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Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente
Dimensionamento de Vaso Flash
Prof. Rodolfo RodriguesUniversidade Federal do Pampa
BA310 – Operações Unitárias IICurso de Engenharia Química
Campus Bagé
12 de novembro de 2019
Rodolfo Rodrigues Operações Unitárias II
Dimensionamento de Vaso Flash 1
Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente
Vaso Flash
Figura 1: Vasos separadores gás-líquido verticais.Fonte: Bothamley (2013b).
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Dimensionamento de Vaso Flash 2
Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente
Vaso Flash
Figura 2: Vaso separador trifásico horizontal.Fonte: NA Solid Petroserve Ltd. Calgary, Canadá (2016).
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Dimensionamento de Vaso Flash 3
Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente
Vaso Flash
(a) vaso vertical (b) vaso horizontal
Figura 3: Partes internas de vasos separadores líquido-vapor (a) vertical e (b) horizontal.Legenda: (I) carga, (OV) saída de vapor, (OL) saída de líquido, (1) e (2) seções primária esecundária de separação, (3) seção de separação do líquido, (4) demister e (5) quebradorde vórtice.
Fonte: KLM Tech Group (2011).
Rodolfo Rodrigues Operações Unitárias II
Dimensionamento de Vaso Flash 4
Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente
Vaso Flash
(a) vaso vertical (b) vaso horizontal
Figura 4: Partes internas de vasos separadores líquido-vapor (a) vertical e (b) horizontal.As principais partes são: tubo de alimentação, dispositivo de entrada, seção de separaçãode gás por gravidade, extrator de névoa (demister) e seção de separação de líquido porgravidade.
Fonte: Bothamley (2013b).
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Dimensionamento de Vaso Flash 5
Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente
Vaso Vertical
Rodolfo Rodrigues Operações Unitárias II
Dimensionamento de Vaso Flash 6
Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente
Vaso Flash Vertical
D
V
L
hV
h F
h L
F
Nívelmáximo
Figura 5: Dimensões de um vaso flash vertical. Legenda: hL = altura do volume de líquidode compensação, hF = altura do nível de líquido até a linha de carga, hV = altura da linhade carga até o demister.
Fonte: adaptado de Wankat (2012).
Rodolfo Rodrigues Operações Unitárias II
Dimensionamento de Vaso Flash 7
Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente
Vaso Flash Vertical
Dimensionamento
Roteiro de Wankat (2012)
1 Determinar as vazões, L e V , e as composições, xi e yi , dovapor e do líquido;
2 Calcular a velocidade admissível do vapor, uperm;
3 A partir de V e uperm obter a área da seção transversal Ac eapós, D;
4 Determinar h a partir de:Regra prática: 3 6 h/D 6 5; ouVolume de compensação de líquido requerido, Vsurge.
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Dimensionamento de Vaso Flash 8
Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente
Vaso Flash Vertical
Diâmetro do Vaso, D
Velocidade admissível do vapor, uperm:
uperm = Kdrum
√ρL − ρV
ρV(1)
onde:
Kdrum = (1 ft/s) exp[A + B(lnFLV) (2)
+ C(lnFLV)2 + D(lnFLV)
3
+ E(lnFLV)4]
FLV =WL
WV
√ρV
ρL(3)
sendo 0,1 < Kdrum < 0,35, W é a vazão mássica das fases.
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Dimensionamento de Vaso Flash 9
Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente
Vaso Flash Vertical
Diâmetro do Vaso, D
Os parâmetros são:
A = −1,8774780970 B = −0,8145804597C = −0,1870744085 D = −0,0145228667E = −0,0010148518
Obtém-se D a partir da área transversal, Ac :
Ac =V ·MwV
uperm ·ρV(4)
D =
√4Ac
π(5)
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Dimensionamento de Vaso Flash 10
Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente
Vaso Flash Vertical
Altura do Vaso, htotal
1 Regra prática:
3 6htotal
D6 5 (6)
2 Volume de compensação de líquido, Vsurge:
hV = 36” + 0,5dF (7)
hF = 12” + 0,5dF (8)
onde hV > 48” e hF > 18”.
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Dimensionamento de Vaso Flash 11
Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente
Vaso Flash Vertical
Altura do Vaso, htotal
2 Volume de compensação de líquido, Vsurge:
hL =Vsurge
πD2/4(9)
htotal = hV + hF + hL (10)
como regra prática adotar tres = 5 min. Assim:
Vsurge = (WL/ρL)·tres (11)
Por fim,Se htotal/D < 3, um volume de compensação de líquido, Vsurge,maior é requerido;Se htotal/D > 5, um vaso horizontal deve ser utilizado.
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Dimensionamento de Vaso Flash 12
Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente
Propriedades da Fase Vapor
Massa específica (assumindo um gás ideal):
ρV =p
RTMwV (12)
Massa molar média:
MwV =C∑
i=1
yi ·Mwi (13)
onde C é o número de espécies químicas.
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Dimensionamento de Vaso Flash 13
Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente
Propriedades da Fase Líquida
Massa específica (da mistura líquida):
ρL =MwL
VL(14)
Massa molar média:
MwL =C∑
i=1
xi ·Mwi (15)
Volume específico médio (assumindo mistura ideal):
VL =C∑
i=1
xi ·V i =C∑
i=1
xi ·Mwi
ρL ,ionde ρL ,i = f(T) (16)
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Dimensionamento de Vaso Flash 14
Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente
Flash Isotérmico Multicomponente
Equação de Rachford-Rice:
C∑i=1
zi ·(Ki − 1)1 + (Ki − 1)·f
= 0 (17)
Razão de equilíbrio (se válidas as leis de Raoult e Dalton):
Ki =psat
i
ponde psat
i = f(T) (18)
Frações molares dos produtos:
xi =zi
1 + (Ki − 1)·f(19)
yi = Ki ·xi (20)
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Dimensionamento de Vaso Flash 15
Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente
Consulta de Valores de Propriedades
Massa molar:Tabela periódicaMassa específica de líquidos puros:• Sec. 3.1 Density of liquids de Coker (2007);• Tab. 2-32 Densities of inorganic and organic liquidsde Perry, Green e Maloney (2008).
Pressão de saturação:• Sec. 3.9 Vapor Pressure de Coker (2007);• Tab. 2-8 Vapor pressure of inorganic and organic liquidsde Perry, Green e Maloney (2008).
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Dimensionamento de Vaso Flash 16
Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente
Vaso Horizontal
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Dimensionamento de Vaso Flash 17
Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente
Vaso Flash Horizontal
Vasos horizontais são usados para grandes vazões;
Uma área de separação adicional é formada ao fazer acoluna “larga” como em vasos horizontais;
Vasos horizontais são mais baratos que os verticais;
Vasos horizontais são particularmente úteis quando sãonecessárias grandes capacidades de líquido decompensação.
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Dimensionamento de Vaso Flash 18
Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente
Vaso Flash Horizontal
Dimensionamento
1 Escolher h/D entre 3 e 5.
2 Determinar uperm pela equação 2 sendo:
Khorizontal = 1,25 · Kvertical (21)
3 Calcular D:
D =
√V ·MwV
uperm ·ρV ·(h/D)(22)
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Dimensionamento de Vaso Flash 19
Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente
Vaso Flash Horizontal
Dimensionamento
3 Calcular D:Para um gás ideal, tem-se:
D =
√V ·R ·T
uperm ·p ·(h/D)(23)
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Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente
Vaso Existente
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Dimensionamento de Vaso Flash 21
Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente
Vaso Flash Existente
Dimensionamento
Para este caso, h e D já estão definidos para o vaso.
Para um dado vaso é determinada a quantidade máximaadmitida de vapor, Vmax:
Vmax =πD2 ·uperm ·ρV
4MwV(24)
A capacidade máxima de vapor limita o produto da fraçãovaporizada, V/F , pela carga, F :
(V/F)F < Vmax (25)
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Dimensionamento de Vaso Flash 22
Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente
Vaso Flash Existente
Dimensionamento
Se a equação 25 é satisfeita então o uso do vaso é direto,caso contrário, algo deve ser feito:
1 Adicionar divisas ou um demister para aumentar Vmax oudiminuir o arraste;
2 Reduzir a carga, F , no vaso;3 Reduzir V/F . Menos vapor com mais do componente mais
volátil será produzido;4 Usar vasos em paralelo. Isto reduz a carga para cada vaso;5 Usar vasos em série;6 Tentar aumentar a pressão;7 Usar alguma combinação dessas alternativas.
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Dimensionamento de Vaso Flash 23
Vaso Vertical Vaso Horizontal Vaso Existente
Variáveis Típicas para Vaso
Tabela 1: Variáveis mínima e máxima para projeto de vasos.
Configuração Variável Valor máximo Valor mínimo
Vaso Horizontal Pressão (bar) 400 VácuoTemperatura (oC) 400 –200Comprimento (m) 10 2Diâmetro (m) 2 0,3L/D 5 2
Vaso Vertical Pressão (bar) 400 400Temperatura (oC) 400 –200Altura (m) 10 2Diâmetro (m) 2 0,3L/D 5 2
Fonte: Coker (2007).
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Dimensionamento de Vaso Flash 24
Referências
BOTHAMLEY, M. Gas/liquid separators: Quantifyingseparation performance—Part 1. Projects SystemsTechnologies: Oil and Gas Facilities, v. 2, n. 4, 2013. URL
BOTHAMLEY, M. Gas/liquid separators: Quantifyingseparation performance—Part 2. Projects SystemsTechnologies: Oil and Gas Facilities, v. 2, n. 5, 2013. URL
COKER, A. K. Ludwig’s applied process design forchemical and petrochemical plants. 4. ed. [S. l.]: GulfProfessional Publishing, 2007, 1024 p. v. 1. URL
Chapter 0 - Rules of thumb: summaryChapter 3 - Physical properties of liquids and gasesAppendix C - Physical properties of liquids and gases
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Dimensionamento de Vaso Flash 25
Referências
KLM TECH GROUP. Process design of gas (vapor)-liquidseparators (project standards and specifications). JohorBahru, Malásia: KLM Technology Group, 2011. URL
PERRY, R. H.; GREEN, D. W.; MALONEY, J. O. Perry’schemical engineer’s handbook. 8. ed. New York:McGraw-Hill, 2008.
Section 2 - Physical and chemical data
WANKAT, P. C. Flash distillation. Size calculation. In:________. (org.). Separation process engineering includesmass transfer analysis. 3. ed. Upper Saddle River: Pearson,2012, p. 48-54.
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