Nos processos químicos há um grande número de equipamentos que operam com base em diversos conceitos físicos e físico-químicos. A seguir são apresentados alguns equipamentos mais comuns, nos quais o balanço de massa fornece informações importantes.
2.6.1 - Divisor de Corrente:
jusante do divisor). Como não ocorre nenhum processo físico ou químico neste ponto, a composição das novas correntes é igual a da corrente à montante do divisor. No caso de haver divisão em duas correntes, a distribuição da vazão entre as correntes à jusante do divisor é descrita por um fator α, que pode ser definido na forma:
α − = ≤ α ≤ α = 1 F F 1 0 com F F 1 3 1 2 &
As vazões Fi são especificadas na Figura 2.6.1.1. O valor de α é definido pelo controle operacional da planta, ou seja, um agente externo especifica o seu valor. A relação desse valor com os parâmetros operacionais serão estudos em Mecânica dos Fluidos.
2.6.2 - Ponto de Mistura:
Ponto onde há a simples união (mistura) de duas ou mais correntes. Como não ocorre nenhum processo físico ou químico neste ponto, a vazão e a composição da corrente à jusante do ponto de mistura são determinadas pelo balanço de massa no ponto de mistura. Na Figura 2.6.2.1 é apresentado um esquema de um ponto de mistura com duas correntes à montante.
D F1; xi F2; xi F3; xi Região à montante do divisor (D) Região à jusante divisor (
M Região à montante do misturador (M) Região à jusante misturador ( F1; xi F2; yi F3; wi
Figura2.6.2.1 - Ponto de Mistura de Duas Correntes
Do balanço de massa global no ponto da Figura 2.6.2.1:
F1 + F2 = F3 .
Do balanço de massa por componente, para o componente i:
xi F1 + yi F2 = wi F3 .
2.6.3 - Tambor de Flash
Tambor mantido em condições de temperatura e/ou de pressão diferentes da temperatura e/ou da pressão da corrente nele alimentada. Esta diferença de condições operacionais é imposta com o objetivo de vaporizar parcialmente a corrente de entrada, que normalmente encontra-se no estado líquido, separando-a em duas correntes: uma vapor e outra líquida. A causa principal desta vaporização parcial neste equipamento é uma despressurização, ou seja, a pressão na corrente que entre no tambor é maior do que a pressão no seu interior. Assim, o fluido ao entrar no Tambor de Flash passa por uma "expansão". Nesta vaporização parcial, os componentes não vaporizam nas mesmas proporções em que estão presentes no líquido. Os componentes mais voláteis têm uma maior tendência para vaporizar, causando em situações onde o processo de mudança de fase não é completo uma maior concentração dos componentes mais voláteis na fase vapor e dos menos voláteis na fase
uma corrente (F), no estado líquido, formada de iguais quantidades molares de etano e butano. Os resultados na Figura X.1 deixam claro que se o Flash for utilizado com objetivo de separação, ele somente é efetivo se a vaporização for parcial, situação na qual as concentrações das correntes de saída são diferentes da concentração da corrente original.
Após a expansão, no interior do tambor de flash há um processo físico de equilíbrio entre as fases vapor e líquida, formadas e mantidas em contato no seu interior. Sabe-se da prática, que sempre que duas fases distintas são colocadas em contato elas tendem a entrar em equilíbrio. Esta condição de equilíbrio dita algumas relações entre as variáveis que descrevem os estados das fases presentes. mais tarde, no curso de Termodinâmica, você irá estudar este fenômeno com mais detalhes. No momento, o que nos interessa é saber que as composições das fases que deixam o tambor de flash devem obedecer uma relação de equilíbrio, que pode ser representada da forma mais simples pela expressão:
yi = Ki xi , (3.1)
onde yi é a fração molar do componente i na fase vapor, que forma a corrente V; xi é a fração molar do componente i na fase líquida, que forma a corrente L; e Ki é uma constante de equilíbrio, com valores distintos para cada componente i.
F 0,5 C2H6 0,5 C4H10 V L 0,3 C2H6 0,7 C4H10 0,8 C2H6 0,2 C4H10 Tambor de Flash Vaporização Parcial F 0,5 C2H6 0,5 C4H10 V L = 0 0,5 C2H6 0,5 C4H10 Tambor de Flash Vaporização Total
Mais tarde, nos seus estudos de Termodinâmica, você verá como os valores de Ki na Eq.(3.1) podem ser previstos a partir das variáveis que definem o sistema(pressão, temperatura e composições). Formas mais gerais para representar esta relação de equilíbrio serão estudas naquela ocasião, bem como serão mostrados critérios que permitirão uma previsão da "capacidade" do Tambor de Flash realizar uma certa separação desejada. Com estes conhecimentos mais avançados, você ainda será capaz de prever quais deverão ser a temperatura e a pressão no interior do tambor para uma determinada separação especificada.
Na Figura X.2 são mostradas as variáveis relevantes para o balanço de massa em um Tambor de Flash.
Se considerarmos as constantes de equilíbrio Ki conhecidas e um processo envolvendo n componentes, um balanço de informações indica que:
Número de incógnitas: 3n + 3
Equações: n equações do balanço de massa por componente; 01 equação do balanço de massa global;
03 restrições em relações as composições; n relações de equilíbrio (Eq. (3.1));
- 01 em função da dependência linear entre as equações de balanço dos componentes e a global;
Equações independentes: 2n + 3 Graus de Liberdade: (3n + 1) – (2n + 1) = n F zi V yi L xi
Alguns problemas na Engenharia Química recebem nomes especiais não só pela freqüência em que elas aparecem mais também pela sua importância no projeto e análise de equipamentos e de processos químicos. Um exemplo é o chamado problema de simulação. A nível de equipamento, um problema é dito de simulação quando são fornecidos todas as variáveis que especificam o estado das correntes de entrada e as que especificam as condições operacionais no interior do equipamento, e deve-se calcular as variáveis que definem o estado das correntes de saída.
A simulação de um Tanque de Flash é exemplificada na Figura X.3. Neste caso, a composição (zi) da corrente de entrada, com n componentes, é conhecida, bem como a sua vazão global. As condições operacionais no interior do equipamento ditam os valores dos Ki, que também são considerados conhecidos. Do balanço das informações disponíveis:
Número de incógnitas: 2n + 2
Equações: n equações do balanço de massa por componente; 01 equação do balanço de massa global;
02 restrições em relações as composições; n relações de equilíbrio (Eq. (3.1));
- 01 em função da dependência linear entre as equações de balanço dos componentes e a global;
Equações independentes: 2n + 2 ;
podemos verificar que o problema de simulação apresenta grau de liberdade igual a zero, ou seja, tem resposta única.
F zi V = ? yi = L = ? xi = ? Ki
2.6.4 - Colunas de Destilação
Como observado anteriormente, a separação completa de uma mistura é muito difícil em um único tambor de flash. Uma possibilidade então é colocar um conjunto de tambores em série. Assim, são obtidas melhores separações.
Esta idéia de vários flashes em série é utilizada nas colunas de destilação. Estas colunas são equipamentos nos quais podemos considerar a presença de diversas regiões, independentes e ligadas em série, de contato líquido-vapor, que funcionam como vários flashes.
Em sua operação, via de regra, é alimentada uma corrente de uma mistura líquida em sua lateral e em seu interior há uma corrente gasosa, rica nos elementos mais voláteis, escoando na direção ascendente, e uma corrente líquida, rica nos componente menos voláteis, escoando na direção descendente. Em sua parte superior (topo da coluna) é retirada esta corrente gasosa e resfriada em um condensador (equipamento onde há condensação de vapores). Parte do condensado formado sai como produto de topo e a parte complementar é retornada a coluna para dar início a corrente líquida que escoa no sentido descendente. Na base da coluna ocorre o inverso, ou seja, parte do líquido que chega é retirado como produto de fundo e a outra parte passa através de um equipamento que fornece calor (este equipamento tem o nome especial de refervedor), vaporizando este líquido, que é então realimentado na coluna, dando origem a corrente de vapor ascendente.
Desta forma, tendo como objetivo somente o balanço de massa, uma coluna de destilação é muito parecida com o tambor de flash: há uma corrente de alimentação e duas de saída: (i) uma no topo, rica nos componentes não voláteis e (ii) uma no fundo, rica nos componentes não voláteis. Como esta distribuição de componentes nas correntes ocorre, não é mais função de uma única relação de equilíbrio. Você, ao longo do curso de Operações Unitárias vai aprender como utilizar as relações de equilíbrio no projeto das colunas de destilação. Neste primeiro curso, ao lidarmos com colunas de destilação, nos restringiremos a
Na figura X.4 é mostrado um esquema básico de uma coluna de destilação e as principais correntes envolvidas.
Figura X.4 – Esquema Básico de uma Coluna de Destilação
2.6.5 - Extratores
O extrator é um equipamento onde uma corrente, normalmente pura, chamada de solvente, é colocada em contato com uma mistura com objetivo de retirar, preferencialmente, um dos componentes desta mistura. São então formadas duas correntes: uma formada por uma solução envolvendo o solvente e as substâncias extraídas, chamada de extrato, e outra composta do material restante da mistura original, chamada de rafinado.
Um exemplo clássico de extração ocorre na preparação do café. A mistura original é representada pelo pó de café e a água quente desempenha o papel de solvente. Está água quente entra em contato com o pó do café, retirando preferencialmente substâncias que conferem o sabor e aroma ao líquido obtido, que é o extrato. O pó restante, agora sem as substâncias de interesse, representa o rafinado.
Produt o de topo Alimentaçã o Produto de fundo
Figura X.5 – Esquema Básico de um Extrator, formado por um etapa de Extração propriamente dita e uma Etapa de Separação