Coluna de Pratos Perfurados

OP III – Eng. Química - UFPR Profa. Agnes de Paula Scheer1

Internos de colunas



Tipos de borbulhadores:








Diagrama do desempenho do prato perfurado


Procedimento para projeto de coluna com pratos perfurados

• inicia-se com um 'layout" aproximado, checa-se os fatores chaves de desempenho e revisa-se os cálculos, quando necessário, até que um projeto satisfatório seja atingido


• Procedimento:• 1. calcular as vazões máxima e mínima de vapor e

líquido para determinada separação;• 2. encontrar ou estimar as propriedades da

mistura; (PPDS= Physical Property Data Service, DECHEMA,...);

• 3. selecionar um espaçamento entre pratos;

• 4. estimar o diâmetro da coluna, baseado nas considerações de inundação;

• 5. decidir o arranjo do fluxo líquido;


• Procedimento:• 6. fazer um 'layout" inicial do prato: área do duto de

saída, área ativa, área com furos, tamanho dos furos altura da barreira;

• 7. checar a taxa de gotejamento (choro), se não satisfatória, voltar ao passo 6;

• 8. checar a perda de carga no prato, se muito alta, retornar ao passo 6;

• 9. checar o nível do líquido no duto de saída, "downcomer", se muito alto, retornar ao passo 3 ou 6;


• 10. decidir detalhes do prato: zonas calmas, áreas sem perfurações, checar o passo dos furos, (distância entre os centros dos furos);

• 11. recalcular a porcentagem de inundação baseada no diâmetro da coluna;

• 12. checar arraste, se muito alto, retornar ao passo 4. • 13. Otimizar o projeto, repetir os passos de 3 a 12 para

encontrar o menor diâmetro e menor espaçamento de pratos aceitáveis

• 14. Finalizar o projeto: descrever as especificações do prato e desenhá-lo


prato

prato

downcomer

vapor

Aa


DIÂMETRO

Dc = f( uf, vazão volumétrica do vapor, An)

L

v

m

mLV

v

vLf

V

LF

Ku

ρρ

ρρρ

=

−= 1

uf = f(K1, densidades L e V)

K1 = f(TS e parâmetro de fluxo, )

= (vazão mássica de L e V em kg/s, densidades de V e L)

LVF

LVF



ÁREAS DO PRATO:Ac = área total da seção transversal;Ad = área do downcomer;An = área líquida disponível para contato L e V (normalmente = Ac – Ad para um prato com passo único)

Aa= área ativa, ou área de borbulhamento Aa=Ac -2Ad (prato passo único)Ah = área furada, área total dos furos ativosAp = área perfurada (incluindo áreas bloqueadas)


Projetar os pratos para a coluna especificada abaixo

• Destilação Acetona/Água – • Considere a vazão da alimentação de 10.000

kg/h. A alimentação contem 10% em massa de acetona. No topo deseja-se um produto com pelo menos 98% de pureza e a solução aquosa efluente não deve conter mais que 50 ppm de acetona. A alimentação será a 20°C.

• Dados:• N=16; inclinação da reta de retificação = 0,57; inclinação

da reta de esgotamento = 5,0; composição do fundo – essencialmente água; razão de refluxo = 1,35


• eficiência da coluna 60%; assumir perda de carga de 100 mm de H2O/prato; refervedor parcial;

• P no topo = 1 atm;

barPaP

PPcoluna

fundo 26,1925.125

525.24

≅==∆

mNmkg

mkgC

L

v

/1057/954

/72,0106

3

3

3

−×===

σρρ

Das tabelas de vapor:

mNM

mkgmkg

CT

L

V

/10236,55

/753/05,2

57

3

3

3

−×====

=

σ

ρρ

Topo: 98% m/m acetona



• Restrições para usar a figura 11.27:• Tamanho de furo < 6,5mm;• Altura da barreira menor que 15% do TS;• Sistemas que não formem espuma;• Razão (furos/área ativa) maior que 0,10; para outras razões aplicar

as seguintes correções:• furos/área ativa multiplicar K1 por:

0,10 1,00,08 0,90,06 0,8

• σ = 0,02 N/m, para outros valores multiplique o valor de K1 por:

[σ/0,02]0,2


03,0753

05,257,0: ==LVFTopo

DIÂMETRO DA COLUNA: Dc

Considerando TS = 0,5 m Fig. 11.27

14,0954

72,00,5: ==LVFFundo

2

2

105,7100,9

−

−

×=×=

FundoTopo

smFundosmTopo/87,2

/51,1→

→

K1 corrigido

85% da inundação

2

2

102,9103,9

−

−

×=×=

FundoTopo

smuFundosmuTopo

f

f/38,3/78,1

==


smFundo

smTopo

3

3

13,1360072,0

183,162

42,0360005,2

6,555,55

=×

×=

=××=

Vazão volumétrica:

Área disponível (An) = área líquida

2

2

28,051,1/42,0:

40,087,2/13,1:

mATopo

mAFundo

n

n

====


1ª tentativa – área downcomer 12%FUNDO: 0,46 m2

TOPO: 0,32 m2

• Dc = ? ≠ > 20%• FUNDO: 0,77 m• TOPO: 0,64 m

• Usar Dc = 0,80 m• (reduzindo área

perfurada por prato acima da alimentação)


- cálculo da velocidade do vapor para operação normal:

Com Dc recalculam-se as novas áreas e a velocidade do vapor.

Com a velocidade recalculada, têm-se novo valor de FF.

Tendo-se Dc - verifica-se o valor de TS adotado:

TS Dc

~ 450 mm < 1200 mm

~ 525 mm 1300 a 1400 mm

~ 600 mm > 1500 mm

15,010,0

12,008,0/

:

a

aAA

u

QA

diâmetroeárea

uFFu

cd

n

vn

fn

→→

=

×=


- Escolha do tipo de fluxo no prato:

- cross flow single pass - fluxo cruzado passagem única:

$ construção mais simples, longo percurso de líquido

- reverse flow - fluxo reverso/inverso:

downcomer de entrada e saída do líquido são colocados do mesmo lado - chicana central

- double pass - passo duplo:

divide o fluxo em duas partes

$ eficiência < do que o fluxo cruzado


TIPO DE FLUXO

• Fig. 11.28 é uma orientação aproximada sugerida por Bolles:

• Cross-flow • Reverse-flow• Double passA Fig. 11.28

• Primeira estimativa An Ad = 0,12Ac • e Af/Aa = 0,10

• Vazão de líquido em m3/s

• L = m3/s e Dc em metros


DETALHAMENTO

• Altura da barreira – Fig. 11.31• Iw = comprimento da barreira (fixa a área do downcomer)

• 12% Iw/ Dc = 0,76 Iw = 0,60 m

• hw= 40 e 90 mm

• hw= 50 mm

• Df = 5 mm espessura chapa (ec) = 5 mm

• Escolha:• Processo de fabricação – estampagem - $, + prático• Aço carbono dh mínimo = ec

• Aço inox dh mínimo = 1,5 a 2X (ec)

• Espessura do prato = 5 mm (aço carbono)• Espessura do prato = 3 mm (aço inox)


ARRASTE

• Uv = 1,13/ 0,44 = 2,57 m/s

• Fig. 11.29: % inundação = u(vapor operação, An)/ uf

• % inundação = 76 uf = K1√(ρL- ρV)/ ρV

• FLV = 0,14

• Ψ = 0,008 bem abaixo 0,1• 76 < 85% Dc porém ∆P


Choro – gotejamento(weeping)

• Vazão do líquido (kg/s) = 4,06

• Considerando mínima = 70% = 2,85 kg/s• Calcula-se a velocidade mínima do vapor através dos furos:

ûh = ( )[ ]2/1

2

)(

4,2590,0

V

hdK

ρ−−

3/2

750

=

WL

W

OW I

Lh

ρ

WL

2K = f(hw + h ow) Fig. 11.30


Perda de carga - prato secoestimada pela expressão p/ fluxo por orifícios:

L

v

o

hd

h

vh

C

uh

A

Qu

ρρ

2

51

=

=


Área Perfurada

• Área disponível para a perfuração será reduzida pelas obstruções causadas pelos dispositivos estruturais (anéis de suporte e barras) e pelo espaço ocupado pelas zonas calmas ou de líquido claro.

• As zonas calmas são regiões não perfuradas do prato nos lados de entrada e saída.

• Valores recomendados são:

» Dc < 1,5 m ~ 75 mm

» Dc > 1,5 m ~ 100 mm

• A largura do anel de suporte para pratos seccionados será normalmente – 50 a 75 mm,


Área perfurada

50 mm0,

80 m


• Passo – distância entre os centros dos furos Ip

não deve ser menor que 2x o diâmetro do furo.

• Tamanho do furo varia de 2,5 a 12 mm, • sendo 5 mm + usado

• Calcular número de furos para o prato dimensionado e a distribuição triangular.






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