comparados nas mesmas temperaturas reduzidas e nas mesmas pressões reduzidas, têm, aproximadamente o mesmo fator de compressiblidade e afastam-se, em relação ao comportamento ideal, mais ou menos da mesma forma. T = T/TR C

PR = P/PC



1.5 Sistemas Multicomponentes Curva Envelope

Para sistemas multicomponentes outra variável deve ser levada em conta no diagrama de fases: a composição. A composição altera o formato da curva no tocante a sua largura e altura. A figura 6 mostra para um sistema C – C . 2 7



1.6 Condições pseudo críticas e pseudo reduzidas

O Estudo do equilíbrio líquido-vapor de uma mistura mostra que ela admite, tal como o hidrocarboneto puro, um ponto crítico, onde a densidade e a composição do vapor são idênticas as do líquido. No caso de misturas, deve ser considerado adicionalmente ao ponto crítico, o chamado ponto pseudo crítico. Este ponto, definido a partir de um hidrocarboneto médio fictício, é utilizado para se definir as coordenadas reduzidas da mistura.

Se a composição não for conhecida as propriedades pseudo críticas podem ser calculadas por:

Onde: P é a pressão pseudo crítica em psia pc

Tpc é a temperatura crítica em R

é densidade relativa (ar=1) 1.7 Propriedades físicas de uma mistura de hidrocarbonetos Um produto é caracterizado por sua massa molecular, estrutura, composição química, o que define seu comportamento físico-químicos em diversas condições. Mistura de produtos químicos de composição conhecida também podem ser caracterizadas físico-quimicamente desde que se possa calcular por aditividade o valor médio dessas propriedades. No caso do petróleo e suas frações, constituídas por misturas complexas, tal tipo de caracterização é impraticável, pois não é possível conhecer-se sempre a composição química e a concentração dos constituintes desses produtos. Vários fatores e constantes foram propostos para a caracterização físico-química do petróleo, calculados a partir de propriedades físicas mensuráveis, ou propriedades da mistura calculadas a partir de dados de análise de laboratório.



Dentre as propriedades físicas mensuráveis listam-se a densidade, o peso molecular e as curvas de destilação do petróleo e frações. 1.8 Pressão de vapor A Pressão de Vapor para hidrocarbonetos leves são mostradas na figura abaixo:

Figura 10: Pressão de vapor versus temperatura para hidrocarbonetos



1.9 Propriedades dos hidrocarbonetos líquidos A tabela abaixo mostra as propriedades dos grupos de hidrocarbonetos



1.10 Destilação ASTM D-86



1.11 Fator de caracterização de Watson







1.12 Equação de Antoine

Constantes de Antoine (Psat em kPa e Tsat em K) Nome A B C T (K) Tmáx min (K) CO 20,5748 3103,39 -0,16 204 154 2

Metano 13,2093 897,84 -7,16 120 93 Etano 13,6487 1511,42 -17,16 199 130

Propano 13,7110 1872,46 -25,16 249 164 Isobutano 13,5231 2032,73 -33,15 280 187 n-butano 13,6632 2154,90 -34,42 290 195 n-pentano 13,8183 2477,07 -39,94 330 220 n-hexano 13,8216 2697,55 -48,78 370 245


Anexo 2 BALANÇO DE ENERGIA _____________________________________________________________________________________

Anexo 2: Balanço de Energia Correlações do calor específico para líquidos: Normalmente o calor específico é expresso por uma equação da seguinte forma: Cp = A + BT + CT2

O Calor específico para líquidos pode ser estimado a partir da seguinte equação: Cp = 2,96 -1,34dL + T (0,00620 -0,00234dL) Onde: Cp está em kJ/kg.oC T em oC DL = densidade relativa do líquido (água =1) Correlações do calor específico para gases:

Figura 1 : calor específico para gases com densidade 0,65 a 0,75



Correlações para Entalpia para gases e líquidos:



















Cálculo da Entalpia para substâncias puras – Propano Refrigerante




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Apostila_Engenharia de Gás Natural I_ Parte II_UNP