EXERCÍCIOS DE DESTILAÇÃO
DESTILAÇÃO INTEGRAL
3.1 - No esquema abaixo separa-se uma mistura de benzeno-tolueno que contém 50 mol % de tolueno, utilizando-se o tambor mostrado na figura abaixo. O tambor trabalha à 96oC e 14,7 psia. A temperatura antes do permutador é de 70oC e à pressão de 16,7 psia, ocasião em que a carga está no estado líquido. Determinar a quantidade de calor a ser cedida pelo permutador numa carga de 100 kg/h.
3.2 - Uma mistura de benzeno-tolueno contendo 60% mol de benzeno é aquecida por vapor d'água em um permutador até uma temperatura tal que 40% em volume estejam vaporizadas à 1 atmosfera, indo então para um tambor.
Determinar:
a) as vazões mássicas e molares do líquido e vapor formados; b) a temperatura de entrada da carga no tambor;
c) a carga térmica retirada no condensador até a situação de líquido saturado.
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Dados de Entalpia BTU/ b
TEMP.(OC) BENZENO TOLUENO
LÍQUIDO VAPOR LÍQUIDO VAPOR
80 141 - 136 -
90 145 310 150 310
100 157 320 155 315
3.3 - No esquema abaixo vaporiza-se parcialmente uma mistura benzeno-tolueno contendo 50% em mol de benzeno, a pressão de 14,7 psia. Sabendo-se que após o permutador de calor a parte gasosa corresponde a metade da carga, calcular a carga térmica do permutador de calor.
O produto de topo do tambor é parcialmente condensado, obtendo-se duas fases, uma vapor e outra líquida em proporção tal que a fase vapor corresponde a 40% do vapor que entra no condensador. Calcular:
a) as composições do líquido e vapor formados; b) as vazões em massa destas correntes.
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-3.4 Uma mistura benzeno-tolueno contendo 60% molar de benzeno é vaporizada na pressão atmosférica. Se, nestas condições 1/4 desta mistura (em base molar) é vaporizada, determinar as composições do vapor e do líquido formados. Qual a temperatura que ocorreu o flash? Resolver o exercício graficamente e analiticamente.
3.5 O tambor de flash da figura abaixo opera a 19 atm e separa uma carga de 3760 b/h, contendo 40 mol% de etano. O vapor(V) de topo sai a 30oC e é condensado totalmente e o líquido do tambor (D) sai saturado.
Calcular:
a) A temperatura da carga e das correntes D e L; b) A vazão molar de D e L;
c) A carga térmica do condensador de topo; d) A composição de D e L;
e) Se misturássemos L com uma fase gasosa saturada em igual quantidade, contendo 40% mol de etano, qual seria a temperatura quando o equilíbrio fosse alcançado.
Dados de entalpia (BTU/ bmol)
ETANO PROPANO
ToC Líquido vapor Líquido vapor
10 4860 8220 6030 12760
20 5480 8040 6560 12990
30 6090 7910 7120 13210
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-3.6 Sabendo que a fração vaporizada em um "flash" pode ser calculada pela equação:
=
−
−
−1
1mostre que no ponto de bolha esta equação se transforma em KAzA + KB zB = 1,0.
3.7 Uma mistura gasosa de etano - propano contendo 40% de etano é resfriada de 50oC até a temperatura de 32oC na pressão absoluta de 19 atm. Calcule:
a) a composição do vapor e do líquido em equilíbrio;
b)a fração condensada (em base molar) da mistura original;
c)o calor removido da mistura (em kj/kmol) para permitir a condensação.
Entalpia dos componentes : em kj/kg Ref.: líquido saturado @ - 200oF
Componente T = 32oC T = 50oC
Líquido Vapor Líquido Vapor
etano 511,7 581,5 581,5 767,6
propano 383,8 704,8 442,0 721,1
3.8 Calcule o ponto de bolha a pressão atmosférica da mistura abaixo:
n C4H10 = 30% nC5H12 = 30% nC6H14 = 40% (molar)
3.9 - Dada a mistura abaixo, à temperatura de 200oF e à 200 psia, determinar seu estado térmico. A composição da mistura em fração molar é a seguinte:
x isobutano = 0,200 x propano = 0,434 xn butano = 0,083
3.10 - Aplicando-se as Leis de Raoult e Dalton, estimar a temperatura do ponto de bolha a 175 psia da mistura de composição molar dada a seguir.
COMPONENTE Mol/h
Metano Etano Propano n-Butano n-Pentano
65,39 6,62 3,78 2,05 0,95
O ponto de bolha sofreria alteração se o componente mais pesado fosse removido? Explique.
3.11 - Transforme a composição volumétrica dada abaixo em composições ponderal e molar.
Etano 0,25
Propano 0,25
Butano 0,25
Hexano 0,25
Calcule também a pressão de bolha a -79oF e sua massa específica ( b/ft3).
3.12 - As vazões molares dos componentes de um vapor estão dadas a seguir:
Metano 70,0 Isobuteno 1,2
Eteno 21,4 n-Butano 4,0
Etano 3,0 CIS-Buteno-2 2,0
Propano 0,4 n-Pentano 0,7
Sabendo-se que este vapor é saturado e sua temperatura -4,0oF, calcule a sua pressão usando De-Priester.
Haveria mudança sensível no valor desta pressão se o cis-buteno-2 fosse substituído pelo Buteno-1?
3.13 - Mostre que sendo válidas as leis de Raoult e Dalton, a pressão de orvalho de uma mistura, numa dada temperatura, é dada por:
P = i/Σ (zi/pvi)
3.14 - Para as três misturas de hidrocarbonetos a 50 psia e 80oF têm as seguintes composições molares.
MISTURA 1 MISTURA 2 MISTURA 3
Propano 0,5 0,85 0,15
n-Pentano 0,5 0,15 0,85
Calcule as composição das fases e as quantidades de cada uma para 1 mol de mistura.
3.15 - Calcule a quantidade e composição de cada fase da mistura dada, a 200 psia e 90oF.
COMPONENTE Mol/h k
Metano 5 12,7
Eteno 15 4,0
Etano 34 2,7
Propeno 46 1,02
Propano 52 0,91
Isobutano 24 0,41
Butano 10 0,285
Observação: Foram dadas as constantes de equilíbrio, obtidas no nomograma de De-Priester com o intuito de uniformizar os resultados.
3.16 - Uma corrente gasosa, de composição dada abaixo, é comprimida e depois resfriada antes de ser enviada a um tambor separador de gás operando a 90oF e 100 psia.
COMPONENTE Mol/h
C1 50
C2 200
C3 300
C4 450
Total 1000
Calcule as composições e quantidades de gás e líquido que deixam o tambor separador.
3.17 - Calcule a curva flash para o sistema dado abaixo , a 100 psia.
COMPONENTE Mol
Propano 10,0
Butano 30,0
Pentano 20,0
3.18 - Calcule a curva flash para o sistema abaixo a 25 psia
COMPONENTE Mol
Pentano 22,5
Hexano 45,0
RETIFICAÇÃO COM VAPOR
3.19 - Uma batelada de 250 galões (0,946 m3) de terebentina será retificada com vapor d'água a pressão atmosférica, usando vapor d'água a 5 bf/pol2 (3,45 kN/m2). A temperatura inicial da carga é de 70oF. A eficiência de vaporização é 0,85 e as propriedades da terebentina são as seguintes.
Peso molecular: 140 Calor latente de vaporização: 128 BTU/ b.oF Densidade: 0,87 Calor específico: 0,50 BTU/ b.oF
Pressão de Vapor da terebentina
T (oF) 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 P( bf/pol2) 0,51 0,65 0,81 1,01 1,28 1,59 1,79 2,42 2,96 3,64
Desprezando perdas, calcular a quantidade de vapor necessária se:
a) o vapor d'água não é utilizado como fonte de aquecimento;
b) o vapor d'água é utilizado também como fonte de aquecimento.
DESTILAÇÃO DIFERENCIAL
3.20 - Uma mistura equimolar de benzeno-tolueno é submetida a destilação diferen-cial a 1 atmosfera. Calcular e lançar os valores de:
a) percentagem molar da carga vaporizada versus temperatura;
b) porcentagem molar da carga vaporizada versus fração molar de benzeno no líquido e no vapor.
DESTILAÇÃO FRACIONADA
3.21 Uma torre de destilação opera a pressão de 19 atmosferas para separar 71.200 b/h de uma mistura contendo 60% mol de etano e 40% mol de propano, que está no seu ponto de orvalho na entrada da torre.
O vapor de topo sai a -5oC e é totalmente condensado antes de ir para o tambor. Considerando-se que:
a) a razão de refluxo utilizada seja 2,0;
b) no produto de fundo (B) recupera-se 6% do etano que entrou na carga.
Calcular: 1) a vazão molar das correntes D, B, V e Lo;
3) a carga térmica do condensador de topo.
DADOS DE ENTALPIA BTU/ bmol
ETANO PROPANO
ToC LÍQUIDO VAPOR LÍQUIDO VAPOR
-10 3.990 8.250 5.060 12.320
0 4.410 8.250 5.500 12.540
10 4.860 8.220 6.030 12.760 20 5.479 8.040 6.555 12.994 30 6.088 7.910 7.115 13.210 40 6.687 7.850 7.312 12.430
/
+ $
01
3.22 A torre de destilação abaixo esquematizada foi projetada visando a produção dos hidrocarbonetos aromáticos benzeno e tolueno. A pressão de projeto é de 1 atm.
A carga da torre, cuja vazão é de 8.360 kg/h e composição de 60% mol de benzeno e 40% de tolueno, é introduzida na torre após ser pré-aquecida pelo resíduo e posteriormente por vapor d'água. A sua temperatura antes do pré-aquecimento é 80oC e na entrada da torre está no Ponto de Bolha. O vapor de topo (V1) sai da torre à 82
o
C e é totalmente condensado no condensador de topo, produzindo líquido no ponto de bolha. A razão de refluxo de projeto é 1:1.
O líquido proveniente do último estágio (LN) sai da torre à 108 o
C e é vaporizado parcialmente no refervedor cuja temperatura de equilíbrio é 109oC.
Calcule:
1) vazões molares das correntes D, B, R, V1, LN e Vn+1;
2) carga térmica do condensador de topo; 3) carga térmica do refervedor;
4) carga térmica fornecida pelo vapor d'água. 5) Número de Estágios.
DADOS DE ENTALPIA:
referência: líquido saturado a -200oF
ToC LÍQUIDO VAPOR LÍQUIDO VAPOR
80 141 136
82 144 312 138 304
108 163 160
109 167 328 162 322
3.23 Uma torre fracionadora deve ser projetada para separar uma mistura de 100 bmols/h de benzeno/tolueno, cuja composição é de 60 mol% em benzeno, à pressão de 1 atmosfera.
A temperatura da carga e seu estado térmico são tais que a vazão molar de líquido na seção de enriquecimento é igual a da seção de esgota- mento.
O vapor de topo da torre fracionadora está a temperatura de 84,2oC, sendo parcialmente condensado no condensador de topo, mantendo-se o tambor de topo a temperatura de 82,2oC. O produto de topo é retirado na forma vapor.
O produto de fundo da torre não deve conter mais do que 6% do benzeno que entra na carga da torre.
A carga é introduzida no prato ótimo e a eficiência global da torre é de 70%.
Calcular:
a) a razão de refluxo da torre Lo/G;
b) o número de pratos reais para se obter a separação desejada;
c) a localização do prato de carga;
d) a relação (RRoperacional/RRmínimo);
e) a relação (Número de estágios reais/número de estágios mínimo).
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5
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789 : *9; :
Relação vazões molares =
RRoperação = 2,5 RRmin.
Eficiência dos pratos da torre = 70%
Calcular:
a) número de estágios reais; b) vazões dos produtos da torre.
3.25 A carga de uma torre contém 30% em mol de n-hexano e 0,70 em mol de n-octano. O destilado deve conter 96% em mol de n-hexano e o resíduo 10% em mol.
O refluxo externo é líquido saturado e a razão de refluxo é 3,0. Tanto o condensador como o refervedor são totais.
A vazão de água de resfriamento no condensador é de 20.000 b/h e a água entra no condensador a 104oF e sai a 140oC.
O calor de condensação médio é de 6.500 BTU/ b mol.
Sabendo-se que a carga é introduzida no prato ótimo e é líquido saturado determinar: a) as vazões de produtos em b/hora;
b) o número de pratos ideais para se efetuar a separação desejada.
3.26 Uma torre fracionadora deve ser projetada para separar a mistura etano-propano na pressão de 19 atm. absoluta.
A carga é disponível na vazão de 1.000 kgmol/h e contém 45 mol% de etano na temperatura de 26oC.
O condensador é total e o destilado está no ponto de bolha na temperatura do tambor de topo, que é igual à -6,0oC. A vazão de refluxo é 1,5 vezes a vazão de carga.
O destilado contém 95% do etano que entra na carga e o resíduo 94,5 % do propano que entra na carga.
Calcular a vazão de destilado e resíduo e o número de estágios ideais necessários para a separação.
Localizar também o número da bandeja onde a carga é introduzida.
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6
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Sistema etano-propano
Composições em frações molares
Razão de refluxo = 1,4 x RRmínimo
Eficiência Global
Calcular:
a) número total de estágios reais; b) número mínimo de estágios ideais; c) recuperação de etano no destilado.
3.28 Deseja-se separar 1.000 kgmols/h de uma mistura etano-propano, a 19 atmosferas, contendo 60% em mol de etano, em uma torre fracionadora.
A carga inicialmente a 0oC, é aquecida, antes de entrar na torre, pelo resíduo (B) e é introduzida na torre em seu prato ótimo.
Pelo tambor de topo desta torre retirase um produto na forma vapor (G) à temperatura de -6oC. A razão de refluxo operacional é de 2,0 vezes a razão de refluxo mínima.
A carga é introduzida na torre em um estado físico, tal que a vazão molar de vapor ao longo das duas seções da torre permaneça constante.
No resíduo não se tem mais que 3% do etano que entra na torre. Determinar:
a) as vazões mássicas dos produtos G e B; b) a temperatura do topo da torre;
c) o número de pratos ideais para se efetuar a separação, sabendo-se que o refervedor é parcial;
d) a temperatura do resíduo para armazenamento.
DADOS DE ENTALPIA BTU/ bmol
ETANO PROPANO
ToC LÍQUIDO VAPOR LÍQUIDO VAPOR
-10 3.990 8.250 5.060 12.320
0 4.410 8.250 5.500 12.540
20 5.479 8.040 6.555 12.994 30 5.980 8.450 6.980 13.300 40 6.481 8.500 7.400 13.600 50 6.980 8.540 7.810 13.900
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3.29 Uma torre de destilação, com 1 condensador parcial e 1 refervedor parcial,deve ser projetada para separar uma mistura etano-propano na pressão de 19 atm.
Esta contém 55 mol% de etano e um vazão total de 200 kgmol/h, estando no ponto de bolha nas condições de entrada na torre.
A razão de refluxo a ser usada deverá ser 2,0 vezes a razão de refluxo mínima.
O produto destilado (vapor) deve conter 98% do etano que entra na carga e o resíduo (ou produto de fundo) deve conter 95% do propano que entra na carga. Calcular:
a) as vazões mássicas dos produtos em kg/h;
b) as vazões molares do líquido e do vapor nos duas seções da torre; c) o número de estágios de equilíbrio necessários para a separação desejada; d) as temperaturas de equilíbrio do condensador e do refervedor;
e) a carga térmica do condensador de topo em MMkcal/h.
DADOS DE ENTALPIA BTU/ bmol
ETANO PROPANO
ToC LÍQUIDO VAPOR LÍQUIDO VAPOR
-10 3.990 8.280 5.060 12.320
0 4.410 8.250 5.500 12.540
10 4.860 8.220 6.030 12.760
3.30 Uma torre fracionadora deve ser projetada para separar a mistura etano-propano na pressão de 19 atm.
As condições da carga são: composição = 50% mol de etano e tempe- ratura = 20oC.
A vazão de etano no resíduo não deve ser maior que 6% da vazão de etano que entra na carga. Considerando uma eficiência global de 70%, calcular o número de pratos reais necessários para se conseguir a separação e em que o prato que deve ser introduzida a carga.
3.31 Um torre de fracionamento com um condensador parcial e um refervedor parcial, deve ser projetada para separar mistura etano-propano com três produtos: 1destilador vapor, 1 produto intermediário e um resíduo.
A vazão de carga é de 1.000 kgmol/h contendo 60 mol% em etano e está 34oC nas condições do prato de carga.
Os produtos deverão conter: destilado gasoso: 96% em mol de etano; retirada lateral: 60% mol de etano; resíduo: 2% em mol de etano.
Sabendo-se que a relação entre as vazões molares de destilado e de resíduo seja de 1:2, que a razão de refluxo seja igual a 4, calcular:
a) número de estágios reais considerando localização ótima da carga e eficiência global de 60%;
b) a temperatura do topo da torre;
c) a temperatura do prato de retirada lateral.
+
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3.32 - Uma torre é alimentada com 150 b moles/h de uma mistura contendo 60% de propano e 40% de butano. A pressão de operaçãp é 250 psia. Dela são retiradas:
- 40 b mol/h de um destilado contendp 97,5% de propano;
- 60 b mol/h de um produto lateral contendo 80% de propano retirado como líquido de 3o prato real.
Nas condições do prato de alimentação 40% da carga é vaporizada. O refluxo volta à torre sub-resfiado de 20oF. A eficiência global dos pratos é 0,667 e a introduzida no ponto ótimo. Todas as percentagens são molares. Pedem-se:
a) o número de pratos reais; b) a razão de refluxo (Lo/D);
c) a carga térmica do refervedor.
A carga é líquido saturado, nas condições do prato de alimentação. Calcule as vazões de refluxo de destilado e a composição do resíduo. Todas as percentagens são em base molar.
3.34 - Deve-se projetar uma coluna para separar uma mistura de benzeno-tolueno a 1 atm. A carga contém 50% de benzeno e está em seu ponto de bolha, após sua introdução na torre. O destilado e o resíduo deverão conter, respectivamente, 90% e 10% de benzeno. Se a razão de refluxo interno (L/V) é 0,6, poderia ser a carga introduzida no 11o prato, contado a partir do topo? Qual é o estágio mais alto da torre que ainda pode ser usado como prato de carga? O condensador é total e as frações dadas molares.
3.35 - Uma coluna de destilação atmosférica deverá separar 2,2,4 tri-metilpentano (iso-octano) de octano normal. A carga provém de duas unidades diferentes e é aconselhável a introdução em pontos separados da torre. A primeira parte da carga contém 60% de iso-octano, sua vazão é de 500 moles/h e atinge a temperatura de 220oF após sua introdução no prato. A vazão da outra corrente, que contém 70% de iso-octano, é de 300 moles/h e a percentagem vaporizada, nas condições do prato, deverá ser de 20%. A carga térmica do condensador é tal que o refluxo volta à coluna sub-resfriada de 10oF. A vazão de refluxo externo é 30% acima da mínima para a separação. A eficiência dos pratos é estimada em 80%. Deseja-se um destilado com pureza de 98% e que a recuperação de iso-octano seja 99%. Determine:
a) pratos de carga, supondo localização ótima;
b) número de pratos em cada secção; temperatura lida por um termopar instalado no 15o prato real. Os dados de equilíbrio do sistema estão tabelados abaixo. O iso-octano é o componente mais volátil.
x y toC x y t(oC) x y t(oC)
0,051 0,105 124,0 0,360 0,535 116,0 0,658 0,810 108,2 0,107 0,197 123,0 0,392 0,575 - 0,698 0,835 - 0,160 0,290 121,0 0,424 0,610 - 0,739 0,854 106,0 0,208 0,356 119,8 0,464 0,650 113,4 0,788 0,890 105,0 0,248 0,409 118,9 0,488 0,675 - 0,835 0,915 103,5 0,281 0,450 118,3 0,560 0,735 110,7 0,892 0,945 101,9 0,321 0,500 117,0 0,588 0,755 - 0,933 0,969 100,0
70,00 80,00 90,00 100,00 110,00 120,00
F r a ç ã o M o l a r d e B e n z e n o na fase líquida (x) e na fase vapor (y) Te
m pe rat ur a, C
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Diagrama T-x-y do Sistema Etano-Propano a 19 atm
-20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
Fração molar de etano
T
em
p
er
at
u
ra
C
el
si
u
5
0,8
1
$; 1 - % ; :A * 3 3 78 9 :
$; BC - % ; :A * 3 3 ;
Método de Ponchon-Savarit
3.36 Resolver o exercício 3.21 pelo método de Ponchon-Savarit.
3.37 Idem para o exercício 3.24 e 3.38
3.38 Quais são as admissões dos métodos de Ponchon-Savarit e de McCabe-Thiele para análise de uma torre de fracionamento. Comparar os métodos entre si? Como pode-se determinar a razão de refluxo mínima pelo método de Ponchon-Savarit?
DESTILAÇÃO MULTICOMPONENTE
3.39 A carga de uma fracionadora, cuja composição é mostrada abaixo. Deseja-se retirar pelo fundo um produto, cuja pressão de vapor limite a presença de butano no mesmo. Selecionar os componentes chaves.
C2 C3 iC4 nC4 iC5 nC5 C6
% molar 0,3 31,7 11,7 25,0 3,8 4,3 23,2
3.40 Uma mistura de 33 mol % de hexano, 33 mol % de heptano e 34 mol % de n-octano a 1 atm está 60% vaporizada. Deseja-se produzir um destilado contendo 1 mol% de n-heptano e um resíduo contendo 1 mol% de n-hexano. Calcular o número mínimo de estágios e a composição dos produtos.
3.41 Uma deetanizadora tem como carga o seguinte produto:
componente C2 C3 iC4 nC4 iC5
mols/h 40,7 45,1 5,3 6,2 2,7
A torre irá operar com um condensador parcial (por refrigeração) retirando etano como gás a -4,4oC. Deseja-se que a relação entre as quantidades em mols de componentes chaves-leve no topo e no fundo seja de 99 e entre a de chave-pesado no fundo e no topo seja de 54. Determinar a pressão da torre, estimar o número de estágios a composição dos produtos, a razão de refluxo mínima e o número de estágios necessário se R = 1,25 R∞.
3.42Uma torre deproparizadora tem o seguinte produto como carga:
componente C2 C3 iC4 nC4 iC5 nC5 C6 C7
mols/h 11,1 445,3 78,4 181,3 25,7 230 15,3 12,7
Obs.: C7 +
PM = 119 Para o + usar K do C8
Deseja-se recuperar 98,1% do propano e 8,0% do iC4 no destilado. Estando o refluxo no
ponto de bolha a 110oF, estabelecer a pressão da torre, o número mínimo de estágios para esta separação, a razão de refluxo mínima, o número de estágios necessários, se R = 1,3 R∞ e a localização do prato de carga.
3.43 Determinar o número mínimo de estágios da torre debutanizadora que trabalha com a seguinte carga e pressão de 200 psig.
componente C2 C3 iC4 nC4 iC5 nC5 C6
