O documento descreve os principais conceitos e métodos para análise de destilação, incluindo: (1) componentes básicos de uma coluna de destilação, (2) objetivo da destilação, (3) método de McCabe-Thiele para determinar número de estágios, (4) equações que representam linhas de operação e (5) influência da condição da alimentação.
2. Destilação
Uma coluna de destilação consiste basicamente em:
• Coluna propriamente dita, com a finalidade de promover o contato entre as fases
líquido e vapor;
• Um condensador total para produzir um refluxo e um destilado líquido.
• Um refervedor parcial para produzir uma corrente de vapor na base da coluna.
• Um estágio intermediário de alimentação.
O objetivo da destilação:
Produzir um destilado rico no componente
leve e um produto de fundo rico no
componente mais pesado.
3. Destilação
F Vazão de alimentação
zF composição molar da alimentação
P Pressão de operação da coluna (admita uniforme na coluna)
Condição de fase da alimentação
Dados de equilíbrio líquido-vapor
Tipo de condensador (total ou parcial)
xD Composição molar do destilado
xB Composição molar do produto de base
R/Rmin Relação do refluxo com o refluxo mínimo
Geralmente, em uma separação por destilação conhecemos:
4. Destilação
D Vazão de destilado
B Vazão de produto de base
Nmin Número mínimo de estágios de equilíbrio
Rmin Razão de refluxo mínimo
R Razão de refluxo
Razão de ebulição
N Número de estágios de equilíbrio
Localização ótima do estágio de alimentação
Composições de líquido e vapor em cada estágio
Geralmente, precisamos obter as seguintes informações:
5. Método de McCabe-Thiele
Método gráfico empregado para a determinação do número de estágios teóricos
requeridos para promover a separação de uma dada mistura binária.
Balanço de massa em um estágio de equilíbrio
Global:
Por componente:
nnnn LVLV 11
nnnnnnnn xLyVxLyV 1111
As composições e estão em equilíbrio a (temperatura no prato n).ny nx nT
7. Método de McCabe-Thiele
Coluna de destilação
Balanço Global:
Para o componente leve:
BDF
BDF BxDxFz
F, zF
D, xD
B, xB
8. Método de McCabe-Thiele
Seção de retificação: Seção da coluna localizada acima do prato de alimentação.
Balanço global:
DLV nn 1
Balanço por componente:
Dnnnn DxxLyV 11
9. Método de McCabe-Thiele
Resolvendo para
DLV nn 1
Dnnnn DxxLyV 11
1ny
D
n
n
n
n
n x
V
D
x
V
L
y
11
1
Como
D
n
n
n
n
n x
DL
D
x
DL
L
y
1 D
n
n
n
n
n x
DL
x
DL
DL
y
1/
1
1/
/
1
Dnn x
R
x
R
R
y
1
1
1
1
Onde R representa a razão de refluxo
D
Ln
Linha de operação para a seção
de retificação
10. Método de McCabe-Thiele
Dnn x
R
x
R
R
y
1
1
1
1
- Sendo a razão de refluxo R constante, esta equação representa uma reta no
diagrama yx, conhecida como reta de operação da seção de retificação.
Condição de fluxo molar constante: Ln = Ln-1 = L e Vn = Vn+1 = V
•Os dois componentes têm entalpias de vaporização praticamente iguais, de
forma que cada mol de componente mais volátil que condensa na fase vapor
fornece a energia necessária para vaporizar 1 mol do componente mais volátil na
fase líquida.
•Efeitos de entalpia de mistura e de transferência de calor sensível entre as fases
são desprezados.
•A coluna é bem isolada de modo que a perda de calor é desprezível.
•A pressão na coluna é uniforme
11. Método de McCabe-Thiele
Dnn x
R
x
R
R
y
1
1
1
1
- Esta reta intercepta a linha x=y no ponto x = xD
- A inclinação desta reta é dada por R/(R+1) ou Ln/Vn+1
- Esta reta intercepta o eixo y (x = 0) no ponto xD/(R+1)
13. Método de McCabe-Thiele
Seção de esgotamento: Seção da coluna localizada abaixo do prato de alimentação.
Balanço global:
BVL mm 1
Balanço por componente:
Bmmmm BxyVxL 11
14. Método de McCabe-Thiele
Resolvendo para 1my
B
m
m
m
m
m x
V
B
x
V
L
y
11
1
Bmmmm BxyVxL 11
- Assumindo-se fluxo molar constante no interior da coluna, esta equação
representa uma reta no diagrama yx, conhecida como reta de operação da
seção de esgotamento.
- Esta reta intercepta a linha x=y no ponto x = xB
- A inclinação desta reta é dada por
- Esta reta intercepta o eixo y (x = 0) no ponto
1m
m
V
L
B
m
x
V
B
1
17. Método de McCabe-Thiele
Influência da condição da alimentação na coluna: análise geral
A condição da alimentação que entra na coluna determina a relação entre os fluxos
molares de vapor e líquido nas seções de retificação e esgotamento.
F
L
V V
VL F L
Líquido sub-resfriado
F
L
V
V V
L F L
Líquido no Ponto de Bolha
F
L
V
V VF V
L L LF
Parcialmente Vaporizado
18. Método de McCabe-Thiele
Influência da condição da alimentação na coluna: Análise geral
F
L
V
V F V
L L
Vapor no Ponto de Orvalho
F
L
V
V F V
L L
Vapor Superaquecido
19. Método de McCabe-Thiele
A “equação da linha-q”: Equação de reta que define o ponto de interseção entre as
linhas de operação das seções de retificação e esgotamento.
Do balanço de massa para um componente nas seções de retificação e
esgotamento temos as seguintes relações:
Bmm BxxLyV 1
Dnnn DxxLVy 1(R)
(E)
BBxxLyV
DDxLxVy (I)
(II)
Fazendo (I) – (II):
BD BxDxLLxVVy )()(
Como (balanço para um componente na coluna): BDF BxDxFz
Ficamos com a seguinte relação: FFzLLxVVy )()( (III)
20. Método de McCabe-Thiele
Aplicando um balanço global no prato de alimentação da coluna:
)1(1
q
z
x
q
q
y F
Equação da linha q
FFzLLxVVy )()( (III)
L
L
V
V
F
VLVLF
)()( LLFVV (IV)
Combinando (III) com (IV) obtemos:
Onde:
F
LL
q
21. Método de McCabe-Thiele
)1(1
q
z
x
q
q
y F
- Esta reta intercepta a linha x=y no ponto x = zF
- A inclinação desta reta é dada por e define a interseção das linhas de
operação das seções de enriquecimento e esgotamento.
1q
q
F
LL
q
Representa o número de mols de líquido saturado produzido
no prato de alimentação por mol de alimentação introduzida na
coluna.
Observe que se a alimentação é uma mistura líquido-vapor q representa a fração
de líquido na alimentação
22. Método de McCabe-Thiele
F
LL
q
Combinando a equação acima com a equação (IV):
qFLL
Observe que:
-se q = 1, a alimentação consiste em líquido saturado;
-Se q = 0 a alimentação consiste em vapor saturado
FqVV )1(
V L
LV
25. Método de McCabe-Thiele
OBS: Visto que a magnitude de q está relacionada com as condições térmicas da
alimentação, q pode ser determinado por meio de um balanço de massa e energia
em torno do prato de alimentação.
L
L
V
V
F
VLVLF VHhLHVLhFh
VLVLF (BM)
(BE)
Assumindo que e que , combinando as equações acima
e substituindo o resultado na definição de q, temos a seguinte relação:
LL hh VV
HH
LV
FV
hH
hH
q
26. Método de McCabe-Thiele
LV
FV
hH
hH
q
- HV é a entalpia do vapor saturado;
- hF é a entalpia da alimentação nas condições de entrada na coluna;
- hL é a entalpia do líquido saturado.
Observe que o termo que aparece no denominador (HV – hL) corresponde ao calor
latente molar de vaporização da alimentação (λ);
O termo que aparece no numerador representa a quantidade de calor que deve
ser fornecida para vaporizar 1 mol da corrente de alimentação, podendo também
ser obtida pela relação abaixo:
)()()( FBpLFLLVFV TTchhhHhH
- cpL é o calor específico molar da alimentação líquida;
- TB e TF são respectivamente a temperatura do ponto de bolha da alimentação e
a temperatura da alimentação.
27. Método de McCabe-Thiele
Observe que o a relação anterior para o cálculo de q não se aplica para vapor
superaquecido. Neste caso a relação apresenta a seguinte forma:
)( OFpV TTc
q
- cpV é o calor específico molar da alimentação (vapor superaquecido);
- TO e TF são respectivamente a temperatura do ponto de orvalho da alimentação
e a temperatura da alimentação.