Componentes da Coluna de Destilação

Teoria Completa

Vamos começar relembrando o que é a coluna de destilação para entendermos melhor quais são seus componentes e qual a função deles. Esse equipamento é o CORAÇÃO das operações unitárias e nós vamos ver diversos métodos para dimensioná-lo, cada um com suas vantages e desvantagens.

Destilação é o processo de separação que consiste em criar uma nova fase que coexiste na mesma temperatura e pressão com outra fase em estado físico diferente e composições diferentes.

A coluna de destilação vai ter estágios, que são os locais onde ocorrem a transferência de massa entre as correntes. E, relembrando, um estágio é chamado de estágio ideal quando as correntes que saem dele estão nas mesmas condições do estágio em si.

A seguir vamos ver com detalhe cada uma das partes para entender o que acontece na coluna para gerar essas fases, ok?

Funcionamento da Coluna

Vamos começar falando da carga, pois é por essa corrente que o material entra na nossa coluna de destilação.

Dependendo do estado físico da carga, o que acontece com ela vai ser diferente. Para enterder de uma forma geral como a nossa coluna funciona, vamos supor que estamos entrando com uma carga líquida, ok?

Como essa carga é líquida, ela vai descer dentro da nossa coluna. Ela desce junto do líquido que está vindo do topo da nossa coluna. E, ao encontrar os pratos, ela interage com o vapor que está subindo na coluna. E é justamente nessa interação que ocorre a transferência de massa, separando os componentes que vão para o topo e fundo.

Vamos retirar os pratos do nosso esquema para ficar mais fácil de entender a coluna de uma forma geral, beleza?

E de onde está vindo esse vapor que está subindo? Ele está vindo do fundo da coluna.

No fundo da coluna nós temos um refervedor, que pode ser total ou parcial. Mas não se preocupa com isso agora que mais pra baixo vamos ver isso com mais detalhes. Aqui só queremos entender o nosso esquema e ter um ideia geral de como nossa coluna vai funcionar. No nosso esquema, temos um refervedor total. Antes do líquido chegar nele, parte dele é coletado como produto de fundo ( B ).

O líquido restante (que não foi coletado) é vaporizado e reenviado à coluna. Esse vapor é o vapor que sobe na coluna e interage com o líquido que está descendo. A intereção entre líquido e vapor ocorre nos estágios, conforme comentamos, com transferência de massa entre essas correntes.

O vapor vai interagindo com o líquido pelos vários estágios da coluna até chegar ao topo.

No topo, o vapor é condensado em um condensador, que no nosso esquema caso é total (também vamos detalhar isso depois, relaxa). Parte do produto que é condensado é coletado como destilado e outra parte volta como líquido saturado para a coluna e é esse o líquido que desce pela nossa coluna até se juntar com a carga.

Agora vamos detalhar as configurações de topo e de fundo de coluna e dar uma olhada mais de perto também na nossa carga.

Configurações de Topo

A gente acabou de ver um exemplo de coluna com condensador total. Condensador total significa que todo o vapor que entra no condensador é transformado em líquido. Então, a corrente que sai dele é, em seguida, dividida: temos o líquido saturado que volta para a coluna e temos o produto líquido de topo, que é o nosso destilado.

No entanto, pode ser que o nosso condesador seja parcial. O condensador parcial será diferente do total, pois apenas parte do vapor que entra vai ser transformado em líquido. A outra parte permanecerá como vapor. E, portanto, usualmente após o condensador é representado um tambor para separar as fases. A separação do líquido e do vapor no tambor acontece por gravidade mesmo. Depois do tambor, como precisamos de líquido para descer na coluna, o líquido saturado é reenviado para a coluna enquanto o vapor é retirado como produto.

E vale lembrar que o líquido e o vapor que saem do tambor de separação estão em equilíbrio e são, respectivamente, líquido e vapor saturados. Assim, a composição dos dois pode ser relacionada por K i = y i / x i .

Um último tipo de condensador que pode aparecer é uma variação do condensador total, mas que ao invés do líquido voltar saturado para a coluna, ele volta como líquido subresfriado. Isso significa que a temperatura dele tá mais baixa do que a do líquido saturado. Portanto, vamos precisar considerar isso para as contas, ok?

Configurações de Fundo

Assim como o condensador pode ser total ou parcial, o mesmo acontece com o nosso refervedor. O refervedor pode transformar toda a vazão de líquido saturado que tá chegando nela em vapor saturado ou apenas parte dela. E no fundo também temos uma saída de produto, certo? Produto B . Esse produto B vai ser SEMPRE LÍQUIDO SATURADO.

Então nossa configuração de refervedor total será essa:

E para o refervedor parcial, vamos ter:

Tipos de Carga

No exemplo que vimos durante a explicação do funcionamento da coluna, usamos uma carga líquida. No entanto, a carga pode ser das seguintes formas:

Líquido Subresfriado – é um líquido que entra na coluna numa temperatura abaixo da sua temperatura de saturação em uma determinada pressão.

Líquido Saturado – é um líquido que está na sua pressão e temperatura de saturação. Portanto, equivale ao estágio que vimos como líquido em equilíbrio com a última bolha de vapor, ou seja, β = 0 .

Líquido Saturado + Vapor Saturado – condição em que temos uma mistura de líquido e vapor nas condições de saturação. Portanto, temos 0 < β < 1 .

Vapor Saturado – é um vapor que está na sua pressão e temperatura de saturação. Portanto, equivale ao estágio que vimos como vapor em equilíbrio com a última gota de líquido, ou seja, β = 1 .

Vapor Superaquecido – é um vapor, mas que está entrando numa temperatura acima da sua temperatura de saturação em uma determinada pressão.

Se a gente organizar essas cargas, em função do β , vemos que o β do líquido subresfriado é menor que 0 e do vapor superaquecido será maior que 1 .

Mas e aí? O que isso muda na sua vida?

Então, lembra que quando vimos a curva de equilíbrio líquido-vapor, comentamos que elas iam ser úteis na destilação? Bem, aqui vamos usar essa curva da seguinte forma: primeiro marcamos nela a composição da nossa carga ( z f ). Em seguida, vamos traçar uma reta a partir da nossa carga de acordo com as características da mesma. Vamos chamar essa reta de reta q. E q = 1 - β , portanto, a gente obtém o seguinte:

A equação da reta q é dada por: y = q q - 1 x - z f q - 1

Onde:

q = V a z ã o   d e   l í q u i d o   a b a i x o   d a   e n t r a d a   d a   c a r g a - V a z ã o   d e   l í q u i d o   a c i m a   d a   e n t r a d a   d a   c a r g a V a z ã o   d a   C a r g a

Vamos avaliar caso a caso dos tipos de carga:

Líquido Subresfriado: β < 0 e, portanto, q > 1 .

Nesse caso, como podemos calcular o valor específico de β e valor específico de q ?

Vamos precisar utilizar a seguinte fórmula:

q = 1 + c p , l T b - T F ∆ h v a p

Líquido Saturado: β = 0 e q = 1

Líquido Saturado + Vapor Saturado: 0 < β < 1 e 0 < q < 1 .

Lembrando que q = 1 - β .

Vapor Saturado: β = 1 e, portanto, q = 0 .

Vapor Superaquecido: β > 1 e, portanto, q < 0 .

q = c p , V T d - T F ∆ h v a p

E aí vamos usar essa informação para duas coisas: a primeira é para entendermos o que acontece na nossa coluna e a segunda é para dimensioná-la. Mas para a gente ver como dimensiona temos que aguardar mais um pouquinho, ok?

Para entender a diferença do que acontece na coluna em cada um desses diferentes tipos de entrada, precisamos olhar o prato de carga.

Quando a entrada é líquida saturada, já vimos que o líquido desce e se junta com o líquido que está descendo da coluna, certo?

Da mesma forma, quando for vapor saturado, essa carga que está entrando se juntará ao vapor que está subindo pela coluna.

E quando for uma mistura de líquido e vapor saturado? Nesse caso, vamos ter uma divisão. A porcentagem que é vapor (dá para ver isso pelo β ) vai se juntar ao vapor que tá subindo e a parte que é liquida ( 1 - β ) se junta ao líquido que está descendo.

E quando for líquido subresfriado ou vapor superaquecido? O que será que acontece? Bem, ao longo da coluna só podemos ter líquido e vapor saturado.

Então o líquido subresfriado que entrar, vai condensar um pouco do vapor que tá subindo e roubar calor dele (e aumentar sua temperatura até a temperatura de saturação) para se transformar em líquido saturado e descer. E o vapor superaquecido, por sua vez, vai ceder calor para o líquido que está descendo a coluna (e diminuir sua temperatura até a temperatura de saturação) para poder se transformar em vapor saturado e subir!

Expandir

Exercício Resolvido #1

UFPB – Concurso Público 2009

Na destilação, a mistura dos componentes a separar pode ser introduzida na coluna de diferentes formas. Com base nesta informação, julgue os itens abaixo:

I. Mistura líquido-vapor

II. Mistura sólido-vapor

III. Mistura sólido-líquido

IV. Vapor saturado

V. Líquido saturado

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Passo 1

Bem, nós vimos que a destilação líquido-vapor pode ter diversas cargas de entrada. No entanto, não falamos nada de carga sendo sólido. As cargas podem ser: líquido saturado, vapor saturado, mistura líquido e vapor saturado, líquido subresfriado e vapor superaquecido.

Comparando com as opções que temos, as opções I, IV e V estariam certas, pois apontam como carga essas possibilidades que discutimos. Já II e III vamos descartar, pois falam de sólidos e nós não temos sólidos como carga, ok?

Resposta

I, IV e V estão corretas.

II e III estão erradas.

Exercício Resolvido #2

Unipampa – Curso de Engenharia Química- Operações Unitárias II – Lista Professor Rodolfo Rodrigues

Calcule o coeficiente angular da linha de operação da alimentação para o seguinte caso de corrente alimentada:

Líquido-vapor onde 80% são vaporizados nas condições de operação da coluna.

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Passo 1

Primeiro vamos ver o gráfico com todas as retas q , em função da carga alimentada:

A carga que estamos colocando como entrada possui tanto líquido, quanto vapor, pois 80 % dela está vaporizada. Portanto, ela é a reta indicada como 0 < q < 1 . Mas quem é q ?

Sabemos que q = 1 - β , e β = 0,80 , pois é o quanto foi vaporizado. Portando q = 0,20 .

Passo 2

Além disso, sabemos que a equação dessa reta, quando há a presença de líquido e vapor, é dada por:

y = q q - 1 x - z f q - 1

Portanto, sua inclinação, ou seja, o coeficiente angular da reta de y em função de x   é q q - 1 .

Substituindo, temos que a inclinação é igual a :

q q - 1 = 0,20 0,20 - 1 = - 0,25

Resposta

–0,25.

Exercício Resolvido #3

Unipampa – Curso de Engenharia Química- Operações Unitárias II – Lista Professor Rodolfo Rodrigues

Calcule o coeficiente angular da linha de operação da alimentação para o seguinte caso de corrente alimentada:

Vapor superaquecido onde 1 mol de líquido é vaporizado do estágio de alimentação por cada 9 mol de vapor alimentado.

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Passo 1

Nós precisamos descobrir a inclinação da seguinte reta:

y = q q - 1 x - z f q - 1

No entanto, antes disso, precisamos encontrar o q .

q = V a z ã o   d e   l í q u i d o   a b a i x o   d a   e n t r a d a   d a   c a r g a - V a z ã o   d e   l í q u i d o   a c i m a   d a   e n t r a d a   d a   c a r g a V a z ã o   d a   C a r g a

Então, vamos lá! Estamos falando de uma carga que é vapor superaquecido. Portanto, essa carga vai roubar um pouquinho de calor do líquido e vai transformar parte desse líquido em vapor para que todo o vapor que está entrando na carga fique como vapor saturado.

E, segundo o enunciado, se entram 9 mols de vapor, eesse vapor “rouba” um mol de líquido (que está descendo). Assim, podemos dizer que a vazão de líquido acima da entrada é L e depois da entrada é L - 1 .

q = ( L - 1 ) - L 9 = - 1 9

Passo 2

Agora, vamos substituir o q que encontramos no coeficiente angular da equação da reta para encontrar a inclinação:

q q - 1 = - 1 9 - 1 9 - 1 = 0,1

Resposta

0,1

Exercício Resolvido #4

Unipampa – Curso de Engenharia Química- Operações Unitárias II – Lista Professor Rodolfo Rodrigues

Calcule o coeficiente angular da linha de operação da alimentação para os seguintes casos de corrente alimentada:

- Líquido subresfriado em 35°F. A capacidade calorífica média do líquido é de 30   B t u / l b m o l / ° F   e calor latente de vaporização é de 15   000   B t u / l b m o l .

MOSTRAR SOLUÇÃO COMPLETA

Passo 1

Vamos começar lembrando que precisamos calcular o coeficiente angular dessa reta aqui:

y = q q - 1 x - z f q - 1

E sabemos que o q para líquido subresfriado é dado por:

q = 1 + c p , l T b - T F ∆ h v a p

Onde c p , l é a capacidade calorífica média do líquido, T b é a temperatura de bolha, T F é a temperatura de carga e ∆ h v a p é o calor latente de vaporização.

Passo 2

O primeiro cálculo que teremos que fazer é o cálculo do valor de q .

q = 1 + c p , l T b - T F ∆ h v a p

c p , l foi dado como 30   B t u / l b m o l / ° F .

∆ h v a p é 15   000   B t u / l b m o l .

A diferença T b - T F foi dada como 35 ° F , já que foi dito que o líquido está subresfriado EM 35 ° F .

Agora, vamos substituir os valores dados

q = 1 + 30   ∙ 35 15000 = 1,07

Passo 3

Próximo passo é o cálculo da inclinação. Para isso, basta substituir o q que calculamos:

i n c l i n a ç ã o =   q q - 1

i n c l i n a ç ã o =   1,07 1,07 - 1 = 15,29

Portanto, a inclinação é 15,29 .

Resposta

15,29

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