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CAPÍTULO 1 - CONCEITOS FUNDAMENTAIS

Eng.José Wellington de Paiva

Destilação do Gás Natural



Capítulo 1

Conceitos Fundamentais



Pressão de Vapor

“ Numa dada temperatura, há apenas uma pressão na qual as fases líquido e vapor de uma substância pura podem existir em equilíbrio ”.



Ponto de ebulição

O Ponto de ebulição é a temperatura na qual, um líquido puro, quando aquecido, começa a vaporizar (forma a primeira bolha de vapor). Esta condição ocorre em que sua pressão de vapor torna-se igual a pressão a qual o líquido está submetido. A temperatura durante a vaporização é sempre constante.







Condições pseudo críticas e pseudo reduzidas



Ponto de Orvalho

“É a temperatura na qual, uma mistura vapor de vários componentes, quando resfriada começa a condensar (forma a primeira gota de líquido.”



Ponto de Bolha

“É a temperatura na qual, uma mistura líquida de vários componentes, quando aquecida começa a vaporizar (forma a primeira bolha de vapor)”



Volatilidade

É a capacidade de uma substância de passar para o estado vapor. Diz-se que uma substância é mais volátil que outra, quando ela tem maior tendência para passar ao estado de vapor, ou seja, ela tem maior pressão de vapor.



Destilação

É um processo no qual uma mistura de líquido ou vapor de duas ou mais substâncias é separada em frações de componentes com uma pureza desejada através da aplicação ou remoção de calor.

CAPÍTULO 2 - EQUILÍBRIO LÍQUIDO-VAPOR


Capítulo 2

EQUILÍBRIO LÍQUIDO-VAPOR



Equilíbrio Líquido-Vapor

“A maioria dos processos de separação na indústria colocam em contato duas fases que não estão em equilíbrio”



Processos de separação

AbsorçãoDestilaçãoExtração



Tipos de Equilíbrio

Líquido-VaporSólido-VaporLíquido-LíquidoSólido-Líquido



Lei de Raoult e Lei de Dalton

pV = yi P (fase vapor )

pL = xi Pio (fase líquida)



Constante de Equilíbrio

É definida como:K = yi/xi

Ki = f(T, P, xi , xj , yi , yj )Para pressões < 60 psiaK = Pi

o/P




Componentes leves:K > 1

Componentes pesados:K < 1




Como K varia com a pressão?

Como K varia com a temperatura?







Ponto de Orvalho

“É a temperatura na qual, uma mistura vapor de vários componentes, quando resfriada começa a condensar (forma a primeira gota de líquido.”



Determinação do ponto de Orvalho

Composição da primeira gota de líquido.

Σ (yi/K) = Σ xi = 1



Ponto de Bolha

“É a temperatura na qual, uma mistura líquida de vários componentes, quando aquecida começa a vaporizar (forma a primeira bolha de vapor)”



Determinação do ponto de Bolha

Composição da primeira bolha de vapor

Σ (Kxi) = Σ yi = 1



Destilação FLASH

Balanço global:F = L + V

Para cada componente:Fzi = Lxi + Vyi

xi = zi/(L + VKi) e yi = zi/(V+ L/Ki)Σ yi - Σ xi = Σ zi(Ki – 1)/(V(Ki –1) +1) = 0

CAPÍTULO 3 - FUNDAMENTOS DA DESTILAÇÃO


Capítulo 3

FUNDAMENTOS DA DESTILAÇÃO



Destilação Integral

É a destilação em uma única etapa ou estágio, em que a mistura líquida, ou seja, a carga é separada em dois produtos: um vapor e um líquido que estão em equilíbrio termodinâmico. É também conhecida como destilação flash.



Características da destilação FLASH:

É uma separação grosseira: utiliza apenas um estágio;

Ocorre em: tambores de flash, zonas de flash de torres de destilação, condensadores parciais de topo e refervedores parciais.



Destilação diferencial

A primeira bolha de vapor que se forma é retirada do contato com o líquido residual e totalmente condensada. Continuando o aquecimento sempre separando o vapor formado, à medida que ele se desprende, para depois condensá-lo. Ao fim de certo tempo teremos dois líquidos de composições diferentes, o condensado mais rico no componente mais volátil e o líquido residual, mais rico no componente menos volátil. Ao contrário da destilação integral, não existe relação de equilíbrio entre os dois líquidos, se bem que existe equilíbrio diferencial entre o líquido e o vapor a medida que esse se forma.





Destilação fracionada

É uma operação de separação de componentes por intermédio de vaporizações e condensações sucessivas que, devido às diferentes volatilidades das substâncias, torna-se possível a obtenção de dois produtos, um com teor elevado dos componentes mais voláteis e outro nos menos voláteis.



Conceito de estágio de equilíbrio

É um conceito que simplifica os processos de transferência de energia e massa numa coluna de destilação. O equilíbrio se dá quando duas fases de composições diferentes são postas em contato resultando na transferência dos diversos componentes de uma fase para outra até que a velocidade de transferência de cada componente seja a mesma em ambos os sentidos.





Eficiência de um Estágio de Equilíbrio

Uma bandeja de uma torre de separação não possui o mesmo desempenho de um estágio de equilíbrio, daí a necessidade de se definir a eficiência dos dispositivos de contato:

Eficiência = Número de pratos teóricosNúmero de pratos reais

Eficiência típica da destilação: 70%Eficiência típica da absorção: 20%



3.4 Volatilidade relativa

É a medida da diferença de volatilidade entre dois componentes. É a forma de expressar quanto um componente é mais volátil que o outro.





Volatilidade Relativa

αij > 1,5 separação é fácil

αij < 1,5 separação é difícl

αij =1,0 separação é impossível

CAPÍTULO 4 - OPERAÇÃO DE COLUNAS DE DESTILAÇÃO


Capítulo 4

Operação de colunas de destilação

















Conceito de Estágio de EquilíbrioDuas fases de composição diferente são postas em contato.

Quando se dá o equilíbrio?

Quando as velocidades de cada componente é a mesma em ambos os sentidos.



Coluna de Destilação ou Fracionadora

Equipamento usado para promover a separação de duas ou mais correntes de produtos, onde dois fluxos internos movem-se em contracorrente através de “dispositivos de contato”.



Funcionamento de uma coluna de destilação

O vapor que se desprende de um dado prato da torre de destilação, no seu ponto de orvalho, a uma certa temperatura e composição, ao atravessar o líquido do prato superior, que está a uma outra composição e menor temperatura sofre condensação preferencial dos seus componentes mais pesados (menos voláteis). O calor liberado pela condensação destes componentes permite a vaporização preferencial dos componentes mais voláteis do líquido que chega ao prato proveniente do prato superior.




o líquido que abandona o prato, além de maior temperatura, é mais rico nos componentes mais pesados do que o líquido que chega ao prato, pois ele recebe maior quantidade de componentes mais pesados e perde maior quantidade de componentes mais voláteis para o vapor.




o topo da torre é o ponto de menor temperatura, menor pressão e maior concentração de componentes mais voláteis. E, consequentemente, o fundo da torre é o ponto de maior temperatura, maior pressão e maior concentração de componentes mais pesados.



Coluna de Destilação ou Fracionadora

Os componentes leves que estão na fase líquida tendem a se intercambiar com os componentes pesados que estão na fase vapor.Sempre que um componente pesado na fase vapor se condensa, um componente na fase líquida utiliza imediatamente o calor liberado na condensação para se vaporizar e escapar da fase líquida



Eficiência de um estágio de equilíbrio

Eficiência = Nº pratos teóricosNº pratos reais

Eficiência na destilação: 70%Eficiência na absorção: 20%



Internos de Torres

⇒ Pratos Borbulhadores⇒ Pratos Perfurados⇒ Pratos Valvulados⇒ Recheios Randômicos⇒ Recheios Estruturados



Filme





Passe

É o número de divisões que o fluxo sofre ao longo da torre.

Qual o objetivo?



Passe é o número de divisões que o fluxo sofre ao longo da torre.

Qual o objetivo?





Recheios Randômicos



Recheios Estruturados



Restrições Operacionais

Restrições hidráulicasRestrições na separaçãoRestrições na transferência de calorRestrições de temperatura e pressão



Problemas Operacionais

Inundação (Flooding)

Ocorre quando a vazão de líquido é excessivaRestrições de temperatura e pressãoVapores ascendentes passam a arrastar líquido paraos pratos superiores.

É provocada por:Excessivas vazões de refluxoExcessiva velocidade dos vapores ascendentes, provocando arraste e dificultando o escoamento do líquido





Os principais sintomas são:

ΔP elevado na zona inundada: Acompanhar ΔP na torre

Esfriamento da zona inundada: Acompanhar perfil de temperatura na torre Excessivas vazões de refluxo





Ações Corretivas:

Reduzir refluxo da torreReduzir a temperatura do forno ou refervedorReduzir carga da unidade




Gotejamento (weeping)

Ocorre quando se opera com baixas vazões de cargaimplicando em baixas vazões de vapores

Tem como consequência o vazamento de líquido para as bandejas inferiores prejudicando o contato líquido-vapor



Arraste (entrainment)

Ocorre quando a vazão de vapor é excessiva

Tem como consequência o transporte de gotas de líquido do prato inferior contaminando-o com componentes pesados.



Variáveis operacionais (Torre desbutanizadora)

Relação líquido-vapor

• Seção de absorçãoL/V ↑ → FRACIONAMENTO ↑ , C5+ GLP ↓L/V ↑ QUANDO REFLUXO TOPO ↑ → CONSUMO DE ENERGIA ↑

• Seção de esgotamento

V/L ↑ → FRACIONAMENTO ↑ , C4- NO C5

+ ↓V/L ↑ QUANDO QREFERVEDOR ↑ → CONSUMO DE ENERGIA ↑




Prato de introdução de carga

O prato ótimo de carga é função da composição de carga e da separação desejada.




Temperatura de carga

TCARGA ↑ → REFLUXO DE TOPO ↑ → L/V ↑ , INTEMPERISMO GLP↓TCARGA ↑ → QREFERVEDOR ↓ → V/LSEÇÃO ESGOTAMENTO ↓, PVR C5+ ↑

Pressão

PRESSÃO ↑→ ∝AB↓ , PVR GLP E C5+ ↑

PVR GLP ↑ → PRESSÃO TOPO ↑ OU TEMPERATURATOPO ↓ (REFLUXO ↑)

ANEXO 1 - PROPRIEDADES FÍSICAS DE HIDROCARBONETOS


ANEXO 1

PROPRIEDADES FÍSICAS DE HIDROCARBONETOS



Regras de misturas

• As propriedades físicas de uma mistura de hidrocarbonetos é o resultado, para gases ideais, da contribuição de cada um na mistura vezes o valor da propriedade do componente puro.

• As propriedades são aditivas em base molar, mássica ou volumétrica



Regras de misturas

O peso molecular médio de uma mistura de gases é dado por:

Mm = Σ yi x Mi

Onde: yi é a fração molar de cadacomponente na mistura.

Mi é o peso molecular de cada componente.







Comportamento PVT dos gases



Comportamento PVT dos gases

f(P,V,T) = 0PV = nRT gás idealPV = nZRT gás real

Z é o fator de compressibilidadeR é a constante dos gases



Fator de Compressibilidade

• É a razão entre o volume molar ocupado por um gás real e o volume molar ocupado por um gás ideal de mesma natureza molecular, nas mesmas condições de pressão e temperatura.

Z = Vreal/ Videal



Equações de estado

• Van der Waals• BWR• Redlich-Kwong(RK)• Soave-Redlich-Kwong (SRK)• Peng-Robinson



Princípio dos Estados Correspondentes

“Todos os gases, quando comparados nas mesmas temperaturas reduzidas e nas mesmas pressões reduzidas, têm, aproximadamente o mesmo fator de compressiblidade e afastam-se, em relação ao comportamento ideal, mais ou menos da mesma forma.”

TR = T/TC PR = P/PC



Condições pseudo críticas e pseudo reduzidas



Terceiro Parâmetro

Z= f(Pr , Tr , terceiro parâmetro)

Este terceiro parâmetro pode se definido como:

Fator acêntrico (w)Fator de compressibilidade crítica (Zc)Refração molecular



O comportamento dos líquidos

“O comportamento dos líquidos não estámuito bem correlacionado através das equações P-V-T”

Equação BWR



Propriedades Físicas de uma mistura de hidrocarbonetos

No caso do petróleo e suas frações, constituídas por misturas complexas, tal tipo de caracterização é impraticável, pois não épossível conhecer-se sempre a composição química e a concentração dos constituintes desses produtos.



Densidade de hidrocarbonetos líquidos

°API = 141,5/ dens. relativa @ 60 °F/60 °F – 131,5



Pressão de Vapor

“ Numa dada temperatura, há apenas uma pressão na qual as fases líquido e vapor de uma substância pura podem existir em equilíbrio ”.



Poder calorífico

• Poder calorífico superior

• Poder calorífico inferior



Calor específico

• Calor específico a Pressão constante Cp

• Calor específico a Volume constante Cv



Ponto de ebulição

“É a temperatura na qual, um líquido puro, quando aquecido, começa a vaporizar (forma a primeira bolha de vapor). Esta condição ocorre em que sua pressão de vapor torna-se igual a pressão a qual o líquido estásubmetido. A temperatura durante a vaporização é sempre constante.”



Diagramas Termodinâmicos

Pressão x TemperaturaPressão x Volume Temperatura x EntropiaPressão x EntalpiaEntalpia x Entropia (Mollier)








ANEXO 2 - REFRIGERAÇÃO

ANEXO 2

REFRIGERAÇAO



Resfriamento por uma válvula de expansão

A maioria dos gases, nas condições ordinárias, apresentam diminuição da temperatura com a queda da pressão.

O Coeficiente Joule-Thomson é definido como:μJT = (∂T/∂P)H



CoeficienteJoule-Thomson



Ciclo de Refrigeração

Refrigeração por compressão a vapor.Fluido Refrigerante: Propano



Ciclo de Refrigeração simples



Ciclo de Refrigeração com economizador



Diagrama P-H para o Propano

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