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INTRODUÇÃO À SEPARAÇÃO MULTICOMPONENTES

A grande maioria dos processos de separação não está limitada a apenas dois componentes e, desta forma, os sistemas de separação trabalham com misturas multicomponentes.

É feito tratamento conceitual feito com base termodinâmica igual ao de misturas binárias, onde os cálculos implicam em equações com muitas variáveis para serem resolvidas analítica ou graficamente.

Assim, a solução rigorosa de sistemas multicomponentes exige métodos computacionais. De toda a forma, são necessários cálculos preliminares, suficientemente precisos para estimativas de custos e as entradas de dados para os métodos computacionais.

ESPECIFICAÇÃO DA SEPARAÇÃO - COMPONENTES CHAVES

A especificação para o cálculo de uma separação multicomponente requer que duas e só duas composições sejam definidas.

Usualmente, define-se estas composições em relação a componentes ditos chaves - LEVE e PESADO – os quais são adjacentes em termos de volatilidade.

O componente dito CHAVE-LEVE é aquele cuja composição deseja-se controlar em um valor MÍNIMO no produto de FUNDO. O CHAVE-PESADO é aquele cuja composição deseja-se controlar em um valor MÍNIMO no produto de TOPO da torre.

Ambos componentes aparecem em quantidades finitas nos produtos da torre e são considerados distribuídos entre estes produtos.

Considera-se que os componentes NÃO-CHAVES aparecem

MÉTODO APROXIMADO DE FENSKE-UNDERWOOD-GILLILAND-KIRKBRIDE FUGK

PREMISSAS E CÁLCULOS PRELIMINARES

O método de Fenske-Underwood-Gilliland-Kirkbride (FUGK) é um método aproximado de projeto de uma coluna de destilação multicomponente, para se obter uma primeira estimativa do número de estágios de equilíbrio (N), da localização da alimentação (NF) e das condições limite de operação: razão de refluxo mínima (Rmin) e número mínimo de estágios (Nmin).

Este método pressupõe volatilidades relativas constantes ao longo da coluna e refluxos internos molares de vapor e líquido constantes em cada uma das seções da coluna (seção de retificação e de esgotamento).

MÉTODO APROXIMADO DE FUGK

PREMISSAS E CÁLCULOS PRELIMINARES

Parâmetros de entrada: pressão de operação (P), vazão molar da alimentação (F), composição molar da alimentação (xF, com nc frações molares), condição térmica da alimentação (q, definido abaixo), frações de recuperação desejadas do LK (chave leve) no destilado e do HK (chave pesado) no resíduo (recLK e recHK), razão kk = R/Rmin (razão entre a razão de refluxo operacional e a razão de refluxo mínima).

Calcular a primeira aproximação da composição do destilado (xD) e do resíduo (xB), tendo em conta as recuperações dos componentes chaves e formulando hipóteses razoáveis para a distribuição dos componentes não-chaves pelo destilado (D) e pelo resíduo (B).

Calcular a primeira aproximação da temperatura de saturação do destilado

(TD) e do resíduo (TB) e das volatilidades relativas nessas condições (α_i,D e

α

MÉTODO APROXIMADO DE FUGK

Calcular as volatilidades relativas médias para as condições da

coluna (por exemplo a média geométrica entre as condições do

destilado e do resíduo):

Calcular o número mínimo de estágios, pela equação de Fenske:

MÉTODO APROXIMADO DE FUGK

Recalcular as composições do destilado e resíduo, aplicando a equação de Fenske aos componentes não-chaves:

Recalcular as temperaturas do destilado e do resíduo e as volatilidades relativas nessas condições.

Caso não convirja, recalcular as volatilidades relativas médias até que haja convergência nas temperaturas do destilado e do resíduo ou das volatilidades.

Calcular a razão de refluxo mínima, pelas equações de Underwood, a primeira equação é resolvida em relação ao parâmetro Θ, compreendido entre α_HK,m (=1) e α_LK,m.

MÉTODO APROXIMADO DE FUGK

O parâmetro q é definido como: q = H1/ H2, onde H1 é a diferença de entalpia entre a alimentação no estado de vapor saturado e a alimentação em seu estado e H2 é a entalpia molar de vaporização da alimentação. Para misturas onde a entalpia molar de vaporização é mais ou menos constante, q coincide com a relação de vazão (vazão molar de liquido saturado adicional produzido no estágio de alimentação)/(vazão molar de alimentação). Os valores de q para as diferentes condições térmicas da alimentação são:

q = 1, líquido saturado; q = 0, vapor saturado;

0 < q < 1, mistura líquido mais vapor saturados; q > 1, vapor superaquecido;

q < 0, líquido subresfriado.

Uma vez conhecido Θ, a segunda equação de Underwood permite calcular a razão de

MÉTODO APROXIMADO DE FUGK

Calcular a razão de refluxo de operação: R = kk×Rmin.

MÉTODO APROXIMADO DE FUGK

Calcular o estágio de alimentação pela equação de Kirkbride:

onde:

- Nret e Nesg são respectivamente o número de estágioes na zona de

retificação e de esgotamento;

- B e D respectivamente os vazões molares do resíduo e do

destilado.

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*

* +

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V

A razão de refluxo mínima e o número de estágios mínimo

podem ser usados para calcular o número de estágios e a razão de refluxo necessários a separação desejada.

Trata-se de uma correlação gráfica onde se lança os valores de : 1 ) 1 ( + − + − RR RR RR versus N N

N _{Min Min}

Para refluxo total N=N_Min e a ordenada reduz-se a zero abscissa a um.

Por outro lado a R_Min N torna-se infinito e a ordenada e a abscissa reduzem-se a um e a zero. 1.0 0.7 0.4 0.5 0.2 0.3 0.1 0.07 0.04 0.05

0.02 0.05 0.1 0 .2 0.5 1.0

RAZÃO REFLUXO (RR - RRM in )/ (RR+ 1)

Conceitos

Conceitos

B

B

á

á

sicos

sicos

de

de

Engenharia

Engenharia

Qu

Qu

í

í

mica

mica

Conceitos

Conceitos

B

B

á

á

sicos

sicos

de

de

Engenharia

Engenharia

Qu

Qu

í

í

mica

mica

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%

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Compone nte

Composição

Carga Vazão de carga

Composi ção Destilado Vazão de Destilado Vazão de Resíduo Composi ção Resíduo K Volati-lidade K Volati-lidade K Volati-lidade C6 0,33 33 0,99 32,3 0,7 0,01 2,07 2,156 2,75 2,500 2,23 2,208 C7 0,37 37 0,01 0,3 36,7 0,54 0,96 1,000 1,1 1,000 1,01 1,0 C8 0,3 30 0 0 30,0 0,45 0,462 0,481 0,462 0,420 0,462 0,5

100 32,7 67,3

F= D+B

Fz_c6=Dx_DC6+Bx_BC6= 100*0,33=0,99*D+(100-D)*0,01 D= 32,7 32,7 kmol/h B= 67,3 67,3 kmol/h

45,9/4,5=2,01Nm 7,6/32,2

T topo e fundo Nm= 9,20 estágios T topo, carga e fundo Nm= 9,41 estágios Dxi,D= T carga Nm= 9,85 estágios

xDC8= 0

Cheque da admissão de noctano só no

destilado

Usar N min e calcular composição do noctano no destilado e usar Composições

e Volatilidades do nheptano e noctano

Temperatura da carga = 105C Temperatura do topo

= 75C

Temperatura do fundo = 115C

(

) (

)

[

]

ln

/

ln

x

x

x

x

N

α

=

[

(

) (

)

]

19

,

2

ln

446

,

0

/

544

,

0

01

,

0

ln

4

,

!& + - ! $ + - ' +9 = ' A $ +, ) $ +&C ! A 4 7 V L V F

V

V

V

=

+

F

L

L

L

=

−

Para refluxo mínimo, o número de estágios sendo infinito, considerando as equações de balanço

material e de equilíbrio, pode-se chegar as seguintes equações para um sistema de n componentes:

∑

=

−

Φ

=

−

i

z

I

1

1

α

α

∑

=

−

Φ

=

+

=

x

RR

D

V

1

α

α