Apostila de-formação-operações-unitárias

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Apostila de-formação-operações-unitárias

  1. 1. Operações UnitáriasCURSO DE FORMAÇÃO DE OPERADORES DE REFINARIA OPERAÇÕES UNITÁRIAS 1
  2. 2. Operações Unitárias2
  3. 3. Operações Unitárias OPERAÇÕES UNITÁRIAS VALTER ROITMAN Equipe Petrobras Petrobras / Abastecimento UN´s: Repar, Regap, Replan, Refap, RPBC, Recap, SIX, Revap 3 CURITIBA 2002
  4. 4. Operações Unitárias 665.53 Roitman, Valter. R741 Curso de formação de operadores de refinaria: operações unitárias / Valter Roitman. – Curitiba : PETROBRAS : UnicenP, 2002. 50 p. : il. (algumas color.) ; 30 cm. Financiado pelas UN: REPAR, REGAP, REPLAN, REFAP, RPBC, RECAP, SIX, REVAP.4 1. Operação unitária. 2. Química. 3. Balanço. I. Título.
  5. 5. Operações UnitáriasApresentação É com grande prazer que a equipe da Petrobras recebe você. Para continuarmos buscando excelência em resultados, dife-renciação em serviços e competência tecnológica, precisamos devocê e de seu perfil empreendedor. Este projeto foi realizado pela parceria estabelecida entre oCentro Universitário Positivo (UnicenP) e a Petrobras, representadapela UN-Repar, buscando a construção dos materiais pedagógicosque auxiliarão os Cursos de Formação de Operadores de Refinaria.Estes materiais – módulos didáticos, slides de apresentação, planosde aula, gabaritos de atividades – procuram integrar os saberes téc-nico-práticos dos operadores com as teorias; desta forma não po-dem ser tomados como algo pronto e definitivo, mas sim, como umprocesso contínuo e permanente de aprimoramento, caracterizadopela flexibilidade exigida pelo porte e diversidade das unidades daPetrobras. Contamos, portanto, com a sua disposição para buscar outrasfontes, colocar questões aos instrutores e à turma, enfim, aprofundarseu conhecimento, capacitando-se para sua nova profissão naPetrobras.Nome:Cidade:Estado:Unidade:Escreva uma frase para acompanhá-lo durante todo o módulo. 5
  6. 6. Operações Unitárias Sumário 1 CONCEITOS FUNDAMENTAIS SOBRE 4 PROCESSOS DE EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO ........ 23 OPERAÇÕES UNITÁRIAS ................................................... 7 4.1 Introdução .................................................................... 23 1.1 Introdução ....................................................................... 7 4.2 Conceito ....................................................................... 23 1.2 Conceitos Fundamentais ................................................. 7 4.3 Mecanismo da Extração .............................................. 23 1.2.1 Conversão de unidades ........................................ 7 4.4 Equipamentos do Processo de Extração ...................... 24 1.3 Balanço Material ............................................................. 8 4.4.1 De um único estágio .......................................... 24 1.4 Balanço Energético ......................................................... 8 4.4.2 De múltiplos estágios ........................................ 24 1.5 Sugestão para aplicação nos cálculos 4.5 Equilíbrio entre as Fases Líquidas ............................... 25 de Balanços Mássicos e Energéticos .............................. 8 4.6 Fatores que influenciam a Extração ............................ 26 4.6.2 Qualidade do solvente ....................................... 26 2 PROCESSO DE DESTILAÇÃO ............................................. 9 4.6.3 Influência da temperatura ................................. 26 2.1 Introdução ....................................................................... 9 2.2 Conceitos Fundamentais ................................................. 9 2.2.1 Volatilidade .......................................................... 9 5 FLUIDIZAÇÃO DE SÓLIDOS E SEPARAÇÃO SÓLIDO 27 2.2.2 Equilíbrio Líquido – Vapor .................................. 9 5.1 Fluidização de sólidos .................................................... 27 2.3 Destilação Descontínua ou Destilação Simples ............. 9 5.1.1 Conceito ............................................................ 27 2.3.1 Balanço Material e Térmico .............................. 10 5.1.2 Objetivo da Fluidização .................................... 27 2.4 Destilação por Expansão Brusca ou Destilação 5.1.3 Tipos de Fluidização ......................................... 27 em um único Estágio ................................................... 10 5.1.4 Dimensões do Leito Fluidizado ........................ 27 2.4.1 Balanço Material ............................................... 10 5.2 Separação sólido-gás ................................................... 28 2.4.2 Balanço Térmico ............................................... 10 5.2.2 Arranjos entre os Ciclones ................................ 28 2.5 Destilação Fracionada .................................................. 10 5.2.1 Fatores que influenciam o funcionamento 2.5.1 Colunas de destilação ou de retificação ............. 11 de um Ciclone ................................................... 28 2.5.2 Seções de uma Coluna de destilação ................ 13 5.3 Noções básicas do processo de Craqueamento 2.5.3 Balanço Material ............................................... 14 Catalítico ...................................................................... 29 2.5.4 Balanço Térmico ............................................... 15 2.5.5 Influência das principais variáveis 6 BOMBAS ............................................................................. 31 na destilação fracionada .................................... 15 6.1 Curvas características de Bombas Centrífugas ........... 31 2.6 Fatores que influenciam as principais variáveis 6.2 Curva da carga (H) versus vazão volumétrica (Q) ...... 31 na destilação fracionada .............................................. 16 6.3 Curva de potência absorvida (PABS.) versus 2.6.1 Propriedades da carga ....................................... 16 vazão volumétrica (Q) ................................................. 32 2.6.2 Eficiência dos dispositivos de separação das torres (Pratos) .............................................. 17 6.4 Curva de rendimento (h) versus vazão 2.7 Problemas que podem ocorrer em bandejas volumétrica (Q) ............................................................ 33 de colunas de destilação .............................................. 17 6.5 Curvas características de Bombas ............................... 33 2.7.1 Problema de arraste ........................................... 17 6.6 Altura Manométrica do Sistema .................................. 33 2.7.2 Problema de Pulsação ....................................... 17 6.7 Construção gráfica da Curva de um Sistema .............. 34 2.7.3 Problema de vazamento de líquido ................... 17 6.8 Ponto de Trabalho ........................................................ 34 2.7.4 Problema de inundação ..................................... 18 6.8.1 Alteração da Curva (H x Q) do Sistema ........... 35 6.8.2 Fatores que influenciam a Curva 3 PROCESSOS DE ABSORÇÃO E ESGOTAMENTO ........ 19 (H x Q) da Bomba ............................................. 35 3.1 Introdução .................................................................... 19 6.9 Fenômeno da Cavitação ............................................... 35 3.2 Conceitos ..................................................................... 19 6.9.1 Inconvenientes da Cavitação ............................ 35 3.2.1 Absorção ........................................................... 19 6.9.2 Principal Região da Cavitação .......................... 35 3.2.2 Esgotamento ...................................................... 19 6.9.3 Causas Secundárias da Cavitação ..................... 36 3.3 Solubridade de Gases em Líquidos ............................. 19 6.10 NPSH (Net Pressure Suction Head) ............................ 36 3.4 Potencial que promove a absorção .............................. 21 6.10.1NPSH disponível ............................................... 37 3.5 Refluxo Interno Mínimo .............................................. 21 3.5.1 Absorção ........................................................... 21 6.10.2NPSH requerido ................................................ 37 3.5.2 Esgotamento ...................................................... 21 6.10.3NPSH disponível versus NPSH requerido ........ 37 3.6 Resumo dos Fatores que Influenciam os 6.11 Associação de Bombas ................................................ 37 Processos de Absorção e Esgotamento ........................ 21 6.11.1 Associação de Bombas em Série ...................... 37 3.7 Equipamentos .............................................................. 22 6.11.2 Associação de Bombas em Paralelo .................. 386
  7. 7. Operações Unitárias Conceitos Fundamentais sobre Operações Unitárias 1 Alguns exemplos de correlações entre áreas1.1 Introdução A disciplina denominada Operações Uni- 1 ft2 = 144 in2 1 m2 = 10,76 ft2tárias é aquela que classifica e estuda, separa- 1 alqueire = 24.200 m2 1 km2 = 106 m2damente, os principais processos físico-quími-cos utilizados na indústria química. Os pro- Alguns exemplos de correlações entre volumescessos mais comuns encontrados nas indústrias 1 ft3 = 28,32 L 1 ft3 = 7,481 galquímicas são a Destilação Atmosférica e a 1 gal = 3,785 L 1 bbl = 42 galVácuo, os processos de Absorção e Adsor- 1 m3 = 35,31 ft3 1 bbl = 0,159 1 m3ção, a Extração Líquido-Líquido e Líqui-do-Gás, o processo de Filtração, assim como Alguns exemplos de correlações entre massasalguns mais específicos, como por exemplo, o 1 kg = 2,2 lb 1 lb = 454 gCraqueamento Catalítico, Hidrocraquea- 1 kg = 1.000 g 1 t = 1.000 kgmento, Hidrotratamento de correntes ins-táveis e outros utilizados principalmente na In- Alguns exemplos de correlações entre pressõesdústria Petrolífera. 1 atm = 1,033 kgf/cm2 1 atm = 14,7 psi (lbf/in2)1.2 Conceitos Fundamentais 1 atm = 30 in Hg Alguns conhecimentos são fundamentais 1 atm = 10,3 m H2Opara que se possa estudar de forma adequada a 1 atm = 760 mm Hgdisciplina denominada Operações Unitárias,como conhecimentos sobre conversão de uni- 1 atm = 34 ft H2Odades, unidades que podem ser medidas linea- 1 Kpa = 10–2 kgf/cm2res, de área, de volume, de massa, de pressão,de temperatura, de energia, de potência. Outro Algumas observações sobre medições deconceito-base para “Operações Unitárias” é o pressão:de Balanço, tanto Material quanto Energético. – Pressão Absoluta = Pressão Relativa + Pressão Atmosférica1.2.1 Conversão de unidades – Pressão Barométrica = Pressão Atmos- É necessário conhecer as correlações exis- féricatentes entre medidas muito utilizadas na In- – Pressão Manométrica = Pressão Rela-dústria Química, como é o caso das medidas tivade temperatura, de pressão, de energia, demassa, de área, de volume, de potência e ou- Alguns exemplos de correlações entre temperaturastras que estão sempre sendo correlacionadas. tºC = (5/9)(tºF – 32) tºC = (9/5)(tºC) + 32Alguns exemplos de correlações entre medidas li- tK = tºC + 273neares tR = tºF + 460 (temperatures absolutas) 1 ft = 12 in 1 in = 2,54 cm Algumas observações sobre medições de 7 1m = 3,28 ft temperatura: 1m = 100 cm = 1.000 mm Zero absoluto = –273ºC ou – 460ºF 1 milha = 1,61 km 1 milha = 5.280 ft (DºC/DºF) = 1,8 1 km = 1.000 m (DK/DR) = 1,8
  8. 8. Operações Unitárias Alguns exemplos de correlações entre potências A água, no alto de um reservatório, ao 1 HP = 1,014 CV 1 HP = 42,44 BTU/min movimentar um gerador, transforma sua ener- gia potencial em energia elétrica, calor e ener- 1KW = 1,341 HP 1 HP = 550 ft.lbf/s gia de movimento (energia cinética). Neste 1KW = 1 KJ/s 1 KWh = 3.600 J caso, o balanço de energia do sistema poderia 1KW = 1.248 KVA ser representado pela seguinte expressão: Energia Potencial da água do reservatório = Alguns exemplos de correlações de energia Energia elétrica fornecida pelo gerador + ca- 1 Kcal = 3,97 BTU 1BTU = 252 cal lor de aquecimento do gerador + Energia de 1BTU = 778 ft.lbf 1Kcal = 3,088 ft.lbf movimento da água após a turbina. 1Kcal = 4,1868 KJ No caso de um forno ou uma caldeira que aquece um certo líquido, o balanço de energia 1.3 Balanço Material observado será: Como se sabe, “na natureza nada se cria, Calor liberado pela queima do combustível = nada se destrói, tudo se transforma”, ou seja, a Calor contido nos gases de combustão que matéria não é criada e muito menos destruída, saem do forno ou da caldeira + Calor contido e, portanto, num balanço material envolvendo nos produtos que deixam o forno ou a caldeira. um certo sistema, a massa que neste entra de- É importante ressaltar que, muito embora verá ser a mesma que dele estará saindo. No as diversas formas de energia sejam medidas processamento uma tonelada, por exemplo, por em unidades diferentes, tais como, energia elé- hora de petróleo em uma refinaria, obtém-se trica em KWh, trabalho em HP . h, calor em exatamente uma tonelada por hora de produ- caloria, em um balanço energético é necessá- tos derivados deste processo, como gás com- rio que todas as formas de energia envolvidas bustível, GLP, gasolina, querosene, diesel e no balanço estejam expressas na mesma uni- óleo combustível. A queima de um combustí- dade de energia. vel em um forno ou em uma caldeira é outro exemplo, porém menos evidente em que ocorre 1.5 Sugestão para aplicação nos cálculos o mesmo balanço de massa: pode-se citar que de Balanços Mássicos e Energéticos durante a queima de 1 tonelada de um certo Como regra geral, antes de iniciar cálcu- combustível em um forno ou uma caldeira, los que evolvam balanços mássicos e/ou ba- considerando-se que são necessárias 13 tone- lanços energéticos, deve-se: ladas de ar atmosférico, tem-se como resulta- a) transformar todas as vazões volumétri- do 14 toneladas de gases de combustão. cas em vazões mássicas, pois o balan- Em um Balanço Material, não se deve con- ço deve ser realizado sempre em mas- fundir massa com volume, pois as massas es- sa, uma vez que a vazão em massa não pecíficas dos produtos são diferentes. Assim, varia com a temperatura. um balanço material deverá ser realizado sem- b) faça um esquema simplificado do pro- pre em massa, pois a massa de um certo pro- cesso em que serão realizados os ba- duto que entra em um certo sistema, mesmo lanços; que transformada em outros produtos, sempre será a mesma que está saindo deste sistema, c) identifique com símbolos, as vazões e enquanto os volumes sofrem variação confor- as composições de todas as correntes me a densidade de cada produto. envolvidas nos processos em que es- tão sendo realizados os balanços; 1.4 Balanço Energético d) anote, no esquema simplificado de pro- Existem diversos tipos de energia, por exem- cesso, todos os dados de processo dis- plo, Calor, Trabalho, Energia de um corpo em poníveis como vazões, composições, movimento, Energia Potencial (um corpo em temperaturas, pressões, etc; posição elevada), Energia elétrica e outras. e) verificar que composições são conhe- Assim como a matéria, a energia de um cidas ou podem ser calculadas; sistema não pode ser destruída, somente po-8 f) verificar quais vazões mássicas são derá ser transformada em outros tipos de ener- conhecidas ou podem ser calculadas; gia, como por exemplo, o motor de uma bom- ba que consome energia elétrica e a transfor- g) selecionar a base de cálculo conveni- ma em energia de movimento do líquido, ca- ente a ser adotada para o início da re- lor e energia de pressão. solução do problema.
  9. 9. Operações Unitárias Processo de Destilação 22.1 Introdução 2.2.2 Equilíbrio Líquido – Vapor A destilação é uma operação que permite Ao colocar em recipiente sob vácuo, de-a separação de misturas de líquidos em seus terminada quantidade de uma mistura líquida,componentes puros ou próximos da pureza, por por exemplo, uma mistura de hidrocarbone-meio de evaporação e condensação dos com- tos, mantendo-se constante a temperatura desteponentes em questão. Na destilação, portanto, recipiente, o líquido tenderá a vaporizar-se atépode-se afirmar que o agente de separação é o que alcance a pressão de equilíbrio entre a fasecalor, pois o vapor formado tem composição vapor e a fase líquida, isto é, as moléculas dadiferente da mistura original. fase líquida passarão para a fase vapor, aumen- O processo de destilação é muito utiliza- tando a pressão do recipiente até que se tenhado em toda a indústria química, como por o equilíbrio entre as fases líquido e vapor. Oexemplo, na obtenção de álcool retificado de ponto de equilíbrio é atingido quando o nú-uma mistura de fermentação, ou ainda, na in- mero de moléculas que abandona o líquidodústria petrolífera para a separação das frações para a fase vapor é exatamente igual ao núme-contidas no petróleo bruto, como gás combus- ro de moléculas que abandona o vapor para atível, GLP, nafta, querosene, diesel, gasóleo, fase líquida. Tem-se, aí, o equilíbrio termodi-óleo combustível. É um processo muito utili- nâmico entre as fases líquido – vapor.zado também na indústria petroquímica, paraa separação de frações da nafta petroquímica. 2.3 Destilação Descontínua ou Destilação Simples2.2 Conceitos Fundamentais A destilação simples ou descontínua é reali- Alguns conceitos são fundamentais para zada em bateladas.a melhor compreensão do mecanismo de se-paração que ocorre na destilação, são eles avolatilidade e o equilíbrio líquido – vapor.2.2.1 Volatilidade A separação em uma coluna de destilaçãoacontece devido à volatilidade relativa de umcomponente com relação ao outro. Geralmen-te, salvo raras exceções, a fração mais volátilem uma mistura é aquela que em estado puropossui maior pressão de vapor, ou seja, temmaior tendência a evaporar. Como exemplo, Conforme é possível observar na figuratem-se que, devido ao critério massa molar, o acima, a carga de líquido é introduzida em ummetano é mais volátil do que o etano, que por vaso provido de aquecimento, entrando emsua vez é mais volátil que o propano, que por ebulição. Os vapores são retirados pelo toposua vez é mais volátil que o butano e assim através do condensador, onde são liqüefeitospor diante; então a separação destes é possível e coletados em outros recipientes.utilizando-se o agente calor e equipamentos A primeira porção do destilado será a mais 9adequados, denominados colunas ou torres de rica em componentes mais voláteis. A medidadestilação para processos contínuos ou desti- que prossegue a vaporização, o produto va-ladores para processos descontínuos ou em porizado torna-se mais volátil e o líquido residualbateladas. torna-se menos volátil, pois o percentual de
  10. 10. Operações Unitárias componentes leves no líquido residual vai sen- Este tipo de operação é muito utilizado na do esgotado. O destilado, que é o vapor con- primeira fase do fracionamento do petróleo em densado, poderá ser coletado em porções se- uma refinaria, pois esta torre reduz o tamanho paradas denominadas de cortes. Estes podem da torre de fracionamento atmosférico. produzir uma série de produtos destilados com vários graus de pureza. Então, considerando-se 2.4.1 Balanço Material uma mistura de três substâncias: Segundo o princípio geral da conservação Substância A – Muito volátil e em pe- da matéria, o balanço material para este pro- quena quantidade, cesso pode ser escrito da seguinte forma: Substância B – Volatilidade média e em grande quantidade, F=D+W Substância C – Muito pouco volátil e em pequena quantidade. Em que: Quando uma destilação em batelada ou F = vazão mássica de carga destilação simples é efetuada, o primeiro cor- D = vazão mássica de vapor te, pequeno, conteria predominantemente qua- W = vazão mássica de líquido se toda a substância A, o segundo corte, gran- de, conteria quase toda a substância B, porém 2.4.2 Balanço Térmico estaria contaminado com um pouco das subs- De acordo com o princípio da conserva- tâncias A e C, e o líquido residual seria, prati- ção de energia, o balanço energético para este camente, a substância C pura. Assim sendo, processo pode ser escrito da seguinte forma: apesar dos três cortes conterem todas as três substâncias, alguma separação teria ocorrido Calor que entra no sistema = Calor que sai do sistema neste processo de destilação. Q F + QA = Q D + QW Em que: 2.3.1 Balanço Material e Térmico QF = conteúdo de calor da carga Neste tipo de processo, é muito difícil efe- QA = conteúdo de calor cedido ao siste- tuar um balanço material e térmico de forma ma pelo aquecedor instantânea, uma vez que as temperaturas, as- QD = conteúdo de calor da carga sim como as composições do líquido e do va- QW = conteúdo de calor da carga por variam continuamente. É evidente, porém, que, ao final desta operação, a soma do resíduo 2.5 Destilação Fracionada e do destilado deve ser igual à carga inicial do vaso. A destilação fracionada é o tipo de desti- lação mais utilizada em indústrias de grande 2.4 Destilação por Expansão Brusca ou porte. Nos dois tipos de destilação abordados Destilação em um Único Estágio anteriormente, destilação em batelada e por O processo de destilação por expansão expansão brusca, a separação das diversas brusca é uma operação em um único estágio, substâncias que compõem a mistura é realiza- no qual uma mistura líquida é parcialmente da de forma imperfeita ou incompleta. Na des- vaporizada. As fases líquido e vapor resultan- tilação fracionada, é possível a separação em tes deste processo são separadas e removidas várias frações, em uma mesma coluna, pois da coluna. O vapor será muito mais rico na pode-se ter temperaturas, vazões e composi- substância mais volátil do que na carga origi- ções constantes em um dado ponto da coluna. nal ou no líquido residual. A destilação fracionada é uma operação de separação de misturas por intermédio de vaporizações e condensações sucessivas, que, aproveitando as diferentes volatilidades das substâncias, torna possível o enriquecimento da parte vaporizada, com as substâncias mais voláteis. Estas vaporizações e condensações10 sucessivas são efetuadas em equipamentos específicos, denominados de torres ou colu- nas de destilação. O processo, em linhas gerais, funciona como esquematizado na figura a seguir:
  11. 11. Operações Unitárias Como pode ser observado, neste processo não existem reações químicas, somente troca térmica, devido ao refervedor de fundo e ao condensador de topo, e também troca de mas- sa entre o vapor ascendente e o líquido des- cendente no interior da coluna de destilação. 2.5.1 Colunas de destilação ou de retificação As colunas de destilação são constituídas por três partes essenciais: Refervedor É, geralmente, encontrado na base da co- luna de destilação, conforme pode ser obser- vado na figura a seguir: A mistura a ser destilada é introduzidanum ponto médio da coluna, ponto F, denomi-nado ponto de alimentação. No seu interior, amistura irá descer até atingir a base da colunaonde encontrará aquecimento do refervedor.O refervedor, um trocador de calor aquecidopor vapor dágua ou outra fonte térmica qual-quer, aquecerá a mistura até atingir sua tem-peratura de ebulição. Neste ponto, a misturaemitirá vapores que irão circular em sentidoascendente na coluna, em contracorrente coma mistura da alimentação da coluna. Os vapo-res ascendentes atingirão o topo da coluna e Sua finalidade é proceder o aquecimentoirão para um condensador, onde serão liqüe- da base e, em conseqüência, promover a eva-feitos e deixarão a coluna como produto de poração dos componentes mais voláteis. Po-destilação, D. Na base da coluna, a mistura, dem ser construídos com dispositivos de aque-isenta de componentes mais voláteis, deixa o cimento com vapor dágua, por aquecimentoequipamento como produto residual, W. com circulação de frações de óleos quentes ou, O processo, resume-se, então, em alimen- até mesmo, através de resistências elétricas.tar a coluna de destilação com a mistura que Os vapores formados na base da coluna circu-se quer separar, F, no ponto médio da coluna; fa- larão de forma ascendente. Parte destes serãozer a circulação ascendente do vapor em contra- condensados ao longo do percurso na torre,corrente com o líquido descendente da coluna, com retornando na forma líquida, permitindo, des-remoção do destilado, D, no topo da torre e do ta forma, um contato íntimo entre o vapor as-líquido residual, W, no fundo da coluna. cendente e o líquido descendente ao longo da A volatilidade relativa do produto a ser des- torre. Dependendo do tipo de interno da colu-tilado permite a separação dos componentes na, o contato entre a fase líquida e vapor po-mais voláteis, e o contato íntimo entre as fases derá atingir níveis que melhorarão as condi-líquida e vapor ao longo da coluna promove a ções da separação desejada.perfeita separação dos componentes desejados. Na coluna de destilação, os componentes Para melhorar a separação das frações de- mais pesados da mistura condensam esejadas, utiliza-se o retorno de parte do desti- retornam à base da coluna, de onde são retira- 11lado, D, na forma de refluxo, Lo, que enrique- dos como líquido residual, W. Os componen-ce o produto de topo da coluna, D, com pro- tes mais leves atingem o topo da coluna e sãodutos mais voláteis, melhorando a pureza do retirados como produto destilado, D, após pas-produto destilado, D. sarem pelo condensador.
  12. 12. Operações Unitárias Condensador Onde: Tem como finalidade proceder à conden- 1 – Borbulhador sação dos vapores leves que atingem o topo 2 – Tubo de ascensão da coluna. Após a condensação, tem-se o pro- 3 – Tubo de retorno duto destilado desejado, D, com a composi- V – Vapor ção especificada. L – Líquido Os borbulhadores são dispositivos com O processo requer, portanto, dois troca- formato cilíndrico, com aparência de um copo dores de calor, ambos de mudança de fase, dotado de ranhuras laterais até certa altura, refervedor procedendo a vaporização e o conforme figura a seguir. condensador efetuando a condensação das frações. Em alguns projetos, o refervedor poderá ser substituído por uma injeção de va- por dágua no fundo da coluna de destilação. Tipos de Torres de Destilação Na coluna, há o contato entre as fases lí- quida e vapor. O problema resume-se em con- Os borbulhadores são fixados sobre os tato perfeito entre as fases, e conseqüentemen- tubos de ascensão dos vapores e destinados à te, a altura da torre deve ser adequada ao tipo circulação ascendente do vapor de um prato a de separação que se deseja. A cada mistura outro. Sobre cada tubo de ascensão, encontra- corresponderá uma altura definida de coluna, se um borbulhador. O tubo de retorno tem que poderá ser perfeitamente calculada para a como finalidade fazer o retorno, prato a prato, separação desejada. Existem três tipos conven- do excedente da fase líquida condensada so- cionais de colunas de destilação: colunas com bre o prato. Assim sendo, existe sobre cada pratos e borbulhadores, colunas com pratos prato ou bandeja, um nível de líquido constante, perfurados e colunas com recheios. Todas fun- regulado pela altura do tubo de retorno, e que cionam com o mesmo princípio, ou seja, pro- deve corresponder ao nível do topo dos borbu- mover de forma mais perfeita possível o con- lhadores. Os borbulhadores são dispostos de tal tato entre as fases líquido e vapor. forma que fiquem na mesma altura do início do tubo de retorno de líquido, a fim de que se tenha Colunas com pratos e borbulhadores uma ligeira imersão na camada líquida. São as mais usuais e também podem ser Os vapores devem circular em contracor- denominadas de “bandejas”. Colunas deste rente com o líquido, ou melhor, de forma as- tipo adotam pratos ou bandejas superpostas e cendente, passando pelos tubos de ascensão, que variam em número e detalhes conforme a borbulhando através das ranhuras dos borbu- mistura que se pretende destilar. Os pratos são lhadores e condensando em parte nas bande- constituídos por borbulhadores, tubos de as- jas e parte retornando à bandeja imediatamen- censão e de retorno, conforme apresentado na te inferior. figura a seguir. Os tubos de retorno funcionam também como selos hidráulicos, impedindo que o va- por circule através deles. A figura a seguir ilustra bem o que foi comentado anteriormente:12
  13. 13. Operações UnitáriasColunas com pratos perfurados com borbulhadores ou pratos perfurados e apre- Neste tipo de coluna, os pratos com bor- sentam ainda algumas vantagens, tais como:bulhadores são substituídos por pratos dota- 1. geralmente são projetos mais econômi-dos de perfurações, cujo diâmetro varia entre cos, por serem mais simplificados;0,8 e 3 mm. O funcionamento é idêntico às 2. apresentam pequena perda de carga;colunas que utilizam pratos com borbulhado- 3. não estão sujeitas às formações de es-res. Geralmente, neste tipo de coluna, não exis- puma.te o tubo de retorno e os pratos ocupam toda a Os recheios são disponibilizados em se-seção da coluna, porém existem projetos em ções, sobre suportes de sustentação, o que im-que as colunas com pratos perfurados são do- pede uma compactação e/ou uma descompac-tadas de tubo de retorno. tação localizada, que formaria caminhos pre- ferenciais ao longo da coluna.Colunas com Recheio O tamanho dos elementos dos recheios, Neste tipo de coluna, os pratos ou bande- geralmente, variam entre 0,5 e 8 cm.jas são substituídos por corpos sólidos comformatos definidos. Estes corpos, denomina- 2.5.2 Seções de uma Coluna de destilaçãodos recheios, podem ser anéis do tipo Rachig, Como visto anteriormente, em uma colu-Pall, Lessing ou ainda selas do tipo Berl, na de destilação, o vapor da mistura que sai deIntalox e outros. Alguns destes recheios po- um prato atravessa o líquido do prato superior,dem ser observados na figura seguinte. deixando seus componentes menos voláteis. O calor liberado pela condensação destes com- ponentes vaporiza, então, os compostos mais voláteis do líquido contido no prato superior. Existe, portanto, uma troca de calor e massa ao longo das bandejas da torre e nota-se que, à medida que se sobe na coluna, os vapores tor- nam-se mais voláteis (mais leves) e, à medida que se desce na coluna, os líquidos tornam-se menos voláteis (mais pesados). Seção de enriquecimento ou absorção É a parte da coluna compreendida entre o prato de entrada da carga e o topo da coluna. Nesta seção, são concentradas as frações ou substâncias mais leves (mais voláteis), ou seja, em todos os pratos acima do prato de alimen- tação, a percentagem de compostos mais le- ves é maior do que na carga. As substâncias mais pesadas são removidas dos vapores que ascendem, pelo refluxo interno de líquido que desce pelo interior da torre, líquido que tam- bém é denominado como refluxo interno. Seção de esgotamento É a parte da coluna compreendida entre o prato de entrada da carga e o fundo da coluna. A finalidade do recheio é provocar o con- Nesta seção são concentradas as frações outato das fases líquido-vapor. Os corpos do re- substâncias mais pesadas (menos voláteis), oucheio devem ser de alta resistência à corrosão, seja, em todos os pratos abaixo do prato derazão pela qual são, geralmente, de cerâmica alimentação, a percentagem de compostosou de aço inoxidável. Dependendo da tempe- mais pesados é maior do que na carga. Os com- 13ratura do processo pode-se utilizar também ponentes ou substâncias mais pesadas, são re-recheios plásticos de alta resistência. movidos dos vapores que ascendem, pelo re- As torres que utilizam recheios são muito fluxo de líquido que desce pelo interior da tor-competitivas com as torres que contêm pratos re, também denominado de refluxo interno.
  14. 14. Operações Unitárias 2.5.3 Balanço Material Em que: Neste processo, o balanço material deve- V = vazão mássica do vapor de topo rá ser realizado nas várias seções da coluna, D = vazão mássica do produto de topo conforme figura a seguir: L = vazão mássica do refluxo externo F = vazão mássica da carga W = vazão mássica do produto de fundo Vm = vazão mássica de vapor na seção de absorção Vn = vazão mássica de vapor na seção de esgotamento Lm = vazão mássica de líquido na seção de absorção (refluxo interno) Ln = vazão mássica de líquido na seção de esgotamento (refluxo interno) QC = calor retirado pelo condensador14 QR = calor introduzido pelo refervedor qF = calor contido na carga qD = calor contido no produto de topo qW = calor contido no produto de fundo
  15. 15. Operações Unitárias Os principais balanços materiais para esteprocesso são: Na envoltória I: F=D+W Na envoltória II: Vm = Lm + D Na envoltória III: L n = Vn + W No condensador: V=L+D Razão de Refluxo2.5.4 Balanço Térmico Nas torres de destilação fracionada existem Os principais balanços materiais para este dois tipos de refluxo, externo e o interno, queprocesso são: geram, desta forma, as razões de refluxo exter- na e interna. A razão de refluxo interna aconte-Balanço Térmico Global ce tanto na região de absorção, quanto na re- gião de esgotamento. As seguintes expressões F . qF + Qr = D . qD + W . qW + QC (1) podem ser escritas para as razões de refluxo: Como é possível observar na expressão Razão de refluxo externo:(1), o calor retirado do condensador, QC, de-pende do calor introduzido no sistema pelo Re = ( L/D)refervedor, Qr, uma vez que os demais termosda expressão são fixados por projeto. Razão de refluxo interna: Na seção de absorção:Balanço térmico no condensador (Ri)abs = ( Lm / Vm ) V . qV = L . qL + D . qD + QC (2) Na seção de esgotamento: Sabe-se que, qL = qD e V = L + D, por- (Ri)esg = ( Vn / Ln )tanto a equação (2) pode ser reescrita comouma nova expressão: O grau de fracionamento que acontece em (L + D) . qV = L . qL + D . qL + QC ® uma coluna de destilação é determinado pelas (L + D) . qV = (L + D) . qL + QC razões de refluxo interna na torre, que por sua vez são geradas a partir da carga e do refluxo (L + D) . qV – (L + D) . qL = QC ® externo à torre de destilação, ou seja, o reflu- (L + D) . (qV – qL) = QC xo interno na seção de absorção, Lm, é gerado pelo refluxo externo, L, enquanto que na se- (L + D) = QC / (qV – qL) ção de esgotamento, Ln, é gerado pelo refluxo interno Lm mais a carga F.(qV – qL) = Calor de condensação do vapor de Na seção de enriquecimento ou absorção,topo da coluna de destilação. quanto mais líquido Lm descer na torre por unidade de massa de vapor que sobe, tanto2.5.5 Influência das principais variáveis na melhor será a separação, pois, nesta seção, adestilação fracionada finalidade é reter os compostos pesados (me- 15 A figura a seguir será utilizada para que nos voláteis) contidos nos vapores. Quantopossam ser feitas as observações necessárias maior a razão (Lm/Vm), tanto melhor será, en-sobre a influência das principais variáveis que tão, o fracionamento nesta região da torre deocorrem neste tipo de processo. destilação.
  16. 16. Operações Unitárias Na seção de esgotamento, tem-se o con- Quando ocorrer refluxo total, então D = 0, trário da seção de absorção, quanto mais va- logo: por subir na torre por unidade de massa de (Lm / Vm) = 1 ® Lm = Vm, ou seja, a quan- líquido que desce, melhor será a separação tidade de líquido que desce na seção de absor- nesta seção da torre, já que a finalidade, nes- ção é igual à quantidade de vapor que sobe ta região, é a remoção dos compostos leves nesta seção, não havendo, portanto, produção. (mais voláteis) do líquido que desce pela Na seção de esgotamento, observa-se o torre. Portanto, na seção de esgotamento, seguinte balanço material: também denominada de stripping, quanto maior a razão (Vn / Ln), melhor será o fracio- Ln = Vn + W namento. Vn = Ln – W Resumindo, pode-se afirmar que, para uma Dividindo-se os dois termos da equação determinada coluna, o grau de fracionamento por Ln, obtém-se que: é tanto maior quanto maior for a razão de re- fluxo interna. (Vn / Ln) = 1 – (W/ Ln) No caso da seção de esgotamento, todo o Razão de Refluxo Versus número de pratos da líquido residual será vaporizado no refervedor, Coluna então W = 0, então: Existe uma relação entre o número de pra- (Vn / Ln) = 1 ® Vn = Ln, isto é, a quantida- tos ou bandejas de uma coluna de destilação e de de vapor que sobe na seção de esgotamen- a razão de refluxo interna ou externa deste to é igual à quantidade de líquido que por ela equipamento. desce e não há produção. Quanto menor for o número de pratos ou bandejas de uma coluna, pior será seu fracio- Quando a coluna é operada, portanto, em namento. Podem ser construídas torres com refluxo total, o fracionamento é praticamente grande número de pratos para operarem com perfeito, porém o gasto com energia é muito pequena razão de refluxo interna, assim como elevado e não há produção na coluna, o que torres com pequeno número de pratos e razões torna o processo economicamente inviável. de refluxo interno elevadas, para uma carga com as mesmas características. A relação entre o número de pratos ou es- Tendo em vista a relação anteriormente tágios e a razão de refluxo pode ser observada descrita, a condição de refluxo ou razão de no gráfico a seguir: refluxo mínimo corresponderá a uma coluna com um número infinito de pratos para que seja atingido o fracionamento desejado, assim como a condição de refluxo ou razão de reflu- xo total corresponderá a uma coluna com um número mínimo de pratos para que o fracio- namento desejado seja atingido. Nenhuma destas condições é satisfatória, uma vez que uma torre com número de pratos infinito é um A razão de refluxo interna mínima é aquela projeto totalmente inviável economicamente, que corresponde a um refluxo externo, L, mí- bem como a construção de uma coluna que nimo, por conseqüente, os projetos de colunas não produza, pois para o refluxo total não se de destilação são concebidos prevendo-se, tem retirada de produtos, como pode ser veri- geralmente, um refluxo externo com valores ficado pelo cálculo abaixo: que variam entre 1,5 a 2 vezes o valor da ra- Na seção de absorção, o seguinte balanço zão de refluxo mínima. Este valor é denomi- material é observado: nado razão de refluxo operacional, RR oper, como pode ser observado no gráfico anterior. Vm = Lm + D16 Lm = Vm – D 2.6 Fatores que influenciam as principais Dividindo-se os dois termos da equação variáveis na destilação fracionada por Vm, tem-se que: 2.6.1 Propriedades da carga Como cada carga a ser processada pode (Lm / Vm) = 1 – (D/Vm) exibir uma característica, pois as proporções
  17. 17. Operações Unitáriasentre os componentes a serem separados po- especificadas. Se, por exemplo, uma torre, pro-dem ser diferentes, haverá, então, uma razão jetada para uma determinada condição e espe-de refluxo para cada carga a ser processada. A cificação de carga, mudanças em suas carac-diferença de volatilidade entre os componen- terísticas especificadas, a mesma não corres-tes da carga, de uma torre de destilação fracio- ponderá satisfatoriamente às condições inicial-nada, exerce grande influência sobre as variá- mente previstas, diminuindo desta forma, suaveis citadas. Como exemplo, pode-se citar a eficiência e, conseqüentemente, podendo com-comparação entre a separação de uma mistura prometer os resultados inicialmente previstoscontendo 50% de etano e 50% de eteno de para aquele projeto. Portanto, o fracionamen-outra contendo 50% de hexano e 50% de eteno. to em uma coluna de destilação depende daNo primeiro caso, a separação entre o etano e eficiência dos seus pratos.o eteno requer tanto uma quantidade de reflu-xo, bem como uma quantidade de estágios 2.7 Problemas que podem ocorrer em(pratos) na coluna muito maiores do que na da bandejas de colunas de destilaçãoseparação da mistura entre o hexano e o eteno, 2.7.1 Problema de arrastepois estes dois últimos compostos possuemgrande diferença de volatilidade. O arraste é o transporte, efetuado pelo va- por, de gotículas de líquido do prato inferior para os pratos superiores. A quantidade de lí-2.6.2 Eficiência dos dispositivos de separação quido arrastado depende da velocidade do va-das torres (Pratos) por ao longo da torre. No arraste, o líquido do Como mencionado, o componente ou prato inferior contamina o líquido do pratosubstância que vaporiza a partir do líquido de superior com compostos pesados (menos vo-um determinado prato da coluna é mais volá- láteis), piorando o fracionamento ao longo datil que os componentes contidos no líquido coluna. O arraste pode ser provocado pelo au-deste prato, e ainda que este vapor esteja em mento da vazão volumétrica do vapor, que, porequilíbrio com o líquido do prato, o número sua vez, pode ser decorrente da redução dade moléculas que abandona a fase líquida para pressão em alguma região da coluna.a fase vapor é igual ao número de moléculas As torres de destilação a vácuo são cons-que voltam da fase vapor para a fase líquida – truídas com um diâmetro muito maior do queprincípio do equilíbrio. Para que o equilíbrio, as torres de destilação atmosféricas, pois comoseja atingido é necessário um certo tempo de suas pressões são muito baixas, provocam va-contato entre as fases. No caso do prato ou zões volumétricas muito elevadas.bandeja de uma torre de destilação, este tem-po depende dos detalhes construtivos desta 2.7.2 Problema de Pulsaçãobandeja: quanto mais alto o líquido contido Este fenômeno ocorre quando a vazão deneste prato ou bandeja, maior será o tempo de vapor, que ascende de um prato inferior paracontato entre as fases, pois o líquido perma- um superior da coluna, não tem pressão sufi-necerá mais tempo no prato, e, em consequên-cia o vapor gastará mais tempo para atravessá- ciente para vencer continuamente a perda delo. O prato que conserva um maior nível de carga apresentada pela bandeja em questão. Olíquido é aquele que mais se aproxima do equi- vapor, então, cessa temporariamente sua pas-líbrio entre as fases líquido-vapor e, por isso, sagem por esta bandeja e, quando sua pressãoé denominado de “prato ideal”. O prato ideal volta a ser restabelecida, vence a perda de car-é o dispositivo que permite o maior enriqueci- ga no prato de forma brusca. Assim diminui amento em componentes mais voláteis do va- pressão do vapor quase que instantaneamentepor que penetra no líquido deste prato. e cessa a passagem do vapor pelo prato até A eficiência de um prato de uma coluna que seja novamente restabelecida sua pressão.de destilação fracionada poderá ser quantifi- Esta situação permanece até que seja norma-cada pelo enriquecimento de componentes lizada a condição de pressão ao longo da coluna.mais voláteis no líquido deste prato, que nocaso do prato ideal é de 100%. O valor per- 2.7.3 Problema de vazamento de líquido 17centual da eficiência de um prato real, em uma É o fenômeno da passagem de líquido dacoluna de destilação fracionada, está entre 50 bandeja superior para a bandeja inferior, atra-e 80%, é tanto maior, quanto melhor for o pro- vés dos orifícios dos dispositivos existentesjeto da torre, para as condições de operação nos pratos e que são destinados à passagem
  18. 18. Operações Unitárias do vapor. Este fenômeno ocorre, quando a va- zão de vapor é baixa e a vazão de líquido é excessivamente alta. 2.7.4 Problema de inundação A inundação, em uma torre de destilação, ocorre quando o nível de líquido do tubo de retorno de um prato atinge o prato superior. Poderá acontecer em regiões localizadas na torre ou, caso o problema não seja soluciona- do a tempo, em uma das seções e até mesmo, na torre como um todo. Anotações18
  19. 19. Operações UnitáriasProcessos de Absorção e Esgotamento 3.2.2 Esgotamento 33.1 Introdução Como observado no capítulo sobre o pro- É a operação inversa à da absorção, oucesso de destilação, nas colunas de destilação seja, tem como finalidade remover compostosfracionada, a seção acima do ponto de alimen- de um líquido, L1, utilizando-se uma correntetação da carga da torre é denominada de seção de gás ou de vapor, V1, Neste caso, são utili-de absorção e a seção abaixo do ponto de ali- zados gases ou vapores totalmente insolúveismentação da carga da torre é denominada de no líquido ou então gases ou vapores comseção de esgotamento. No entanto, existem volatilidade muito mais alta do que o líquidoprocessos que utilizam somente absorção ou em questão.esgotamento, e, de acordo com a necessidade Na realidade, tanto no processo de absor-do processo, são projetadas torres que operam ção, quanto no processo de esgotamento, existesomente com processos de absorção ou, en- o mecanismo de transferência de massa de umatão, apenas com processos de esgotamento. fase para outra. No caso da absorção, há trans- As colunas de absorção e de esgotamen- ferência de compostos da fase gasosa para ato, geralmente, não possuem estágios de troca fase líquida e, no caso do processo de esgota-de calor, isto é, não apresentam nem refervedor, mento, há transferência de compostos da lí-nem condensador. quida para a fase gasosa.3.2 Conceitos 3.3 Solubridade de Gases em Líquidos3.2.1 Absorção Quando se coloca um gás em contato com um líquido, num recipiente fechado numa certa condição de temperatura e pressão, parte das moléculas da fase gasosa passa, inicialmente, para a fase líquida, até que se atinja o ponto de equilíbrio para estas condições de temperatu- ra e pressão. Neste ponto, a concentração do gás no líquido é denominada de “solubilidade de equilíbrio do gás neste líquido”, nas condi- ções de temperatura e pressão em questão. É uma operação em que uma mistura ga-sosa, V1, é colocada em contato com um líqui-do, L1, para nele serem dissolvidos um ou mais % do gás = solubilidade de equilíbrio.compostos que se quer remover da mistura No exemplo acima, a fase gasosa é cons-gasosa. Geralmente, existe uma diferença de tituída somente por um tipo determinado devolatilidade muito grande entre os componen- gás. No caso de haver uma mistura de duastes da fase gasosa e os da fase líquida. Propor- ou mais substâncias gasosas, em que somen- 19ciona-se, com isso, somente a absorção dos te uma delas é solúvel no líquido, a “solubi-componentes mais pesados da mistura gaso- lidade de equilíbrio” dependerá da pressãosa, sem a perda de componentes da mistura parcial deste gás, na mistura gasosa. O valor dalíquida por evaporação. pressão parcial de uma sustância é o percentual
  20. 20. Operações Unitárias molecular desta substância em relação à pres- A solubilidade de equilíbrio de um de- são total da mistura, ou seja: terminado gás, a uma certa temperatura, em um determinado líquido, aumenta, com o au- (PParcial)A = (%molecularA / 100) x PTotal mento da pressão parcial do gás, ou ainda, Por exemplo, numa mistura gasosa em com o aumento da concentração do gás no que a pressão total do sistema é de 20 kgf/cm2, referido líquido, desde que a temperatura se tem-se 30% de moléculas de propano; assim a mantenha constante (vide figura a seguir). pressão parcial do propano na mistura deste sistema será: (30/100) x 20 = 6 kgf/cm2. É possível relacionar a pressão parcial de um determinado gás com a sua solubilidade de equilíbrio num determinado líquido, e com isto, gerar gráficos com curvas de solubilidade de equilíbrio em função da pressão parcial de equilíbrio, como pode ser observado a seguir.20 Concentração ou solubilidade de equilíbrio.
  21. 21. Operações Unitárias Como pode ser observado no gráfico, com amônia, mantendo-se a temperatura em 30ºC?o aumento da temperatura, a solubilidade do Em caso positivo, qual seria a concentraçãogás diminui. Na temperatura de 10ºC e com ou solubilidade de equilíbrio para esta novauma pressão parcial de equilíbrio de 50 mm Hg, condição?a concentração ou solubilidade de equilíbrio Resposta: Nova pressão parcial = 2 x 50 =da amônia em água será de 11%. Com a mes- 100 mm Hgma pressão parcial de 50 mm Hg, na tempera- (Força Motriz) = 100 – 50 = 50 mm Hg,tura de 30ºC, a concentração ou solubilidade portanto como o potencial é > 0, haverá ab-de equilíbrio da amônia na água será de 5%. sorção. De acordo com o gráfico, para a nova con-3.4 Potencial que promove a absorção dição de equilíbrio, em que a pressão parcial é Conforme abordado anteriormente, quan- de 100 mm de Hg, na temperatura de 30ºC, ado um líquido e um gás estão em equilíbrio (o nova condição de concentração de amônianúmero de moléculas da fase gasosa que pas- corresponderia a 8%.sa para a fase líquida é igual ao número de Nota: A pressão parcial de equilíbrio é sempre obtidamoléculas que passam da fase líquida para a graficamente, através das curvas de solubilidade.fase gasosa), nas condições de temperatura epressão estabelecidas não haverá mais altera- 3.5 Refluxo Interno Mínimoção da concentração do gás absorvido no lí- No caso dos processos de absorção e esgo-quido. Porém, caso haja alteração, por exem- tamento, existe uma razão de refluxo mínimo,plo, da pressão parcial do gás a ser absorvido para que a operação desejada seja efetuada.pelo líquido, sem a alteração da variável tem-peratura, então ocorrerá a passagem de molé- 3.5.1 Absorçãoculas da fase gasosa para a fase líquida até a Para o processo de absorção, existe umanova situação de equilíbrio. relação L/V mínima, a fim de que a operação Baseado nestes conceitos, o potencial, de absorção desejada possa ser efetuada. Quan-que promove a absorção de um gás A em um to maior a relação L/V, melhor será a absor-certo líquido, poderá ser equacionado da se- ção, pois o líquido, L, ficará menos concen-guinte forma: trado no composto a ser absorvido. Com o(Potencial de absorção)A = (Pressão Parcial)A – aumento da relação L/V, tem-se, assim, um(Pressão Parcial de Equilíbrio)A aumento no potencial de absorção. Para ilustrar o assunto, pode-se tomar, 3.5.2 Esgotamentocomo exemplo, o gráfico anterior, que repre- No caso do processo de esgotamento, exis-senta amônia sendo absorvida em água. te uma relação V/L mínima, para que a opera- ção de esgotamento desejada possa ser efetua-1º Exemplo: da. Quanto maior a relação V/L, melhor será Qual será o potencial de absorção da amô- o esgotamento, pois o vapor, V, ficará menosnia em água, à temperatura de 30ºC, conside- concentrado no composto a ser esgotado. Comrando-se que na água existe uma concentra- o aumento da relação V/L, haverá, então, umção de amônia de 5%, com pressão parcial de aumento no potencial de esgotamento.50 mm Hg? Resposta: Como observado no gráfico emquestão, para o valor de concentração ou so- 3.6 Resumo dos Fatores que Influenciamlubilidade de equilíbrio igual a 0,05 e t = 30ºC, os Processos de Absorção e Esgotamentoo resultado da pressão parcial de equilíbrio Favorece a absorção Favorece o esgotamentocorresponde a 50 mm Hg. A força motriz ou Aumento da pressão do gás Redução da pressão do gáspotencial de absorção para este caso será: (aumento da pressão parcial (redução da pressão parcial do (Força Motriz) = 50 – 50 = 0, ou seja, nes- do composto a ser absorvido) composto a ser esgotado)ta condição, o gás já está em equilíbrio com o Redução da temperatura Aumento da temperatura 21líquido e não há, portanto, mais absorção. Baixa concentração do com- Baixa concentração do com- posto a ser absorvido no líqui- posto a ser esgotado no vapor2º Exemplo: do utilizado para a absorção utilizado para o esgotamento Haveria absorção da amônia na água noexemplo 1, caso dobrasse a pressão parcial da Alta relação L/V Alta relação V/L
  22. 22. Operações Unitárias 3.7 Equipamentos Para a operação de absorção e esgotamen- to, são utilizados os mesmos equipamentos que para a operação de destilação, principalmente torres com recheios, embora torres com pra- tos com borbulhadores ou com pratos valvu- lados também sejam empregadas. As torres com recheios são mais utiliza- das em processos de absorção, pois nesta ope- ração as vazões de líquido e vapor, geralmen- te, não sofrem muita alteração ao longo do processo. Na operação correta, a torre está cheia de gás e o líquido desce através da coluna. O recheio, desta forma, está sempre coberto por uma camada de líquido permanentemente em contato com o gás. A vazão de líquido não pode ser muito pequena, caso contrário o recheio não ficaria molhado de maneira uniforme. A vazão de vapor não pode ser excessivamente alta, pois dificultaria a descida do líquido na torre. A transferência de massa entre as fases é promovida pelo recheio no interior da coluna. Este mantém o contato íntimo e contínuo en- tre as fases em toda a extensão de cada leito recheado. Anotações22
  23. 23. Operações Unitárias Processos de Extração Líquido-Líquido 4 A fase líquida, utilizada para fazer a se-4.1 Introdução A operação denominada Extração Líqui- paração do soluto, é denominada de solvente.do-Líquido é empregada nos processos de se- O solvente deverá ser o mais insolúvel possí-paração de um ou mais compostos de uma vel na solução.mistura líquida, quando estes não podem ser De acordo com a natureza do compostoseparados por destilação de forma economi- que se quer extrair da solução, isto é, o soluto,camente viável. basicamente, há dois tipos de extração: Geralmente, tais separações ocorrem nos a) extração de substâncias indesejáveis –seguintes casos: o soluto é uma impureza que deverá ser a) os componentes a serem separados são retirada da solução. O produto dese- pouco voláteis – seria necessário, en- jado neste processo de separação é a tão, utilizar processos com temperatu- solução livre do soluto. Como exem- ras muito altas, combinadas com pres- plo, pode ser citada a extração de com- sões muito baixas, com a finalidade de postos de enxofre existentes nos deri- conseguir a separação desejada; vados de petróleo, como a gasolina, o b) os componentes a serem separados têm querosene e outras correntes. Um ou- aproximadamente as mesmas volatili- tro exemplo é a retirada de compostos dades – neste caso, seria necessária a aromáticos de correntes de óleos lubri- utilização de colunas de destilação com ficantes para purificação dos mesmos; um número muito grande de estágios b) extração de substâncias nobres – o de separação (pratos), conseqüente- soluto é, neste caso, o composto dese- mente torres muito elevadas, a fim de jado após a operação de separação, o conseguir a separação desejada; restante da solução é o produto inde- sejável do processo. Como exemplo, c) os componentes são susceptíveis à de- tem-se citar a separação do butadieno composição – os compostos ou com- de uma mistura entre o buteno e o bu- ponentes a serem separados sofrem de- tadieno, na indústria petroquímica, uti- composição quando atingem a tempe- lizando-se como solvente neste proces- ratura necessária para a separação; so de extração uma solução aquosa de d) o componente menos volátil que se quer acetato cupro-amoniacal. separar está presente em quantidade muito pequena – não seria economi- camente viável, em tal situação, vapo- 4.3 Mecanismo da Extração rizar toda a mistura líquida para ob- O mecanismo do processo de extração ter o produto desejado. ocorre, basicamente, de acordo com as seguin- tes etapas:4.2 Conceito a) mistura ou contato íntimo entre o sol- vente e a solução a ser tratada. Ao lon- O processo de Extração Líquido-Líquido go desta etapa, ocorrerá a transferênciaé a operação no qual um composto dissolvido do soluto da solução para a fase sol-em uma fase líquida é transferido para outra vente; 23fase líquida. A fase líquida, que contém o composto a b) a separação entre a fase líquida da so-ser separado, é denominada de solução e o lução, denominada de rafinado, e a fasecomposto a ser separado é denominado de líquida solvente, denominada de extrato;soluto. c) recuperação do solvente e do soluto.
  24. 24. Operações Unitárias Para a recuperação do soluto do solvente, é O ciclo da extração pode ser representado necessário que estes tenham características que pela figura seguinte, de forma que a massa es- permitam a separação dos mesmos através de pecífica do solvente é menor do que a massa um simples processo de destilação ou qualquer específica da solução, para que seja possível a outro tipo de separação simples e possível. extração. 4.4 Equipamentos do Processo de vez processado e a este seja adicionada nova porção de solvente, será possível extrair mais Extração soluto da solução e o rafinado tornar-se-á ain- 4.4.1 De um único estágio da mais puro. Quanto maior o número de está- Neste tipo de equipamento, os líquidos são gios, maior será a extração. misturados, ocorre a extração e os líquidos Se, ao invés de ser utilizado solvente novo insolúveis são decantados. Esta operação po- e puro para cada caso, um sistema em contra- derá ser contínua ou descontínua. Este equi- corrente, for empregado, o solvente puro en- pamento é correspondente ao esquema da fi- trará em contato com a carga em contracor- gura anterior. rente e tem-se então um sistema de múltiplos estágios, que formam uma sucessão de estágios 4.4.2 De múltiplos estágios simples. Baseado, ainda, no exemplo da figura an- Como exemplo, pode-se observar a figura a terior, caso o rafinado (A + B) seja mais uma seguir, que mostra um sistema para dois estágios. Os equipamentos que fazem a extração a) torre de dispersão; líquido-líquido em múltiplos estágios utilizam24 b) torre com recheios; o princípio desta figura uma única coluna, ge- ralmente, semelhantes a uma torre de destila- c) torre agitada. ção, podendo ou não conter recheios ou ainda bandejas. Os principais tipos de equipamen- Nota: Não são utilizados pratos com borbulhadores em tos são: equipamentos de extração.
  25. 25. Operações Unitárias Os equipamentos mencionados anteriormente podem ser observados nas figuras a seguir:4.5 Equilíbrio entre as Fases Líquidas Na absorção e no esgotamento, quando as duas Existe uma analogia, que se pode fazer, fases entram em equilíbrio, não há mais alte-entre os processos de esgotamento e ou absor- ração da composição nem da fase líquida, nemção em relação ao processo de extração. da fase vapor. Da mesma forma na extração, 25 A fase líquida do solvente, o extrato, quando é atingido o equilíbrio entre as fases,pode ser considerada como a fase vapor, então não haverá mais alteração das composi-enquanto que a fase líquida da solução, o ções do extrato e do rafinado, o que está ilus-rafinado, pode ser considerada a fase líquida. trado na figura a seguir.
  26. 26. Operações Unitárias Anotações 4.6 Fatores que influenciam a Extração 4.6.1 Relação Solvente-Carga De forma semelhante ao processo de ab- sorção, na extração, também existe uma rela- ção mínima solvente/carga, abaixo da qual não é possível efetuar a extração desejada. Quanto maior a relação solvente/carga, me- lhor será a extração, pois uma concentração maior de solvente na solução aumentará o po- tencial de transferência de massa do soluto para a fase líquida do solvente, com a conseqüente formação do extrato. 4.6.2 Qualidade do solvente Nos casos em que o solvente é recupera- do, após a extração, quanto mais isento de soluto ele retornar para a torre de extração, melhor será a extração, pois sua composição estará mais afastada da composição de equilí- brio com a carga e maior será a transferência de soluto da fase da solução (carga) para a fase solvente. 4.6.3 Influência da temperatura Embora seja adequado que o solvente apresente insolubilidade na carga, isto na prá- tica não ocorre, pois sempre existe , ainda que pequena, uma solubilidade mútua entre as fa- ses que aumenta com a elevação da tempe- ratura. A composição das duas fases em equi- líbrio muda, então, com a alteração da tempe- ratura. Isto pode influenciar de forma negati- va na extração desejada. Portanto, nunca se deve operar com temperaturas acima das re- comendadas para um certo processo de extra- ção, pois poderá ocorrer a dissolução de parte ou até mesmo de todo o solvente na carga ou vice-versa, impedindo a separação das duas fases líquidas. Caso haja uma certa dissolu- ção de solvente na carga ou vice-versa, o equi- pamento não terá uma operação satisfatória26 com conseqüente queda de eficiência no pro- cesso de extração.
  27. 27. Operações Unitárias Fluidização de Sólidos e Separação Sólido5.1 Fluidização de sólidos 5.1.3 Tipos de Fluidização 55.1.1 Conceito Existem dois tipos de fluidização, a parti- Para compreender melhor o conceito de culada e a agregativa. A fluidização particulada ocorre, prin-fluidização de sólidos, suponha que um fluido cipalmente, quando o fluido é um líquido, en-líquido ou gasoso esteja escoando vagarosa- quanto a fluidização agregativa ocorre quan-mente através de um leito de partículas sóli- do o fluido é um gás.das finamente divididas. Os sólidos agem como Na fluidização particulada, o início doum obstáculo à passagem deste fluido, ocasio- processo é caracterizado por um rearranjo dasnando uma queda de pressão (DP), devido ao partículas de forma a oferecer maior área livreatrito, que aumenta com o aumento da veloci- para o escoamento, porém sem que as partícu-dade. Ao aumentar ainda mais a velocidade las percam o contato entre elas.do fluido, os canais de passagem formados pelo Na fluidização agregativa, o início é ca-mesmo aumentam e as partículas sólidas fi- racterizado por um fenômeno semelhante àcam mais separadas. Nesse ponto, inicíasse a ebulição, ou seja, bolhas de gás atravessam ofluidização do leito de sólidos, pois estes per- leito sólido e rompem-se na superfície, em-dem suas características e passam a se com- purrando as partículas de sólido para cima.portar como fluidos, de modo a seguir as leis A fluidização do tipo agregativa é aquelade escoamento de fluidos, em que a pressão é que ocorre no processo de craqueamento ca-proporcional à altura do leito. talítico. Caso continue o aumento da velocidadede escoamento do fluido, haverá um ponto em 5.1.4 Dimensões do Leito Fluidizadoque as partículas sólidas serão arrastadas, des- A altura necessária do equipamento quefazendo-se, desta maneira, o leito sólido. contém o leito aumenta com a velocidade de escoamento do fluido, pois o volume de vazios fica maior com o aumento da velocidade. As5.1.2 Objetivo da Fluidização partículas menores têm velocidade de queda A principal aplicação da operação com menor do que as maiores, ou seja, se uma par-leito fluidizado é em processos cujas reações tícula de 1 mm não é arrastada pelo fluido, umaquímicas envolvam catalisadores, como no outra de 0,1 mm poderá ser arrastada e aban-caso do processo de craqueamento catalítico. donar o leito. Com o constante choque entreNeste, o catalisador sólido finamente dividido as partículas sólidas, aos poucos, elas vão sen-está em forma de leito fluidizado. O estado do reduzidas a tamanhos cada vez menores.fluidizado do catalisador, além de garantir seu Para que estas partículas não sejam arrastadas,melhor contato com a carga devido ao aumen- seria necessária a utilização de velocidadesto da área específica do catalisador com ele, muito baixas para o escoamento dos fluidos, o que equivale a construir equipamentos compermite que o catalisador seja escoado de um diâmetros muito elevados. Mesmo com avaso para outro por diferença de pressão, como construção de equipamentos com diâmetrosse fosse um líquido. Evita-se, desta forma, a muito elevados, ainda haveria o problema de 27utilização de equipamentos de transporte de que as partículas maiores não seriam movi-sólidos, como caçambas, esteiras rolantes, cor- mentadas de forma adequada no leito. Por ou-reios ou outros métodos de transporte de lei- tro lado, quando ocorre a redução de tama-tos sólidos. nho das partículas, sempre existe o arraste de
  28. 28. Operações Unitárias partículas finas para fora do leito. Nos casos O ciclone é um separador por decantação, em que o fluido é um gás, como no processo em que a força da gravidade é substituída pela de craqueamento catalítico, estas partículas força centrífuga. A força centrífuga que age finas são retiradas através de equipamentos es- sobre às partículas pode variar de 5 a 2.500 ve- peciais, denominados ciclones, que promovem zes a mais do que a força da gravidade sobre a o retorno destas para o equipamento que con- mesma partícula, dependendo das condições do tém o leito de sólidos. gás e do projeto do ciclone. O ciclone é um equi- pamento muito eficiente e por isso muito utili- 5.2 Separação sólido-gás zado nos processos de separação sólido-gás. A separação de partículas sólidas de um gás pode ser efetuada através de diversas ma- 5.2.1 Fatores que influenciam o funcionamento neiras, por exemplo, filtração, precipitação de um Ciclone eletrostática, aspersão com líquidos, ciclones a) Diâmetro das partículas: o ciclone não e outros processos. O mais utilizado em refi- é muito eficiente para partículas meno- narias, geralmente, é o ciclone, especialmente res do que 0,005 mm. empregado em processos de craqueamento b) Velocidade do gás na entrada do ciclo- catalítico, onde são retidas as partículas finas ne: é muito importante notar que quan- do processo de craqueamento. to maior a velocidade do gás que entra No processo de craqueamento catalítico, no ciclone, mais partículas finas serão o gás que entra nos ciclones pela abertura la- retirada do gás. A velocidade do gás teral encontra-se carregado de partículas de que vai para o ciclone não pode ser catalisador, saindo pela parte superior, o gás aumentada de forma indiscriminada, purificado e, por baixo, as partículas de catali- pois a perda de pressão (perda de car- sador, que voltam ao leito. ga) que ocorre no interior do ciclone Dentro do ciclone, as partículas de sóli- poderá ser muito grande. dos chocam-se contra as paredes, perdem ve- c) Viscosidade: O aumento da viscosidade locidade e, em conseqüência se precipitam. do gás dificulta a remoção das partículas. 5.2.2 Arranjos entre os Ciclones Para se obter maior eficiência de remoção de partículas nos ciclones, é possível fazer com- binações de ligações entre os mesmos. Estas ligações poderão ser em série ou em paralelo, dependendo de cada caso desejado. Para altas vazões de gás, utilizam-se as ligações em paralelo, com a finalidade de reduzir a perda de pressão (perda de carga) originada pelo processo de separação nos ciclones. Na figura a seguir observam-se os arranjos mencionados.28
  29. 29. Operações Unitárias Um ciclone em operação é apresentado a seguir:5.3 Noções básicas do processo de Craqueamento Catalítico 29
  30. 30. Operações Unitárias No processo de craqueamento catalítico, a carga (gasóleo) entra em contato com o ca- talisador no riser, onde são iniciadas as rea- ções, que ocorrem em fase gasosa. O riser é um tubo de grande dimensão, que fica a mon- tante do reator. O reator, por sua vez, funciona como um vaso separador entre os produtos formados e o catalisador. O catalisador em forma de pó, ou seja, partículas muito finas, quando retirado do rea- tor, está impregnado com coque; por isso ne- cessita de retificação para retornar ao reator. No regenerador, o coque do catalisador é quei- mado na presença de ar, que vem do blower (soprador). Os gases gerados na combustão do catalisador (CO2, CO, H2O, H2, N2, O2 em ex- cesso, e outros gases), antes de serem envia- dos para a atmosfera, passam em uma caldei- ra recuperadora de calor (caldeira de CO), para que o calor latente dos gases, bem como a quei- ma do CO na caldeira possam ser aproveita- das na geração de vapor. Os ciclones, que estão localizados no topo do reator, evitam que o catalisador contamine os produtos que saem do reator. Os produtos gerados no reator seguem para uma torre de fracionamento, onde são separa- dos em frações, como GLP, nafta craqueada, diesel de FCC (LCO) e óleo combustível de FCC. Na torre de fracionamento, ainda é produzids uma fração denominada borra, que, por conter algum catalisador arrastado do pro- cesso de craqueamento, retorna para o início do processo, junto com a carga. Anotações30
  31. 31. Operações Unitárias Bombas6.1 Curvas características de Bombas 6Centrífugas As curvas características de bombas tra-duzem o funcionamento do equipamento emquestão. São produzidas a partir de dadosempíricos (experimentais) do próprio fabrican-te do equipamento, fazendo a bomba vencerdiversas alturas de coluna de líquido, varian-do a vazão do líquido e ao mesmo tempo veri-ficando a potência absorvida pelo eixo da bom-ba e a sua eficiência. As curvas características, fornecidas pe- b) Curva tipo “Drooping”los fabricantes de bombas são: Nesta curva, a altura manométrica, na ausência de vazão (vazão zero ou va- a) curva de carga (H) versus vazão volu- zão de shut-off), é menor do que a de- métrica (Q); senvolvida pelo equipamento para ou- b) curva de potência absorvida (Pabs) tras vazões, conforme apresentado na versus vazão volumétrica (Q); figura a seguir: c) curva de rendimento (h) versus vazão volumétrica (Q). Podem ser obtidas teoricamente ou, então,em testes de performance do equipamento emquestão.6.2 Curva da carga (H) versus vazãovolumétrica (Q) A carga de uma bomba pode ser definidacomo a energia por unidade de peso. As cur-vas de carga versus vazão, fornecidas pelos c) Curva tipo “steep”fabricantes, apresentam, portanto, normalmen- Nesta curva, a altura manométrica (H)te uma das seguintes unidades: aumenta rapidamente com a diminui- ção da vazão, conforme se observa nakgf x m / kgf = m ou lbf x ft / lbf = ft figura a seguir: A curva “carga” versus “vazão” recebediferentes denominações, de acordo com a for-ma que apresenta: a) Curva tipo “rising” 31 Nesta curva, a altura manométrica (H) aumenta continuamente com a diminui- ção da vazão, como pode ser observa- do na figura a seguir:
  32. 32. Operações Unitárias d) Curva tipo “Flat”: PC = r . Q . H / 550 em que: PC = potência cedida em HP r = massa específica em lb/ft3 Q = vazão volumétrica em ft3/s H = altura manométrica em ft PC = g . Q . H / 550 em que: PC = potência cedida em HP g = peso específico em lbf/ft3 As curvas características de bombas po- Q = vazão volumétrica em ft3/s dem ser conceituadas como curvas do tipo es- H = altura manométrica em ft tável e instável. PC = g . Q . H / 75 1. Curva tipo “estável” em que: Curvas do tipo estável são aquelas em que PC = potência cedida em CV um determinado valor de altura manométrica g = peso específico em kgf/m3 (H) corresponderá somente a uma vazão (Q), Q = vazão volumétrica em m3/s como é o caso das curvas dos itens a, c, d H = altura manométrica em m (rising, steep, flat). b) Potência absorvida pela bomba: é a po- 2. Curva tipo “instável” tência que a bomba recebe do aciona- São aquelas em que um determinado va- dor (motor, turbina ou outro equipa- lor de altura manométrica (H) poderá corres- mento). Analogamente à potência ce- ponder a uma ou duas vazões (Q), como é o dida, a potência absorvida pode ser ex- caso da curva do item b (drooping). pressa pelas equações seguintes: 6.3 Curva de potência absorvida (PABS.) Pabs = r . Q . H / 550 . h versus vazão volumétrica (Q) Geralmente, quando se escolhe uma bom- em que: ba, a maior preocupação é com a potência ab- Pabs = potência absorvida em HP sorvida pela bomba, pois esta é a requerida r = massa específica em lb/ft3 pelo acionador da bomba. A seleção do equi- Q = vazão volumétrica em ft3/s pamento será feita, portanto, com base neste H = altura manométrica em ft dado de potência. h = rendimento da bomba É importante que se faça a distinção entre Pabs = g . Q . H / 550 . h “potência útil cedida ao fluido” e “potência absorvida pela bomba”. em que: A potência útil cedida ao fluido não leva Pabs = potência cedida em HP em consideração as perdas que ocorrem no g = peso específico em lbf/ft3 equipamento, enquanto que a potência absor- Q = vazão volumétrica em ft3/s vida no eixo da bomba é a energia efetivamente H = altura manométrica em ft entregue à bomba, para que esta realize traba- h = rendimento da bomba lho desejado. A potência absorvida pela bom- ba considera, então, a eficiência do equipamento. Pabs = g . Q . H / 75 . h a) Potência útil cedida ao fluido: a potên- cia cedida ao fluido, que não considera em que:32 a eficiência da bomba, é a potência re- Pabs = potência cedida em CV cebida por ele para a realização do tra- g = peso específico em kgf/m3 balho de deslocamento do mesmo e Q = vazão volumétrica em m3/s pode ser expressa pelas equações se- H = altura manométrica em m guintes: h = rendimento da bomba

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