Aula01 - Destilacao McCabe

7/27/2019 Aula01 - Destilacao McCabe

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Mtodo de McCabe-Thiele para Torre de PratosCascatas de absoro e stripping so mtodos comuns por separar misturas de vapor e

lquido. Uma separao mais completa pode ser alcanada combinando estes processos emuma coluna de destilao binria.

Condensador total

Alimentao

Overhead vapor

VaporN

21

Destilao

f

Vaso de Refluxo

Estgios da seode retificao

Estgios da seo

de Stripping

Estgio de Alimentao

Base

Reboiler parcial

Refluxo Destilado

L0 (absorvente)

VN+1 (vapor a ser

separado)

V1

LN

1

2

N1

N

LN+1 (liquido a ser separado)

V0 (stripper)

VN

L1

12

N1

N

Absoro Stripping


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2

Mtodo de McCabe-Thiele para Torre de Pratos

Uma coluna de destilao binria com mlt iplos estgios de fluxocontracorrente consiste em:

Um condensador total: para produzir um refluxo que tem como funo gerar

um lquido absorvedor e um destilado lquido.

Um refervedorparcial para produzir vapor para agir como agente de str ipping

e um produto de base.Um estgio intermedirio de alimentao.

Esta configurao permite a obteno de um nvel elevado de separao,

exceto nos casos onde existe azetropos, neste casos um dos produtos

chegar a concentrao do azetropo.

O objetivo da

destilao alcanar

um destilado rico nocomponente leve e um

produto de fundo rico

no componente mais

pesado.

Condensador total

Alimentao

Overhead vapor

VaporN

2

1

Destilao

f

Vaso de Refluxo

Estgios da seo

de retificao

Estgios da seo

de Stripping

Estgio de Alimentao

Base

Reboiler parcial

Refluxo Destilado


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Mtodo de McCabe-Thiele para Torre de Pratos

A alimentao contm um componente mais voltil (a chave leve, LK) e um componentemenos voltil (a chave pesada, HK). Na temperatura e presso de alimentao esta pode

ser um lquido, vapor ou uma mistura lquido-vapor. A composio da alimentao

dada pela frao molar da chave leve ZF.A composio da base da dada pela frao

molar da chave pesada XB, considerando que a composio do destilado determinada

pela frao molar da chave leve XD

A dif iculdade de alcanar a

separao determinada

pela volatilidade relativa, entre o LK=1, e o HK=2.

1,2 K1 / K2

Se os dois componentes

formam uma soluo ideal,

ento a Lei de Raoult pode

ser aplicada e:

Ki Pis

/ P

A volatil idade relativa

ento apenas a relao

das presses de vapor:

1,2 P1s

/ P2s

Somente funo de TA medida que T aumenta, diminui atque em algum ponto fica igual a 1 e

nenhuma separao possvel.

Condensador total

Alimentao L/V

Overhead vapor

VaporN

21

Destilao

f

Vaso de Refluxo

Estgios da seode retificao

Estgios da seo

de Stripping

Estgio de Alimentao

Base

Reboiler parcial

Refluxo Destilado

HK frao molar xB

LK frao molar zF

LK frao molar xD


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Mtodo de McCabe-Thiele: Curva de Equilbrio

Ns podemos reescrever a volatilidade relativa em termos das fraes molares dachave leve em uma mistura binria como segue:

1,2 K1 / K2 y1 / x1

y2 / x2

y1 /x11 y1 / 1x1

y1 1 x1 x1 1 y1

Para componentes de temperatura do ponto de ebulio prximas, ser quaseconstante na coluna. Resolvendo para a frao molar da LK no vapor d:

Para componentes onde os pontos de ebulio no so prximos

variar dependendoda composio. A curva de equilbrio parecer semelhante a que tem fixo, mas noajustar a equao acima para constante.

y1 1,2x1

1 x1 1,2 1

y1

x1

Curva de

equilbrio

45 line

y1

x1

45 line

Aumento da

volatilidade

relativa


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EspecificaesF Fluxo total de alimentao

zF composio molar da alimentao

P Presso de operao da coluna (admita uniforme na coluna)

Condio de fase da alimentao @P

Curva de equilbrio lquido-vapor @PTipo de condensador (total ou parcial)

xD Composio molar do destilado

xB Composio molar do produto de base

R/Rmin Relao do refluxo com o refluxo mnimo

Resultados

D Fluxo de destilado

B Fluxo de produto de base

Nmin Nmero mnimo de estgios de equilbrio

Rmin Razo de refluxo mnimo , Lmin/DR Razo de refluxo, L/D

VB Razo de ebulio, V/B

N Nmero de estgios de equilbrio

Localizao tima do estgio de alimentao

Composies de lquido e vapor em cada estgio

Especificaes para o Mtodo de McCabe-Thiele


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Mtodo de McCabe-Thiele: Balano de Massa na Coluna

FzF xDD xBB

Alimentao (L/V)

VaporN

21

f

Base

Refluxo

F, zF

D, xD

B, xB

Destilado

O balano de massa para o componente leve em torno da coluna d:

O balano de massa global em trona da coluna d:

F D BAssim ns sabemos que a frao molar da chave leve na alimentao

est entre a do destilado e a do fundo:

D F zF xBxD xB

Se D, F e ZF so

especif icados, ento

podem ser estipulados XDou XB.


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7



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8

Va, ya

La, xa=xd=y1=ya

F, zf

Lb, xN

Ln-1xn-1Vnyn

LnxnVn+1yn+1

Lm-1xm-1V

my

m

LmxmVm+1ym+1

condensador

Produto de topo D, xd

ReboilerVb, yb

Produto de Base B, xb

Seo

de

re

tificao

R=La/D



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Mtodo de McCabe-Thiele: Seo de Retificao

Vn1yn1 Lnxn DxD

Que pode ser rearranjando para encontrar:

A seo de retificao se estende do estgio 1 at oestgio imediatamente antes da alimentao.

Se ns f izermos um balano de massa para a chave

leve em torno dos n estgios da seo de

retificao incluindo o condensador:

yn1 Ln

Vn1xn

D

Vn1xD

alimentao (L/V)

vaporN

n

1

f

Base

Refluxo

ZF

L, xD= x0

xB

Destilado

xD

n

1 RefluxoL0, xD=

x0

Destilado

xD

L

xn

V

yn+1

Se L e V so constantes na

coluna de estgio para estgio,

ento esta equao representauma linha reta.


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Mtodo de McCabe-Thiele: Seo de Retificao

Vn1yn1 Lnxn DxD

Que pode ser rearranjando para encontrar:

A seo de retificao se estende do estgio 1 at oestgio imediatamente antes da alimentao.

Se ns f izermos um balano de massa para a chave

leve em torno dos n estgios da seo de

retificao incluindo o condensador:

yn1 Ln

Vn1xn

D

Vn1xD

alimentao (L/V)

vaporM

n

1

f

Base

Refluxo

ZF

L, xD= x0

xB

Destilado

xD

n

1 RefluxoL0, xD=

x0

Destilado

xD

L

xn

V

yn+1

Se L e V so constantes na

coluna de estgio para estgio,

ento esta equao representauma linha reta.


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Mtodo de McCabe-Thiele: Fluxo Molar Constante

yn1 Ln

Vn1xn D

Vn1xD

Se L e V so constantes na coluna de estgio para estgio, ento

esta equao representa uma linha reta. Isto requer que:

Os dois componentes tm entalpias de vaporizao igual e

constante.

As mudanas de capacidade de calor so desprezveis

comparado ao calor de vaporizao

A coluna bem isolada assim a perda de calor desprezvelA presso na coluna uniforme

Estas condies conduzem condio de transbordamento

molar constante.

Alim. (L/V)

BoilupN

n

1

f

Bases

Refluxo

ZF

L, xD= x0

xB

Destilado

xD

Para esta condio a quantidade de vapor

transferida ao fluxo lquido em cada estgio

igual quantidade de lquido transferida ao

fluxo de vapor. Assim as taxas de fluxo do lquidoe vapor so constantes na seo inteira.


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Mtodo de McCabe-Thiele: Linha de Operao da Seo de Retificao

y L

Vx

D

VxD

O lquido entrando no estgio 1 o refluxo L e sua

relao para o destilado L/D a razo de refluxo R. Se

ns tivermos transbordamento molar constante, ento R

uma constante e

L

V

L

L D

L / D

L / D D / D

R

R 1

D

V

D

L D

1

R 1e

Ns definimos esta

equao como a linha

de operao da seo

de retificao

Feed (L/V)

BoilupN

n

1

f

Bottoms

Reflux

ZF

L, xD=

x0

xB

DistillatexD

No caso de transbordamento de molar constante

ns podemos eliminar os subscrito do estgio

ento:

yn1 Ln

Vn1xn D

Vn1xD


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Mtodo de McCabe-Thiele: Linha de Operao

n

1

f

Reflux

xD= x0

Distillate

xD

L,

xn

V, yn+1

y LVx DV

xDNs podemos ento reescrever:

como y R

R 1x

1

R 1xD

Se so especificados R e XD ento ns podemos

desenhar a linha mostrada no diagrama seguinte.

y

x

xD

Inclinao=R/(R+1)

Dx

R 1

1


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14

x

Curva de

Equilbrio

45

linha

x0=xDx1

y

y1y2

y 1

R 1xD

Seo de retificao linha de

operao

Inclinao=L/V=R/(R+1)


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Mtodo de McCabe-Thiele: Seo de Stripping

Lxm Vym1 BxB

Que ns podemos rearranjar e admitir fluxomolar de transbordamento constante para

encontrar:

A seo de stripping estende apenas os estgios abaixo do

estgio de alimentao at o estgio N da base. Se ns

executarmos um balano material para chave leve ao redor

dos estgios do fundo da seo de retificao inclusive o

condensador ns teremos:

y

L

Vx

B

VxB

Feed (L/V)

BoilupN

n

1

f

Bottoms

Refluxo

zF

L, xD= x0

xB

Destilado

xD

L

xm

V

ym+1

Boilup

NBottoms

B, xB

m+1

L, xN

V, yBNos definimos esta equao como

linha de operao da seo de

stripping.


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Mtodo de McCabe-Thiele: Seo de Stripping

y L

Vx

B

VxB

Feed (L/V)

BoilupN

n

1

f

Bottoms

Refluxo

zF

L, xD= x0

xB

Destilado

xD

y VB 1

VBx

1

VBxBe

L

xm

V

ym+1

Boilup

NBottoms

B, xB

m+1

L, xN

V, yB

Dado que:

L

V

VBV

VB 1

VB

L V B

Ento

VB chamado razo de ebulio.

VB V

B

Nos definimos esta equao como linha

de operao da seo de stripping.

Esta tambm linha de

operao da seo de

stripping


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17

Curva de

Equilbrio

45 linha

xNxB

y

yB

yN

Linha de operao da seo de stripping

Inclinao=L/V=(VB+1)/VB

Se so especificados VB e XB ento ns podemostraar a linha da seo de retificao da seguinte

forma:

Lxm

Vym+1

Boilup

NBottoms

B, xB

m+1

L, xN

V, yB

xm

Ym+1

y VB 1

VBx

1

VBxB

Na determinao das linhas de operao para as sees de retificao e stripping ns

precisamos das composies da base e destilado, razo de refluxo e razo de ebulio. As

composies podem ser especificadas independentemente, mas R e VB esto relacionados

a razo de lquido e vapor da alimentao


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Consideraes sobre o Estgio de Alimentao

L V

F

L V F VL

F

Vapor no ponto

de orvalho

VL L

V VF V

L L LF

L

F

ParcialmenteVaporizado

V

F

Lquido no

Ponto de bolha

VL F L

V V

F

L

Vaporsuperaquecido

V F V

VL L

L

F

Lquidosubresfriado

V V

L FL V


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19


F

VV

F

LLq

1

L V

F

L


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20


L V

F

L V

F

lquido no ponto

de bolha

L V

F

Vapor no ponto

de orvalho

L V

F

Lquido sub-

resfriado

F

L V

Vapor

superaquecido

L V

F

Parcialmente

vaporizado

q=1 q=0

q>1 q


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Condies de Alimentao

L B V

V D LVFLF D B

V V VF

L L LFVFL L D B

VFL L D L V

V L D VF

Considere os casos onde a alimentao no um lquido sub-resfriado ou umvapor superaquecido:

Balano de massa no refervedor:

Balano de massa no condensador:

Balano de massa na coluna:

Vapor que entra na seo de retificao:

Vapor que entra na seo de retificao:

Lquido que entra na seo de stripping:

Substituindo no balano da coluna:

Substituindo no balano do refervedor:

Em outras palavras, o vapor que entra na seo retificao o vapor

que entra no condensador menos a taxa de vapor na alimentao.


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Condies de Alimentao

Assim, exceto nos casos onde a alimentao um lquido sub-resfriado ou

vapor superaquecido, a ebulio est relacionada com o refluxo pelo

balano de massa:

V L D VF

VB V

B

L D VFB

Operaes de destilao podem ser especificadas pela relao de

refluxo ou relao de ebulio embora a relao de refluxo (ou

R/Rmin) seja a mais utilizada.

Dividindo por B obtemos a razo de ebulio:


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A linha q

Primeiro, ns definimos o parmetro q por:F

LLq

yV Lx BxByV Lx DxDSubtraindo as duas

linhas de operao:

Obtemos: y V V L L x DxD BxB

Usando o balao de massa na chave pesada:

DxD BxB FzF

menos

y V V L L x FzF


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A linha q

Usando o balao de massa na chave pesada:

DxD BxB FzF

Usando o balano material em torno do estgio de alimentao para eliminar a

vazo de vapor:

FV L V L

Simplificando e usando a definio de q resulta na linha q (linha de alimentao)

y q

q 1

x

zF

q 1

x zF y zF

y V V L L x FzF

V V F L L

y F L L L L x FzF

A linha q tem

inclinao q/(q-1) e

intercepta a diagonal

y=x em y=zF


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Construo das linhas para o Mtodo de McCabe-Thiele

Curva de equilbrio

45Linha

x=zFxB

y

yB

yN

Seo de Stripping:

Linha de Operao

Inclinao=L/V=(VB+1) /VB

xD

Seo de Retificao:

Linha de Operao

Inclinao=L/V=R/(R+1)


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26

Construo das Linhas para o Mtodo de McCabe-Thiele

Curva de equilbrio

x=zFxB

y

yB

yN

xD

1

2

3

4

Estgio de alimentao timo situado no 2 prato


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27

Localizao do Estgio de Alimentao com o Mtodo de McCabe-Thiele

Curva de equilbrio

x=zFxB

y

yB

yN

xD

1

2

3

4

Estgio de alimentao situada numa

bandeja abaixo.

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