Destilação Batelada Simples Destilação Batelada por Estágios

Destilação Binária em Batelada

Prof. Rodolfo RodriguesUniversidade Federal do Pampa

BA310 – Operações Unitárias IICurso de Engenharia Química

Campus Bagé

29 de agosto de 2017

Rodolfo Rodrigues Operações Unitárias II

Destilação Binária em Batelada 1 / 24

Destilação Batelada Simples Destilação Batelada por Estágios

Destilação Batelada

São de 2 tipos:

1 Destilação batelada em um único estágio ou destilaçãobatelada simples ou destilação diferencial;

2 Destilação batelada em múltiplos estágios.

Rodolfo Rodrigues Operações Unitárias II

Destilação Binária em Batelada 2 / 24

Destilação Batelada Simples Destilação Batelada por Estágios

Destilação Batelada

Utiliza-se a destilação batelada quando se pretende:

• Produzir poucas quantidades ou composições variáveis dedestilado;• Destilar esporadicamente, p. ex., quando a mistura aseparar é produzida sazonalmente;• Usar o mesmo equipamento para destilar diferentesprodutos.

A destilação batelada pode ser realizada com 2 objetivos:

• Obter um determinado grau de pureza no destilado ou noresíduo.• Destilar uma determinada quantidade da mistura inicial.

Rodolfo Rodrigues Operações Unitárias II

Destilação Binária em Batelada 3 / 24

Destilação Batelada Simples Destilação Batelada por Estágios

Destilação Batelada Simples

Rodolfo Rodrigues Operações Unitárias II

Destilação Binária em Batelada 4 / 24

Destilação Batelada Simples Destilação Batelada por Estágios

Destilação Batelada Simples

Destilação Batelada Simples ou Diferencial

1 A carga, F, é introduzida no refervedor onde é aquecida evaporizada;

2 O vapor formado (rico no mais volátil) é condensado erecolhido — o destilado, D;

3 O líquido que permanece no refervedor, rico no menos volátil,é o resíduo, W.

Obs.: Por ser um processo em batelada (descontínuo), F, We D representam quantidades (mol ou kg) e não vazões.

Rodolfo Rodrigues Operações Unitárias II

Destilação Binária em Batelada 5 / 24

Destilação Batelada Simples Destilação Batelada por Estágios

Destilação Batelada Simples

Figura 1: Destilação diferencial ou em batelada com um único estágio.Fonte: Azevedo & Alves (2013).

Rodolfo Rodrigues Operações Unitárias II

Destilação Binária em Batelada 6 / 24

Destilação Batelada Simples Destilação Batelada por Estágios

Destilação Batelada Simples

Tabela 1: Dinâmica da destilação binária em batelada com um único estágio.

Fonte: Azevedo & Alves (2013).

Rodolfo Rodrigues Operações Unitárias II

Destilação Binária em Batelada 7 / 24

Destilação Batelada Simples Destilação Batelada por Estágios

Destilação Batelada Simples

Em um problema típico de destilação batelada, sabe-se:

A quantidade e a composição da carga inicial.

e deseja-se determinar:

1 A quantidade e a composição do destilado.

2 A quantidade e a composição do resíduo.

3 A energia que é necessária fornecer ao refervedor.

4 O tempo que demora a destilação.

Rodolfo Rodrigues Operações Unitárias II

Destilação Binária em Batelada 8 / 24

Destilação Batelada Simples Destilação Batelada por Estágios

Destilação Batelada Simples

Equação de Rayleigh

lnWf

F=

∫ xWf

xF

dxW

yD − xW(1)

O tempo está presente implicitamente pois tanto Wf como xW

são dependentes do tempo.Para integrar a equação é necessário conhecer a relaçãoentre yD e a variável de integração, xW , através ELV:

1 Sob a forma gráfica ou em tabelas;2 Expressões analíticas.

Rodolfo Rodrigues Operações Unitárias II

Destilação Binária em Batelada 9 / 24

Destilação Batelada Simples Destilação Batelada por Estágios

Destilação Batelada Simples

Passo-a-passo: Dados em Gráfico ou Tabela

1 Para valores de x, obter 1/(y − x), usando valores de x entrexF e um chute para xWf ;

2 Determinar a área sob a curva desde x = xF até x = xWf ,p. ex., pela regra de Simpson simples:∫ xWf

xF

f(x)dx =xWf − xF

6· (2)[

f(xWf ) + 4·f(xWf + xF

2

)+ f(xF)

]

Rodolfo Rodrigues Operações Unitárias II

Destilação Binária em Batelada 10 / 24

Destilação Batelada Simples Destilação Batelada por Estágios

Destilação Batelada Simples

Figura 2: Representação da integração gráfica para destilação batelada simples. Exemplo9-1 de Wankat (2012).

Fonte: Wankat (2012).

Rodolfo Rodrigues Operações Unitárias II

Destilação Binária em Batelada 11 / 24

Destilação Batelada Simples Destilação Batelada por Estágios

Destilação Batelada Simples

Passo-a-passo: Dados em Gráfico ou Tabela

3 Com a equação de Rayleigh, dados F e Wf (ou Df = F −Wf )tem-se:

lnWf

F=

[área sob a curva

entre xF e xWf

](3)

4 Comparar o valor calculado (lado direito da eq. 3) com o valorpretendido (lado esquerdo da eq. 3). Se for diferente, repetiros passos para um novo xWf .

Rodolfo Rodrigues Operações Unitárias II

Destilação Binária em Batelada 12 / 24

Destilação Batelada Simples Destilação Batelada por Estágios

Destilação Batelada Simples

Passo-a-passo: Dados em Gráfico ou Tabela

5 Obter a quantidade total de destilado produzida:

Dtotal = Df = F −Wf (4)

6 Determinar a composição média do destilado a partir de umbalanço por componente:

xDf =xFF − xWf Wf

F −Wf(5)

Rodolfo Rodrigues Operações Unitárias II

Destilação Binária em Batelada 13 / 24

Destilação Batelada Simples Destilação Batelada por Estágios

Destilação Batelada Simples

Passo-a-passo: Expressões Analíticas

1 Dado α (constante), ELV pode ser expresso por:

yD = xD =α·xW

1 + (α − 1)xW(6)

Assim, a eq. de Rayleigh tem solução analítica:

lnxWf Wf

xFF=α ln

[(1 − xWf )Wf

(1 − xF)F

](7)

lnWf

F=

11 − α

ln

[xWf (1 − xF)

xF(1 − xWf )

]+ ln

(1 − xF

1 − xWf

)(8)

Rodolfo Rodrigues Operações Unitárias II

Destilação Binária em Batelada 14 / 24

Destilação Batelada Simples Destilação Batelada por Estágios

Destilação Batelada Simples

Passo-a-passo: Expressões Analíticas

2 Dado K (independente da composição), ELV pode serexpresso por:

yD = xD = K ·xW (9)

Assim, a eq. de Rayleigh tem solução analítica:

lnWf

F=

1K − 1

lnxWf

xF(10)

Rodolfo Rodrigues Operações Unitárias II

Destilação Binária em Batelada 15 / 24

Destilação Batelada Simples Destilação Batelada por Estágios

Destilação Batelada Simples

Figura 3: Dinâmica das composições de produtos de topo e de fundo em uma destilaçãobinária em batelada.

Fonte: Azevedo & Alves (2013).

Rodolfo Rodrigues Operações Unitárias II

Destilação Binária em Batelada 16 / 24

Destilação Batelada Simples Destilação Batelada por Estágios

Destilação Batelada por Estágios

Rodolfo Rodrigues Operações Unitárias II

Destilação Binária em Batelada 17 / 24

Destilação Batelada Simples Destilação Batelada por Estágios

Destilação Batelada por Estágios

Quando a destilação simples não permite atingir acomposição de destilado desejada, é colocada sobre orefervedor uma coluna de destilação com vários estágios.

Nesta operação, parte da corrente de destilado retorna àcoluna para retificação.

Ao contrário da destilação contínua, não há uma seção deesgotamento.

Rodolfo Rodrigues Operações Unitárias II

Destilação Binária em Batelada 18 / 24

Destilação Batelada Simples Destilação Batelada por Estágios

Destilação Batelada por Estágios

Figura 4: Destilação batelada por N estágios. Neste caso, L/V ou xD (ou ambos) variamdurante a destilação.

Fonte: Azevedo & Alves (2013).

Rodolfo Rodrigues Operações Unitárias II

Destilação Binária em Batelada 19 / 24

Destilação Batelada Simples Destilação Batelada por Estágios

Destilação Batelada por Estágios

(a) R constante (b) xD constante

Figura 5: Opções de destilação batelada por estágios: (a) razão de refluxo constante (xDvaria); (b) composição de topo xD constante (R varia).

Fonte: Azevedo & Alves (2013).

Rodolfo Rodrigues Operações Unitárias II

Destilação Binária em Batelada 20 / 24

Destilação Batelada Simples Destilação Batelada por Estágios

Destilação Batelada por Estágios

Figura 6: Representação de destilação batelada por estágios com R constante pelométodo de McCabe-Thiele.

Fonte: Azevedo & Alves (2013).

Rodolfo Rodrigues Operações Unitárias II

Destilação Binária em Batelada 21 / 24

Destilação Batelada Simples Destilação Batelada por Estágios

Destilação Batelada por Estágios

Figura 7: Representação de destilação batelada por estágios com xD constante pelométodo de McCabe-Thiele.

Fonte: Azevedo & Alves (2013).

Rodolfo Rodrigues Operações Unitárias II

Destilação Binária em Batelada 22 / 24

Referências

AZEVEDO, E. G.; ALVES, A. M. Destilação Descontínua. In:________. (Org.). Engenharia de Processos de Separação.2. ed. Lisboa: IST Press, 2013, p. 259-297.

DUTTA, B. K. Batch Distillation. In: ________. (Org.).Principles of Mass Transfer and Separation Process. NewDelhi: Prentice Hall of India, 2007, p. 353-359.

GEANKOPLIS, C. J. Simple Batch or DifferentialDistillation. In: ________. (Org.). Transport Processes andSeparation Process Principles (Includes Unit Operations).4. ed. Upper Saddle River: Prentice Hall, 2003, p. 702-704.

Rodolfo Rodrigues Operações Unitárias II

Destilação Binária em Batelada 23 / 24

Referências

HENLEY, E. J.; SEADER, J. D.; ROPER, D. K. BatchDistillation. In: ________. (Org.). Separation ProcessPrinciples. 3. ed. Hoboken: John Wiley & Sons, 2011,p. 514-519.

McCABE, W. L.; SMITH, J. C.; HARRIOTT, P. BatchDistillation. In: ________. (Org.). Unit Operations ofChemical Engineering. 7. ed. Boston: McGraw-Hill, 2005,p. 724-727.

WANKAT, P. C. Batch Distillation. In: ________. (Org.).Separation Process Engineering Includes Mass TransferAnalysis. 3. ed. Upper Saddle River: Pearson, 2012,p. 327-354.

Rodolfo Rodrigues Operações Unitárias II

Destilação Binária em Batelada 24 / 24