Destilam-se mil quilogramas por hora de uma mistura contendo partes iguais em massa de metanol e água. As correntes de produto saem pelo topo e pelo fundo da coluna de destilação. A vazão da corrente de produto do fundo é
, enquanto a corrente de produto do topo contém 96,0% em massa de metanol.
(a) Desenhe e rotule um fluxograma do processo e faça a análise dos graus de liberdade.
(b) Calcule as frações mássica e molar de metanol e as vazões molares de metanol e água na corrente de produto do fundo.
(c) Suponha que a corrente de produto do fundo é analisada e que a fração molar de metanol encontrada é significativamente maior do que a calculada na Parte (b). Liste a maior quantidade de razões possíveis para esta discrepância. Inclua na sua lista possíveis violações às suposições feitas na Parte (b).
(a) Desenhe e rotule um fluxograma do processo e faça a análise dos graus de liberdade.
(b) Calcule as frações mássica e molar de metanol e as vazões molares de metanol e água na corrente de produto do fundo.
(c) Suponha que a corrente de produto do fundo é analisada e que a fração molar de metanol encontrada é significativamente maior do que a calculada na Parte (b). Liste a maior quantidade de razões possíveis para esta discrepância. Inclua na sua lista possíveis violações às suposições feitas na Parte (b).
Passo 1
O enunciado trata de uma coluna de destilação onde entra uma mistura de metanol e água em partes iguais de massa, com vazão mássica de
,kg/h e fração mássica de metanol
. Saem duas correntes: o destilado (topo) e o fundo, cuja vazão mássica é
,kg/h e o destilado contém
em massa de metanol.
Conteúdo: balanço de massa total e de componente, análise de graus de liberdade e cálculo de composições mássicas e molares.
Conteúdo: balanço de massa total e de componente, análise de graus de liberdade e cálculo de composições mássicas e molares.
Passo 2
Fluxograma e análise de graus de liberdade.
Descrevemos as variáveis:
– vazão e fração mássica de metanol no alimento;
– vazão e fração mássica de metanol no destilado;
– vazão e fração mássica de metanol no fundo.
Equações disponíveis:
Descrevemos as variáveis:
Equações disponíveis:
Dados conhecidos:
,
,
,
.
Variáveis desconhecidas: e
. São dois únicos graus de liberdade, iguais ao número de equações, logo o sistema é perfeitamente determinável (DOF
após usar os dados).
Variáveis desconhecidas:
Passo 3
Cálculo de
e de
.
Pela massa total,
Pela massa total,
Pelo balanço de metanol,
Passo 4
Frações mássica e molar e vazões molares no fundo.
Massa de metanol no fundo:
Massa de metanol no fundo:
água no fundo:
Frações mássicas confirmam
.
Vazões molares usando ,kg/kmol e
,kg/kmol:
Vazões molares usando
Total no fundo
,kmol/h, fração molar de metanol
Passo 5
Possíveis razões para a fração molar medida no fundo ser maior que
, incluindo violações de suposições:
. Erro de amostragem ou análise laboratorial; amostra não representativa ou instrumentação mal calibrada.
. Alimentação distinta da suposta (variação em
ou vazão real diferente de
kg/h).
. Desvios de regime estacionário (coluna não estabilizada, oscilação de vazões ou composição).
. Eficiência de prato/trato menor que
% (não se atinge o equilíbrio VLE ideal em cada estágio).
. Desvios do modelo de fluxo constante (constante de fluxo molar) por diferenças de entalpias de vaporização e calor específico.
. Impacto de pressão variável ao longo da coluna (queda de pressão, mudança de ponto de ebulição).
. Entrainment ou refluxo parcial no fundo, arrastando metanol extra para o fundo.
. Presença de impurezas ou não condensáveis alterando o balanço de massa e composição.
. Vazamento ou bypass de vapor na seção inferior, modificando a separação.
. Suposição de comportamento ideal (Lei de Raoult) não válida; fatores de atividade não nulos para metanol–água.
Resposta
(a) Fluxograma: fluxo de tamanho
,kg/h entra na coluna; saem
,kg/h (
% MeOH) no topo e
,kg/h no fundo. Análise de graus de liberdade mostra DOF
após usar os
dados.
(b) No fundo: fração mássica de metanol ; fração molar
; vazões molares
,kmol/h e
,kmol/h.
(c) Razões possíveis: erros de amostragem/análise; variação real de alimentação; regime não estacionário; eficiência de estágio %; fluxo molar não constante; queda de pressão; arraste (entrainment); impurezas; vazamentos/bypass; não idealidade VLE.
(b) No fundo: fração mássica de metanol
(c) Razões possíveis: erros de amostragem/análise; variação real de alimentação; regime não estacionário; eficiência de estágio