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UNIVERSIDADE DO SUL DE SANTA CATARINA – UNISUL

UNIDADE ACADÊMICA DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – UNITEC

CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA

DISCIPLINA DE OPERAÇÕES UNITÁRIAS II – OITAVO SEMESTRE

PROFESSOR: MS. CESAR RENATO ALVES DA ROSA

ACADÊMICO: CAMILA MAGAGNIN

DIEGO BITTENCOURT MACHADO

KARINA DE CAMPOS

LEANDRA MARCON SANDRINI

TANNY OLIVEIRA

PROJETO DE UMA UNIDADE DE DESTILAÇÃO

Objetivo – Projetar uma unidade de destilação, que atenda:

Separar uma mistura de benzeno e p-dioxano, contendo 50% de cada composto (base

molar);

Pressão do sistema de destilação igual a 760 mmHg;

Alimentação é uma mistura de 40% molar vapor e 60% molar líquido;

A unidade deve recuperar 97% do benzeno e o teor do mesmo no destilado de topo de ser de

98,5%, para uma produção de 200 Kgmol/h de destilado.

ESPECIFICAÇÃO DO PROJETO

Construção da Curva de Equilíbrio (CE)

Através da constante de Antoine das substâncias em questão consegue-

se determinar a volatilidade relativa.

(Equação de Antoine)

PiSat [Kpa]; T [ºC]

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Tabela 1 – Constante de Antoine

Parâmetros da equação de Antoine

Composto A B C

benzeno 13,8594 2773,78 220,07

p-dioxano 14,1177 2966,88 210,00

FONTE: do professor.

Através dos valores acima citado, determina-se a temperatura de

saturação a 760 mmHg (1 atm), sendo de 80,088ºC e 102,324ºC, para o benzeno e

para o p-dioxano, respectivamente. E com esses construiu-se uma tabela para

determinar o valor da volatilidade relativa:

Tabela 2 – Determinação da volatilidade relativa.

Temperatura (ºC)

PbenzSat Pp-diox

Sat α (Pbenz

Sat/ Pp-dioxSat)

80,088 101,325 48,91983 2,071247

81 104,2015 50,51327 2,062854

82 107,4286 52,30814 2,053764

83 110,7333 54,15388 2,04479

84 114,117 56,05153 2,03593

85 117,5808 58,00213 2,027182

86 121,1262 60,00673 2,018543

87 124,7542 62,06642 2,010012

88 128,4664 64,18226 2,001587

89 132,2638 66,35535 1,993266

90 136,148 68,58679 1,985047

91 140,1201 70,8777 1,976929

92 144,1816 73,22918 1,968909

93 148,3337 75,64239 1,960987

94 152,5778 78,11845 1,953159

95 156,9152 80,65853 1,945426

96 161,3473 83,26379 1,937785

97 165,8754 85,93539 1,930234

98 170,501 88,67453 1,922773

99 175,2253 91,4824 1,915399

100 180,0498 94,3602 1,908111

101 184,9758 97,30914 1,900908

102 190,0047 100,3304 1,893789

102,324 191,6563 101,3251 1,8915

Volatilidade Relativa Média 1,975422

3

Com a volatilidade relativa média determinada pode-se plotar a curva de

equilíbrio através da equação:

(Equação da curva de equilíbrio para sistemas

ideais ou para que seguem a lei de Raoult)

Logo:

Assim, pode-se plotar a curva de equilíbrio na Figura 1 (página 17) e

Figura 3 (página 19).

Construção da Linha de Alimentação

Após inserção da CE, fez-se a curva de auxílio (x=y), e iniciou-se a

construção da curva de alimentação, como a alimentação é realizada 60% molar de

líquido, sabe-se que q=0,6, então, tem-se:

(Equação da linha de alimentação)

Construção da Linha de Razão Mínima e de Enriquecimento

E a partir da linha de alimentação consegue-se determinar a razão

mínima:

4

(Equação da linha de enriquecimento

e razão de refluxo)

Quando x=0, y=0,3; logo: rmín=2,2833. E razão de refluxo igual a

rmín.2=4,5667, ficando a equação da linha de enriquecimento como:

Com isso pode-se realizar o balanço de massa para a razão mínima e

razão otimizada.

Balanço de Massa no Sistema para Razão Mínima

5

Balanço de Massa no Sistema para Razão Otimizada

Os outros valores se repetem.

Cálculo do Número de Pratos Teóricos Mínimo

Primeiro Passo – Montar diagrama X versus Y;

Segundo Passo – Traçar x=y (linha auxiliar);

Terceiro Passo – Traçar curva de equilíbrio (CE);

Quarto Passo – Traçar xB, xF, xD;

Onde xD e xF são 0,985 e 0,5, respectivamente; e xB pode ser

determinado através do balanço por espécie no sistema global:

Quinto Passo – Traçar linha de operação de alimentação;

Sexto Passo – Determinar o número de pratos, por “escalagem”.

6

NPT= Número de Pratos Teórico= 12-1= 11 pratos

Cálculo do Número de Pratos Teóricos

Primeiro Passo – Montar diagrama X versus Y;

Segundo Passo – Traçar x=y (linha auxiliar);

Terceiro Passo – Traçar curva de equilíbrio (CE);

Quarto Passo – Traçar xB, xF, xD;

Quinto Passo – Traçar linha de enriquecimento;

Sexto Passo – Traçar linha de operação de alimentação;

Sétimo Passo – Traçar linha de stripping, ou linha inferior;

Oitavo Passo – Determinar o número de pratos, por “escalagem”.

NPT= Número de Pratos Teórico= 17-1= 16 pratos

NOTA 1: Onde a alimentação fica entre o 7º e 8º prato, de baixo para

cima na coluna.

NOTA 2: Os gráficos para determinação do número de pratos estão em

anexo a este trabalho, Figura 1 e Figura 3, expostos nas páginas 17 e 19;

juntamente com o fluxograma do processo (Figura 2 e Figura 4), nas páginas

conseguintes aos respectivos gráficos, feito no Microsoft Visio.

7

NOTA 3: Os dados foram modelados e plotados nos programas Microsoft

Excel e Microcal Origin, respectivamente.

Determinação do Número de Pratos Reais

Fez-se a determinação do número de pratos reais através da correlação

empírica de O’Connell:

Onde α é a volatilidade relativa e µ é a viscosidade do elemento mais

leve, na temperatura média da coluna.

Tabela 3 – Viscosidade do Benzeno.

Temperatura (K) Viscosidade (Pa.s)

360 2,99.10-4

370 2,72.10-4

FONTE: PERRY; Thermodynamic Properties, Table 2-237 – Satured Benzene, 1999.

Realizando uma interpolação linear para o valor de 363,68 K (90,53ºC),

tem-se a viscosidade de 2,89.10-4 Pa.s, ou 0,289 cP. Logo:

8

O número de pratos reais é igual a 28 pratos (NPR=29-1).

CÁLCULO DAS UTILIDADES

Dados

Tabela 4 – Informações de Produtos Químicos.

Substância Número ONU Calor Latente de

Vaporização (cal.g-1)

Peso Molecular

(g.gmol-1)

benzeno 1114 94,1 78,11

p-dioxano 1165 98,6 88,11

FONTE: Sítio: CETESB; Ficha de Informação de Produto Químico, 2001.

Tabela 5 – Entalpia de vapor de água saturado.

Pressão (bar) Entalpia de Condensação

(KJ/Kg)

Entalpia de Vaporização

(KJ/Kg)

7,333 705,3 2764

9,319 749,2 2773

FONTE: PERRY; Thermodynamic Properties, Table 2-307 – Satured Water Substance, 1999.

Condensador

Energia necessária para condensar o vapor destilado – Balanço de Energia

Onde, a energia cinética e potencial são dispensadas por considerar a

velocidade de entrada igual a velocidade de saída, no condensador, e estarem no

mesmo nível. Como não há perdas de energia em geração de trabalho, este também

é nulo.

9

Onde i é a espécie envolvida.

Essa energia será recebida da água, (NOTA: Considerações do autor)

que entra no condensador a 25ºC e sai a 75ºC.

10

Refervedor

Energia necessária para ferver a mistura– Balanço de Energia

Onde, a energia cinética e potencial são dispensadas por considerar a

velocidade de entrada igual a velocidade de saída, no condensador, e estarem no

mesmo nível. Como não há perdas de energia em geração de trabalho, este também

é nulo.

Onde i é a espécie envolvida.

11

Essa energia será recebida do vapor de água a 100 psig (pressão

manométrica).

Logo, 100 psig = 114,696 psia = 7,8046 atm = 7,9080 bar.

Por interpolação linear, descobre-se os valores da entalpia de

vaporização e de condensação da água a 7,9080 bar, sendo, 2766,6 KJ.Kg-1 e

718,01 KJ.Kg-1, respectivamente. Assim:

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PROJETO DA COLUNA

Diâmetro da Coluna

Para determinação do diâmetro da torre de destilação, utiliza-se a

fórmula:

Diz-se que a somatória das áreas dos furos é equivalente a 0,7 vezes a

área do prato:

Onde a área do furo é a:

Onde, vazão de vapor = V; e Velocidade do vapor nos furos (µc), em pés

por segundo (ft.s-1), é dada como:

Onde, kc é um coeficiente empírico determinado através da Figura 18.30,

abaixo, citado por McCabe, 1991; ρL é a massa específica da corrente líquida; ρV é a

massa específica da corrente de vapor; e σ é a tensão superficial, que segundo

13

McCabe (pág 601, 1991), para compostos orgânicos a tensão superficial é próxima

de 20 nyn/cm.

Para determinação do valor de kc, há necessidade de determinar a

distância entre os pratos, e o valor adimensional:

Determinação da massa específica da vazão de vapor (V), através da lei de gases

ideais

Determinação da massa específica da vazão pesada (L)

Tabela 6 – Massa específica das substâncias envolvidas.

Substância Massa específica (Kg/m³)

Benzeno 879

p-Dioxano 1033

FONTE: PERRY;Table 2-2 – Physical properties of organic compounds, 1999.

14

FONTE: MCCABE; Limite de Operações de Pratos perfurados, pág. 601, 1991.

Adotando uma distância entre os pratos de 18 polegadas (0,46 m), tem-se

kc ≈ 0,29, logo:

15

Altura da Coluna

Para determinar a altura da torre, utiliza-se:

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REFERÊNCIAS UTILIZADAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA. Modelos usados na simulação interactiva. Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade de Coimbra -

Portugal Sítio: http://labvirtual.eq.uc.pt/sitejoomla/index.php?itemid=144&id=68& option=com_content&task=view#4. Acessado em 26 de junho de 2010. FOUST, A S; Wenzel, L A; et al. Princípios das Operações Unitárias. Segunda Edição. LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora AS: Rio de Janeiro/RJ, 1982. McCABE, W L; SMITH, J C; HARRIOTT, P. Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. Cuarta Edición. McGraw-Hill/Interamericana: Madri/Espanha, 1991.

PERRY, R H; GREEN, D W. Perry’s Chemical Engineers’ Handbook. Seventh Edition. McGraw-Hill: International Edition, 1999.

17

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

Linha da razão

mínima

Linha de alimentação

XB

XD

XF

F M

olar

Y

F Molar X

FIGURA 1 – Gráfico de equilíbrio para determinação da razão mínima e número de pratos mínimo.

18

Coluna

F = 406,18 Kgmol/h50% benzeno

Condensador

Tambor de Refluxo

V = 656,67 Kgmol/h98,5% benzeno

L = 456,67 Kgmol/h

RefluxoD = 200 Kgmol/h98,5% benzeno

Destilado

Refervedor

Água

Vapor de aquecimento

L’ = 700,38 Kgmol/h

V’ = 494,20 Kgmol/h

B = 206,18 Kgmol/h2,95% benzeno

Produto do fundo

FIGURA 2 – Fluxograma do processo de destilação fracionada, razão mínima.

19

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

Linha Stripping

Linha de

enriquecimento

Linha de alimentação

XB

XD

XF

F M

olar

Y

F Molar X

FIGURA 3 – Gráfico de equilíbrio para determinação número de pratos teórico.

20

Coluna

F = 406,18 Kgmol/h50% benzeno

Condensador (9,12 Kmol/h)

Tambor de Refluxo

V = 1113,34 Kgmol/h98,5% benzeno

L = 913,34 Kgmol/h

RefluxoD = 200 Kgmol/h98,5% benzeno

Destilado

Refervedor (0,4852 Kgmol/h)

Água (T=70ºC)

Água (T=25ºC)

Vapor Saturado (100psig)

Vapor condensado (100 psig)

L’ = 700,38 Kgmol/h

V’ = 494,20 Kgmol/h

B = 206,18 Kgmol/h2,95% benzeno

Produto do fundo

FIGURA 4 – Fluxograma do processo de destilação fracionada, razão otimizada.

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SUMÁRIO

ESPECIFICAÇÃO DO PROJETO ............................................................................... 1

Construção da Curva de Equilíbrio (CE) ................................................. 1

Construção da Linha de Alimentação ..................................................... 3

Construção da Linha de Razão Mínima e de Enriquecimento ................ 3

Balanço de Massa no Sistema para Razão Mínima ............................... 4

Balanço de Massa no Sistema para Razão Otimizada ........................... 5

Cálculo do Número de Pratos Teóricos Mínimo ...................................... 5

Cálculo do Número de Pratos Teóricos .................................................. 6

Determinação do Número de Pratos Reais............................................. 7

CÁLCULO DAS UTILIDADES ..................................................................................... 8

Dados ..................................................................................................... 8

Condensador .......................................................................................... 8

Refervedor ............................................................................................ 10

PROJETO DA COLUNA............................................................................................ 12

Diâmetro da Coluna .............................................................................. 12

Altura da Coluna ................................................................................... 15

REFERÊNCIAS UTILIZADAS ................................................................................... 16