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Destilação Binária Método de McCabe - Thiele

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Apresentação em tema: "Destilação Binária Método de McCabe - Thiele"— Transcrição da apresentação:

1 Destilação Binária Método de McCabe - Thiele
Operações Unitárias I

2 Definições Destilação Operação Unitária baseada no fenômeno de Transferência de Massa e nas diferenças de volatilidades entre os componentes da carga. Largamente empregado em vários ramos da Industria, principalmente no Refino do Petróleo. Volatilidade relativa  α1,2 = K1/K2 = (y1/x1)/(y2/x2) Sabendo que x1 + x2 = 1 e y1 + y2 = 1, chega-se a: y1 = α1,2 x1 1+𝑥1(α1,2 −1) Ki = yi/xi = constante de equilíbrio  razão entre a fração molar da fase vapor e da fase liquida α1,2  volatilidade relativa dá o grau de separabilidade entre o componente i em relação ao j

3 Pressão de vapor Pressão na qual uma substancia passa da fase liquida para a fase vapor em determinada temperatura. Essa pressão pode ser chamada de pressão de vapor ou Pressão de saturação. A temperatura onde ocorre essa transição é chamada de Temperatura de saturação. Quanto maior a pressão de vapor, menor o ponto de ebulição, mais volátil será o composto Para o cálculo da Pressão de vapor a uma dada temperatura  Equação de Antoine (vide Sistemas térmicos) Lei de Raoult: É a relação entre a pressão parcial de uma espécie e sua composição na mistura líquida Pa = Pa*. xa, onde: Pa* = pressão de vapor de A xa = fração molar de A Pa = Pressão parcial de A liquido vapor

4 Lei de Dalton Para misturas gasosas e baixas pressões Pi = P.yi
Pi = pressão parcial de i na mistura gasosa P = pressão total Yi =fração molar da espécie i na mistura gasosa vapor

5 Método de McCabe e Thiele
Método gráfico que utiliza o balanço de massa e o diagrama de equilíbrio Método aproximado, que utiliza as seguintes premissas: Vazões molares entre as fases são constantes  para cada 1 mol de vapor que liquefaz, 1 mol de liquido é vaporizado As vazões molares constantes, a coluna é chamada de CMO (Constant Molar Overflow) Não leva em conta o balanço de energia Os resultados precisam ser refinados

6 A carga é introduzida em um ponto da coluna denominado “zona de flash”.
Quando a carga é composta das fases líquido e vapor, o vapor se encaminha para o topo da coluna e o líquido para o fundo. O vapor no topo é condensado total ou parcialmente no condensador. Total  líquido (destilado) + líquido (refluxo)  não conta como estágio de equilibrio Parcial  Líquido (refluxo) + vapor (destilado)  conta como estágio de equilibrio

7 O líquido no fundo é vaporizado total ou parcialmente no refervedor.
Total  Vapor (produto) + vapor (refluxo)  não conta como estágio de equilíbrio Parcial  Líquido (produto) + vapor (refluxo)  conta como estágio de equilíbrio

8 Refluxo líquido no topo  contato com o vapor ascendente.
Refluxo de vapor no fundo  contato com o líquido descendente. Assim, há transferência de massa entre as fases  “força motriz” da operação de destilação. O líquido de um estágio superior resfria o vapor do estágio inferior, logo há um perfil de temperatura crescente do topo para o fundo da coluna.

9 O líquido que “desce” é mais rico no componente mais volátil.
O vapor que “sobe” é mais pobre no componente mais volátil. Região superior da coluna  Seção de enriquecimento ou absorção (vapor rico com o produto mais volátil) Região inferior da coluna  Seção de esgotamento (líquido pobre com os mais voláteis, rico com menos voláteis, líquido esgotado dos mais leves = mais pesados) Topo  mais leves, mais voláteis, menor Teb Fundo  mais pesados, menos voláteis, maior Teb.

10 Notações F = vazão de alimentação D = vazão do destilado B = Vazão do produto de fundo R = razão de refluxo L = vazão de líquido (ou L’ para o fundo) V = vazão de vapor (ou V’ para o fundo) n = estágio n m = estágio m x e y = frações molares das fases líquido e vapor

11 Balanços de Massa na Coluna

12 Seção de absorção

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15 Seção de Esgotamento

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18 Condição da Alimentação

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20 Equação da linha de alimentação – Linha q

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23 Para cada faixa de valores de q temos uma condição diferente
Para o liquido sub resfriado Tb = temperatura do ponto de bolha Para o vapor superaquecido Td = temperatura do ponto de orvalho

24 RESUMINDO

25 Condições limites de operação
Refluxo Total R → ∞ N → Nmin Na prática, significa que a coluna opera sem retirada de produto de topo, ou seja D = B = 0. Neste caso, a ROSA fica y = x, ou seja, a linha de retificação coincide com a diagonal .

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27 Passo a Passo No diagrama x-y, marcar xb , zf e xd na linha de 45°
Traçar a linha-q a partir de z e do coeficiente angular (q/q − 1) Traçar a ROSA a partir de xD passando na interseção da linha q e com a curva de equilíbrio, encontrar o ponto correspondente no eixo y Este ponto no eixo y corresponde a (xD/Rmin + 1), como já sabemos de antemão o valor de xD, calcula-se Rmin Calcula-se o Rop, pois Rop = n.Rmin Uma vez calculado o Rop, determina-se a “nova ROSA”, com o coeficiente angular adequado a este Rop Traçar a ROSE a partir de xb e do ponto de intersecção entre as linhas q e a ROSA; O no de degraus traçados de xD até coincidir ou ultrapassar xb (do topo para o fundo da coluna) é o n o de estágios teóricos, O estágio onde a prolongação da linha-q primeiro atravessar é o estágio ótimo para carga, NF .

28 EXERCICIOS 1- Uma mistura contendo 45% de benzeno e 55% de tolueno é enviada a uma coluna de destilação a 100Kg/h, determine as vazões de destilado e produto de fundo, sabendo que obteve-se 2% de tolueno no destilado e 3% de benzeno no produto de fundo. 2-Seja a mistura n-heptano e p-xyleno, cuja vazão de alimentação é 200kmol/h e composição Zf1 = 0,55, sabendo que a coluna opera a pressão atmosférica e a mistura encontra-se sob fase Liquido/vapor na proporção de 50% cada fase. Se a composição do destilado é Xd1 = 0,95 e do produto de fundo é Xb2= 0,96 e a volatilidade relativa entre eles é 7, determine: Rmin, Nmin, N para R = 1,5Rmin e NF

29 Eficiência da Destilação
As fases Líquida e Vapor que deixam um estágio não estão equilíbrio, pois o tempo de contato entre as fases é muito rápido A eficiência relaciona um estágio de equilíbrio (ideal) com o respectivo estágio real, podendo esta eficiência ser global, Eo, quando se refere à coluna ou a eficiência do prato ou de Murphree, Em, quando se refere a cada prato individualmente. A Em, pode ser relativa a fase liquida ou a fase vapor:

30 Para EML , começar a determinação dos pratos a partir do topo da coluna;
Para EMV, começar a determinação dos pratos a partir do fundo da coluna; O refervedor corresponde a um estágio de equilíbrio (100% de eficiência).

31 Define-se a eficiência global como Eo = N°de estágios ideais /N° de estágios reais , onde Nideal / Nreal < 1 Pela correlação de O’Connell, tem-se: E0 = 49,2 · (µα) −0,245 válido para 0,1 < µ < 10 cP.

32 Exercícios 3- Uma mistura líquida de benzeno–tolueno é destilada em uma coluna de destilação a pressão de 101,3 kPa. A alimentação de 100 kmol/h é líquida, contem 45 mol% de benzeno e 55 mol% de tolueno e entra a 327,6 K (130°F). Um destilado contendo 95 mol% de benzeno e 5 mol% de tolueno e um produto de base contendo 10 mol% de benzeno e 90 mol% de tolueno são obtidos. A razão de refluxo é 4:1. Determine: a) Vazões molares de produtos de topo e de fundo. b) Número de estágios teóricos e o estágio ótimo para alimentação. c) Razão de refluxo mínima. d) Número mínimo de estágios teóricos. e) Número de estágios reais para uma eficiência de Murphree para fase vapor de 0,6 e a eficiência global. A temperatura de ponto de bolha da alimentação é 366,7 K (200,3°F), a capacidade calorífica média da alimentação ´e de 159 kJ/kmol/K (38 Btu/lbmol/°F) e o calor latente médio é de kJ/kmol (13800 Btu/lbmol). Utilize o diagrama de equilíbrio dado na Fig. 1 e aplique o método gráfico de McCabe-Thiele.

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34 Retirada lateral Balanço em torno da envoltória 1
V = Lo + D , mas L = Lo  V = L + D yV = xL + xdD y = (L/V)x + (D/V)xd (Rosa) Mas R = L/D, então chegamos a: Y = ( 𝑅 𝑅+1 )𝑥+ 1 𝑅+1 𝑥𝑑 (Rosa)

35 3- Fazer o balanço na envoltória 2
2- Plotar a reta de alimentação V’ = L’ + D + S yV’ = xL’ + xsS + xdD y = ( 𝐿′ 𝑉′ )𝑥+ 𝑥𝑠𝑆 + 𝑥𝑑𝐷 𝑉′ 𝑥𝑑

36 ROSA INT Plotar a reta da retirada lateral (ROSA int), cujo coeficiente angular é diferente da reta original (ROSA- vermelha) Coeficiente angular da ROSA int = L’/V’ Coeficiente linear da ROSA int = A RETA VERDE REPRESENTA A CONDIÇÃO TERMODINÂMICA DA RETIRADA LATERAL, NESTE CASO É LIQUIDO SATURADO, MAS PODERIA SER OUTRA CONDIÇÃO

37 Para finalizar, traçar a ROSE, desde xb até a interceção

38 ROSA ROSA INT ROSE

39 EXERCÍCIO 4- Para separar metanol da água, a partir de uma alimentação de molar, sendo esta mistura apresentando 50% desta carga vaporizada sob a vazão de 500kmol/h. O condensador considerado é total e a razão de refluxo é 2. A composição do produto de topo e de fundo são 0,95 e 0,05 mols respectivamente. A retirada lateral é liquido saturado a uma vazão de 100kmol/h, na qual sua composição é 0,75. Determine o numero de estágios e o estágio ótimo de alimentação.

40 Utilizar este gráfico para a resolução do exercício

41 Duas Alimentações A ideia da dupla alimentação é a mesma da retirada lateral Importante fazer o balanço na região do topo, na região da primeira alimentação e o balanço global da coluna

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43 EXERCÍCIO 5- Uma coluna de destilação com condenador total e reboiler parcial é utilizada para separar acetona do etanol, para tal, foi utilizada 2 alimentações, onde F1 = 100mol/h e F2 = 200mol/h. A F1 apresentava z1 = 0,7 como liquido saturado e F2, com z2 = 0,4 como vapor superaquecido, onde para cada 1 mol de liquido será vaporizado para cada 10 mols de alimentação. Deseja-se Xd = 0,95 e Xb = 0,05, sendo (L/V) = 2*(L/V)min , utilize a F1 para determinar (L/V)min. Quantos estágios são necessárias para esta separação e qual o estágio ótimo da alimentação F1 ?

44 Utilizar este gráfico para a resolução do exercício

45 Dimensionamento de Torres de
Operações Unitárias Dimensionamento de Torres de Pratos

46 Dimensionamento Após a determinação do Número de estágios, ponto ótimo de alimentação, também é importante definir os tipos e tamanhos dos dispositivos de contato entre as fases líquido e vapor. Os dispositivos principais são os pratos ou recheios, além dos acessórios (distribuidores, suportes, etc). Objetivo dos recheios ou pratos  Promover o íntimo contato entre as fases mediante um equilíbrio hidráulico Em cada prato, existe o escoamento do vapor através dos orifícios do prato, e a força motriz que permite tal escoamento é a pressão

47 Equipamentos de uma coluna
1- Distribuidores de líquidos  Essencial para o bom desempenho de uma coluna, tem a função de manter o leito da coluna uniformemente “molhado” para uma efetiva troca de massa entre as fases (L e V) evitando regiões secas. Típicas de colunas de recheio.

48 2- Distribuidores de Vapor  A distribuição de vapor é menos crítica do que a de líquido, mas não deixa de ser importante para promover o contato entre as fases ( o vapor consegue se distribuir com mais facilidade, por isso é menos crítico)

49 3- Bandejas ou pratos – Promovem o contato entre a fase vapor ascendente e a fase líquida descendente. Existem inúmeros modelos de pratos, a seguir serão apresentados alguns deles: Prato convencional perfurado Prato de alta performance

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52 Tipos de pratos Com downcomer  reservam parte da área do prato para a descida do líquido para o prato inferior (Perfurados, Valvulados e Borbulhadores) Sem downcomer  O Líquido e o vapor atravessam pelos furos do prato.

53 Fluxos de líquido e vapor – com
downcomer

54 Pratos com Borbulhadores
Eram os mais utilizados em destilação Atualmente, estão entrando em desuso devido aos pratos de alta eficiência Desvantagem: Necessitam de inúmeros ajustes e peças para sua instalação.

55 Pratos Valvulados É um prato perfurado com um disco móvel em cada furo. Quando a vazão de vapor é baixa, o disco tampa o furo prevenindo o weeping (gotejamento). Desvantagens: operação barulhenta, corrosão nas válvulas, constante movimento das válvulas acarreta em fadiga do material.

56 recomendados para serviços corrosivos
Pratos perfurados Os diâmetros podem variar de 1/16” a 1” em colunas de laboratório/piloto Em casos industriais, de 8” a 36” Furos muito pequenos não são recomendados para serviços corrosivos Desvantagem: Em caso de vazões variáveis, não é possível o controle da abertura/fechamento dos furos.

57 Colunas de Pratos x Recheios
Colunas de Pratos  Normalmente colunas de grande diâmetro, líquidos que apresentem impurezas e elevadas vazões. Colunas recheadas  são adequadas para serviços a vácuo (destilação de frações pesadas), líquidos corrosivos, com formação de espuma, (pois nos pratos a espuma tende a aumentar quanto passam pelos borbulhadores.

58 Recheios As colunas de destilação também podem ser recheadas (ou empacotadas) Basicamente existem 2 tipos de recheio – randômico e estruturado Randômico  distribuídos aleatoriamente no interior da coluna, promovem um íntimo contato entre as fases líquida e vapor em todo o corpo da coluna. Estruturado  feitos sob medida, são mais caros do que os anteriores, mais modernos e apresentam maior eficiência na separação , pois não permitem a formação de regiões de acúmulo (escoamento preferencial em determinadas regiões no interior da coluna)

59 Recheios randômicos 1ª Geração (1907 – 1950)  Produziu 2 tipos
básicos – O anel de Raschig e sela de Berl. O anel de Raschig é um cilindro oco onde o diâmetro = altura Por ser robusto, este anel é recomendado nos casos de vibração severa. As selas de Berl, apresentam melhor aerodinâmica, fornecendo menor queda de pressão e maior capacidade do que os aneis de Raschig.

60 Anéis de Raschig bipartido
Aneis de Raschig Anés de Lessing Anéis de Raschig bipartido Selas de Berl

61 Recheios Randômicos Normalmente, utilizamos o recheio randômico para
casos onde Dcoluna/Drecheio <8 Os recheios podem ser produzidos em vários materiais: metal, cerâmica, plástico e carbono. Os recheios metálicos são largamente empregados em casos onde exige-se um baixo custo fixo, alta resistência mecânica e maior capacidade e eficiência. Plásticos  Baixo custo fixo, pequeno peso, atualmente alguns tipos podem ser usados nas mais diversas condições de resistência quimica e térmica.

62 Recheios Randômicos 2ª geração:
- Produzido em plástico, cerâmica, metal, redução do tamanho da coluna em até 35% área do recheio bem distribuída (melhor transferência de massa). Anéis de Pall Selas Intalox

63 Recheios Randômicos 3ª Geração  Aneis IMTP (Intalox Metal Tower
Packing) Formatos mais aberto Melhor distribuição de líquido Maior resistência mecânica Redução de +/- 40% da queda de pressão Redução de +/- 25% da altura do leito recheado. Produzido apenas em metal

64 Anéis CMR (Cascade Mini Ring)
Recheios Randômicos 3ª geração Anéis CMR (Cascade Mini Ring) Relação altura/diâmetro 1:3 Redução do atrito Anéis Nutter Ring Formato de sela Baixo Atrito Grande resistência mecânica

65 Recheios estruturados
Cosntituido de chapas metálicas corrugadas perfuradas ou não. 1953  Panapak  recheio de chapa metálica ondulada (1° recheio) Final dos anos 50  recheios de maior eficiência  Goodloe, Hyperfil e o Koch Sulzer (2ª geração) Utilizados em destilação a vácuo Baixa perda de carga 100% área molhada Alto custo

66 Recheio Estruturado 3ª geração  final dos anos 70
Alta capacidade, custo mais baixo, menor sensibilidade aos sólidos, alta eficiência - Representado principalmente pelos Recheios da Sulzer

67 Área superficial Os recheios apresentam elevada área superficial de transferência de massa, o que eleva o desempenho da destilação. Quanto mais “molhada” estiver a superfície do recheio, maior a área de transferência de massa, logo, quanto melhor a molhabilidade do recheio, maior a área efetiva de transferência de massa e maior a eficiência da separação.

68 Geometria do Recheio A superfície corrugada permite o escoamento do líquido e do vapor em contato direto e eficiente Cada elemento do recheio sofre uma rotação de 90° com relação ao recheio inferior garantindo uma boa escoabilidade. A macroestrutura é constituída de corrugações cuja dimensão varia de 1 a 5cm, formando canais com ângulos de 45° Quanto menores as medidas B, S e h, menor a abertura, maior a área de contato e mais eficiente o recheio. Porém, aberturas estreitas podem causar entupimento das passagens de líquido ou vapor e corrosão.

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70 Comparação completa Característica Borbuladores Perfurados Valvulados
Rech Rand Rech Estrut Baixa Vazão de líquido ok cuidado aplicável Ok – cuidado Alta vazão de líquido Não espuma Ok sólidos corrosivo Diâmetro pequeno Baixa pressão

71 Limites operacionais de uma coluna
Uma coluna deve operar dentro de uma determinada faixa de vazões de líquido e vapor. Fora desta faixa, pode ocorrer queda de eficiência ou aumento na perda de carga Vamos avaliar os principais problemas operacionais de uma coluna. 1 – Weeping  Gotejamento  Passagem de líquido através dos furos do prato ou das válvulas. Este não é um fator limitante, pode ocorrer em quaisquer pratos e a eficiência não é muito afetada por este fenômeno. - Dumping  Weeping extremo  Esta é uma condição limitante para a coluna, há uma grande queda na eficiência do processo. Blowing  Caracterizado pelo baixo tempo de contato entre as fases líquido e vapor, ocorre para baixas vazões de líquido.

72 Inundação por downcomer back up  É uma situação instável, onde a inundação se dá pela insuficiência de downcomer, ou seja, o prato superior é atingido pela inundação do prato inferior, ocasionando uma elevada perda de carga. Este problema é típico de insuficiência de área perfurada ou altura excessiva do vertedor de saída. Inundação por arraste  Jet flooding  caracterizado pelo arraste excessivo de gotículas de líquido de uma bandeja para a bandeja superior, ocasionado pelas excessivas velocidades (vazões) do vapor.

73 Fato Consequência Máxima vazão de gás Blowing, elevada perda de carga podendo inundar o downcomer, pode ocorrer o jet flooding Mínima vazão de gás Weeping e Dumping se houver vazões elevadas de líquido, pouco contato entre as fases. Máxima vazão de líquido Inundação, Weeping ou dumping se houver baixas vazões de gás, arraste de bolhas por insuficiência de downcomer Mínima vazão de líquido Blowing, entrada de gás pelo downcomer, contato pobre e baixa eficiência devido ao nível insuficiente de líquido no prato.

74 Dimensionamento de Colunas
Dimensionamento dos pratos da coluna – método proposto por Towler Para o cálculo do diâmetro da coluna é preciso estimar a velocidade máxima de inundação (uf), proposta por Fair (1961, apud TOWLER, 2008), dada pela Equação K1 é constante, ρL e ρv são as massas específicas de líquido e vapor

75 Para estimar a constante K1 é preciso calcular o fator de fluxo de líquido-vapor (𝐹𝐿𝑉) pela Equação abaixo, e obtê-la pela Figura 1

76 Então, obtém-se o valor da área livre ativa (An) dividindo-se a vazão de vapor Vw pelo produto entre a massa específica do vapor e a velocidade de inundação (uv), conforme Equação abaixo Segundo Gouvêa (1999), a área An pode ser obtida pela Equação considerando o fator FLV é descrito como uma margem de segurança do projeto.

77 Considera-se uv sendo 85% do valor da velocidade máxima de inundação, uf
Por fim, estima-se a área transversal da coluna (Ac) O diâmetro pode ser encontrado pela Equação

78 Áreas do prato: As áreas do vertedor (Ad), ativa efetiva (Aa) e de perfurações (Ah) são estimadas pelas Equações: A quantidade de área perfurada, segundo Caldas et al (2007), está entre 8 e 12% da área ativa da maioria dos pratos utilizados. Baixas porcentagens de área perfurada geram maiores eficiências e menores capacidades. Isto porque um prato com menos orifícios diminui as chances de ocorrência de weeping, proporcionando a operação da coluna em vazões baixas

79 Velocidade de gotejamento (weeping):
O limite mínimo da faixa de operação ocorre quando o líquido escoa pelos orifícios. Este ponto é chamado de ponto de gotejamento. A velocidade de vapor neste ponto é a mínima para que a coluna opere de modo estável. A área de perfurações (Ah) deve ser muito bem determinada a fim de que a velocidade do fluxo de vapor esteja imediatamente acima deste limite mínimo, esta velocidade pode ser estimada por: Onde K2 é uma constante obtida pela correlação com a altura total do vertedor, dh é o diâmetro do orifício. K2 é obtida pelo gráfico da Figura 2, que é correlacionada com a altura total do vertedor mais líquido.

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81 A altura how do vertedor é obtida pela equação abaixo e então, obtém-se a velocidade do vapor no ponto em que ocorre gotejamento. Onde: lw = comprimento do vertedor. A altura do vertedor hw = altura do vertedor Uma hw muito alta promove o aumento da eficiência, porém, o custo é maior e a queda de pressão no prato também aumenta. Para colunas operando sob pressão atmosférica, recomenda-se uma hw entre 40 e 50 mm (TOWLER, 2008). A altura do vertedor de saída varia de 0 a 100 mm, sendo empregado normalmente, para vazões mínimas, o valor de 7 mm (CALDAS et. al., 2007) O comprimento do vertedor (lw) é o parâmetro que delimita a área do downcomer. Recomenda-se usar um valor inicial de 77% do valor do diâmetro da coluna. Com isso, a área de downcomer corresponderá a 12% da área transversal. Para demais valores, pode-se utilizar o gráfico da Figura 3 do Anexo A para encontrar a área de downcomer.

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83 Dimensões dos orifícios:
Towler (2008) recomenda um diâmetro dos orifícios de 2,5 a 12 mm. Normalmente, o comprimento do diâmetro do orifício é aproximadamente igual à espessura do prato. A Equação fornece uma correlação entre a área total para perfurações (Ap) e a área perfurada (Ah) para encontrar a distância entre os orifícios (lp). A espessura do prato varia de 1,52 a 6,35 mm, dependendo do tipo de material constituinte do prato e da velocidade de corrosão do material (CALDAS et. al., 2007).

84 A área total para perfurações Ap é dada pela Equação:
Em que Acz corresponde a área das zonas calmas. Queda de pressão no prato: A queda de pressão se deve ao movimento do gás fluindo pelos orifícios e ao líquido que fica retido sobre o prato. Para estimar a pressão existente no prato, utiliza-se O termo ht é a soma das alturas de líquido existente no prato. Segundo Towler (2008), a altura total (ht)é a soma da altura do prato em estado seco (hd), com a dimensão do vertedor (hw), somada a altura da espuma (how) e um residual (hr).

85 Em que ΔPt refere-se a queda de pressão total no prato em na unidade Pascal (Pa).
O coeficiente de descarga (C0), é obtida pela Figura 4

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87 Destilação Multicomponente

88 Absorção Gasosa


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