Coluna De Pratos Perfurados 6a4w4w

Internos de colunas

1 OP III – Eng. Química - UFPR

Profa. Agnes de Paula Scheer



Tipos de borbulhadores:















Diagrama do desempenho do prato perfurado 10 OP III – Eng. Química - UFPR


Procedimento para projeto de coluna com pratos perfurados • inicia-se com um 'layout" aproximado, checase os fatores chaves de desempenho e revisa-se os cálculos, quando necessário, até que um projeto satisfatório seja atingido



• Procedimento: • 1. calcular as vazões máxima e mínima de vapor e líquido para determinada separação; • 2. encontrar ou estimar as propriedades da mistura; (PPDS= Physical Property Data Service, DECHEMA,...); • 3. selecionar um espaçamento entre pratos; • 4. estimar o diâmetro da coluna, baseado nas considerações de inundação; • 5. decidir o arranjo do fluxo líquido; 12 OP III – Eng. Química - UFPR


• Procedimento: • 6. fazer um 'layout" inicial do prato: área do duto de saída, área ativa, área com furos, tamanho dos furos altura da barreira; • 7. checar a taxa de gotejamento (choro), se não satisfatória, voltar ao o 6; • 8. checar a perda de carga no prato, se muito alta, retornar ao o 6; • 9. checar o nível do líquido no duto de saída, "downcomer", se muito alto, retornar ao o 3 ou 6;



• 10. decidir detalhes do prato: zonas calmas, áreas sem perfurações, checar o o dos furos, (distância entre os centros dos furos); • 11. recalcular a porcentagem de inundação baseada no diâmetro da coluna; • 12. checar arraste, se muito alto, retornar ao o 4. • 13. Otimizar o projeto, repetir os os de 3 a 12 para encontrar o menor diâmetro e menor espaçamento de pratos aceitáveis • 14. Finalizar o projeto: descrever as especificações do prato e desenhá-lo



downcomer

prato

Aa vapor

prato



DIÂMETRO Dc = f( uf, vazão volumétrica do vapor, An) u f = K1 FLV

ρ L − ρv ρv

Lm = Vm

ρv ρL

uf = f(K1, densidades L e V) K1 = f(TS e parâmetro de fluxo,F

LV

)

FLV= (vazão mássica de L e V em kg/s, densidades de V e L) 16 OP III – Eng. Química - UFPR


Procedimento para projeto de coluna com pratos perfurados

ÁREAS DO PRATO: Ac = área total da seção transversal; Ad = área do downcomer; An = área líquida disponível para contato L e V (normalmente = Ac – Ad para um prato com o único) Aa= área ativa, ou área de borbulhamento Aa=Ac -2Ad (prato o único) Ah = área furada, área total dos furos ativos Ap = área perfurada (incluindo áreas bloqueadas) 17 OP III – Eng. Química - UFPR


Projetar os pratos para a coluna especificada abaixo • Destilação Acetona/Água – • Considere a vazão da alimentação de 10.000 kg/h. A alimentação contem 10% em massa de acetona. No topo deseja-se um produto com pelo menos 98% de pureza e a solução aquosa efluente não deve conter mais que 50 ppm de acetona. A alimentação será a 20°C. • Dados: • N=16; inclinação da reta de retificação = 0,57; inclinação da reta de esgotamento = 5,0; composição do fundo – essencialmente água; razão de refluxo = 1,35 18 OP III – Eng. Química - UFPR


• eficiência da coluna 60%; assumir perda de carga de 100 mm de H2O/prato; refervedor parcial; • P no topo = 1 atm; ∆Pcoluna = 24.525 P P fundo = 125.925 Pa ≅ 1,26bar

Das tabelas de vapor:

Topo: 98% m/m acetona

106 C ρ v = 0,72kg / m 3 ρ L = 954 kg / m 3 σ = 57 × 10− 3 N / m T = 57 C ρV = 2,05kg / m 3 ρ L = 753kg / m 3 M = 55,6 σ = 23 × 10− 3 N / m 19

OP III – Eng. Química - UFPR


Procedimento para projeto de coluna com pratos perfurados

• Restrições para usar a figura 11.27: • • • • •

•

Tamanho de furo < 6,5mm; Altura da barreira menor que 15% do TS; Sistemas que não formem espuma; Razão (furos/área ativa) maior que 0,10; para outras razões aplicar as seguintes correções: furos/área ativa multiplicar K1 por: 0,10 1,0 0,08 0,9 0,06 0,8 σ = 0,02 N/m, para outros valores multiplique o valor de K1 por: [σ/0,02]0,2 20



DIÂMETRO DA COLUNA: Dc Fundo : FLV

0,72 = 5 ,0 = 0,14 954

Topo : FLV

2,05 = 0,57 = 0,03 753

Considerando TS = 0,5 m K1 corrigido

Fig. 11.27

Topo = 9,3 × 10− 2 Fundo = 9,2 × 10− 2

85% da inundação

Topo = 9,0 × 10− 2 Fundo = 7,5 × 10− 2

Topo u f = 1,78m / s Fundo u f = 3,38m / s

Topo → 1,51m / s Fundo → 2,87 m / s 21



Vazão volumétrica: 55,5 × 55,6 = 0,42 m 3 s 2,05 × 3600 162,3 × 18 Fundo = = 1,13 m 3 s 0,72 × 3600

Topo =

Área disponível (An) = área líquida

Fundo : An = 1,13 / 2,87 = 0,40m 2 Topo : An = 0,42 / 1,51 = 0,28m

2



1ª tentativa – área downcomer 12% FUNDO: 0,46 m2 TOPO: 0,32 m2

• • • • •

Dc = ? ≠ > 20% FUNDO: 0,77 m TOPO: 0,64 m Usar Dc = 0,80 m (reduzindo área perfurada por prato acima da alimentação)



- cálculo da velocidade do vapor para operação normal: un = FF ×u f área e diâmetro : An =

Qv un

Ad / Ac →0,08 a 0,12 →0,10 a 0,15 Com Dc recalculam-se as novas áreas e a velocidade do vapor. Com a velocidade recalculada, têm-se novo valor de FF. Tendo-se Dc - verifica-se o valor de TS adotado: TS ~ 450 mm ~ 525 mm ~ 600 mm OP III – Eng. Química - UFPR

Dc < 1200 mm 1300 a 1400 mm > 1500 mm Profa. Agnes de Paula Scheer

24

- Escolha do tipo de fluxo no prato: - cross flow single - fluxo cruzado agem única: $

construção mais simples, longo percurso de líquido

- reverse flow - fluxo reverso/inverso: downcomer de entrada e saída do líquido são colocados do mesmo lado - chicana central

- double - o duplo: divide o fluxo em duas partes $

eficiência < do que o fluxo cruzado



TIPO DE FLUXO

• Fig. 11.28 é uma orientação aproximada sugerida por Bolles: • • •

Cross-flow Reverse-flow Double A Fig. 11.28

• •

Primeira estimativa An e Af/Aa = 0,10

•

Vazão de líquido em m3/s

•

L = m3/s e Dc em metros

Ad = 0,12Ac



DETALHAMENTO • Altura da barreira – Fig. 11.31 • Iw = comprimento da barreira (fixa a área do downcomer) • • • •

12% Iw/ Dc = 0,76 Iw = 0,60 m hw= 40 e 90 mm hw= 50 mm Df = 5 mm espessura chapa (ec) = 5 mm

• Escolha: • • • • •

Processo de fabricação – estampagem $, + prático Aço carbono dh mínimo = ec Aço inox dh mínimo = 1,5 a 2X (ec) Espessura do prato = 5 mm (aço carbono) Espessura do prato = 3 mm (aço inox) 27



ARRASTE • Uv = 1,13/ 0,44 = 2,57 m/s • Fig. 11.29: % inundação = u(vapor operação, An)/ uf • % inundação = 76

uf = K1√(ρL- ρV)/ ρV

• FLV = 0,14 • Ψ = 0,008 • 76 < 85%

bem abaixo 0,1 Dc porém

∆P 28



Choro – gotejamento (weeping) •

Vazão do líquido (kg/s) = 4,06

• •

LW = 2,85 kg/s Considerando mínima = 70% Calcula-se a velocidade mínima do vapor através dos furos: [K

ûh =

hOW

K2

=

f(hw + h

− 0,90 ( 25,4 − d h ) ] ( ρ V )1 / 2

 L  = 750  W   ρ L IW 

)

ow

2

2/ 3

Fig. 11.30 29



Perda de carga - prato seco estimada pela expressão p/ fluxo por orifícios: Qv uh = Ah 2

 uh  ρ v hd = 51   Co  ρ L



Área Perfurada •

• •

•

Área disponível para a perfuração será reduzida pelas obstruções causadas pelos dispositivos estruturais (anéis de e e barras) e pelo espaço ocupado pelas zonas calmas ou de líquido claro. As zonas calmas são regiões não perfuradas do prato nos lados de entrada e saída. Valores recomendados são: » Dc < 1,5 m ~ 75 mm » Dc > 1,5 m ~ 100 mm A largura do anel de e para pratos seccionados será normalmente – 50 a 75 mm,



0,80 m

Área perfurada

50 mm



• o – distância entre os centros dos furos Ip não deve ser menor que 2x o diâmetro do furo. • Tamanho do furo varia de 2,5 a 12 mm, • sendo 5 mm + usado • Calcular número de furos para o prato dimensionado e a distribuição triangular.













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