DESTILAÇÃO DIFERENCIAL PROF. DR. FÉLIX MONTEIRO...
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ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA - USP
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
DESTILAÇÃO DIFERENCIAL
PROF. DR. FÉLIX MONTEIRO PEREIRA
ETAPAS DE UM PROCESSO QUÍMICO INDUSTRIAL
DIAGRAMA
OPERAÇÕES UNITÁRIAS E TRANSFORMAÇÕES QUÍMICAS
MATÉRIA-PRIMA
PREPARAÇÃO
DISSOLUÇÃO, MISTURA, FILTRAÇÃO, MOAGEM, PENEIRAÇÃO, ETC...
INTRODUÇÃO
PREPARAÇÃO
PROCESSO DE TRANSFORMAÇÃO
PRODUTOS E SUBPRODUTOS
REAÇÃO QUIMICA COM OU SEM CATALISADORES
DESTILAÇÃO, CRISTALIZAÇÃO, CENTRIFUGAÇÃO, EVAPORAÇÃO, SECAGEM,
FILTRAÇÃO, ETC...
INTRODUÇÃO
DESTILAÇÃO:
- OPERAÇÃO UNITÁRIA UTILIZADA NA PURIFICAÇÃO DE MISTURAS DELÍQUIDOS MISCIVEIS E COM VOLATILIDADES DIFERENTES;
-REALIZADA EM CONDIÇÕES DE EQUILÍBRIO LÍQUIDO-VAPOR;
-O COMPONENTE MAIS VOLÁTIL É CONCENTRADO NO DESTILADO E OMENOS VOLÁTIL É CONCENTRADO NO RESÍDUO;
-PODE SER REALIZADA EM UM ÚNICO ESTÁGIO OU EM MÚLTIPLOSESTÁGIOS.ESTÁGIOS.
resíduodestilado
DESTILAÇÃO EM UM ÚNICO ESTÁGIO
DESTILAÇÃO SIMPLES (BATELADA)
-BAIXA EFICIÊNCIA (UM ÚNICO ESTÁGIO)
-NORMALMENTE UTILIZADA COMO UMAETAPA INICIAL DE REMOÇÃO DECOMPONENTES MAIS VOLÁTEIS.
-UTILIZADA EM ESCALA DE BANCADA,POR SER DE SIMPLES OPERAÇÃO EBAIXO CUSTO DE IMPLEMENTAÇÃO.BAIXO CUSTO DE IMPLEMENTAÇÃO.
-UTILIZADA TAMBÉM NA INDÚSTRIA DEBEBIDAS.
DESTILAÇÃO FLASH (CONTÍNUA)
-BAIXA EFICIÊNCIA (UM ÚNICOESTÁGIO)
-NORMALMENTE UTILIZADA COMOUMA ETAPA AUXILIAR À OUTRAOPERAÇÃO DE DESTILAÇÃO
DESTILAÇÃO EM MÚLTIPLOS ESTÁGIOS:
-PODEM SER OPERADAS EMBATELADA OU DE FORMACONTÍNUA;
-MELHOR EFICIÊNCIA DESEPARAÇÃO;
-VÁRIAS FORMAS DE OPERAÇÃO;
-PODEM SER RETIRADASFRAÇÕES DE DIFERENTESFRAÇÕES DE DIFERENTESCONCENTRAÇÕES NA COLUNA,POSSIBILITANDO A OBTENÇÃO DEDIFERENTES PRODUTOS EM UMAÚNICA COLUNA;
-CONCENTRAÇÃO DE MAISVOLÁTEIS AUMENTA EM DIREÇÃOAO TOPO DA COLUNA;
-AMPLA APLICAÇÃO INDUSTRIAL.
CONCEITOS BÁSICOS DE EQUILÍBRIO LÍQUIDO-VAPOR PARA MISTURAS BINÁRIAS IDEAIS
A,B
P
CONSIDERE UMA MISTURA, EM EQUILÍBRIO LÍQUIDO-VAPOR, DOSCOMPONENTES A E B EM UM RESERVATÓRIO FECHADO.
LEI DE DALTON:P=PA+PB
LEI DE RAOULT:PA=PAºxA
PB=PBºxB
MISTURA BINÁRIA:xA+xB=1; yA+yB=1
SENDO:P=PRESSÃO TOTAL DO SISTEMAPA = PRESSÃO PARCIAL DE APB = PRESSÃO PARCIAL DE BPAº = PRESSÃO DE VAPOR DE APBº = PRESSÃO DE VAPOR DE BxA = FRAÇÃO MOLAR DE A NA FASE LÍQUIDAxB = FRAÇÃO MOLAR DE B NA FASE LÍQUIDAyA = FRAÇÃO MOLAR DE A NA FASE VAPORyB = FRAÇÃO MOLAR DE B NA FASE VAPOR
xA+xB=1; yA+yB=1
CONCEITOS BÁSICOS DE EQUILÍBRIO LÍQUIDO-VAPOR PARA MISTURAS BINÁRIAS IDEAIS
A PARTIR DAS LEIS DE DALTON E DE RAOULT, É POSSÍVEL OBTER AFRAÇÃO MOLAR DE UM DOS COMPONENTES A PARTIR DOS VALORESDAS PRESSÕES DE VAPOR E DA PRESSÃO TOTAL NO SISTEMA.
xA=(P-PB0)/(PAº-PBº);
A FRAÇÃO MOLAR DE A NA FASE VAPOR PODE SER CALCULADA APARTIR DA SEGUINTE RELAÇÃO:
yA = PA/P = (PAº xA) / P
DEFINE-SE A VOLATILIDADE RELATIVA DE A PARA B (αAB) COMOSENDO:
αAB=PAº/PBº=[yA(1-xA)] / [xA(1-yA)]
CONSTRUÇÃO E UTILIZAÇÃO DO DIAGRAMA TEMPERATURA VERSUS COMPOSIÇÃO PARA UMA
MISTURA BINÁRIA IDEAL
PARA A CONSTRUÇÃO DO DIAGRAMA TEMPERATURA VERSUSCOMPOSIÇÃO, DEVE-SE CONHECER A PRESSÃO DE VAPOR DE CADACOMPONENTE DA MISTURA EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA.
UMA EQUAÇÃO ÚTIL PARA DETERMINAR A PRESSÃO DE VAPOR DE UMDETERMINADO COMPONENTE EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA É AEQUAÇÃO DE ANTOINE:EQUAÇÃO DE ANTOINE:
log(Pº)=A-B/(C+T)
ONDE A, B, e C SÃO AS CONSTANTES DA EQUAÇÃO DE ANTOINE PARAUM DETERMINADO COMPONENTE DA MISTURA.
CONSTRUÇÃO E UTILIZAÇÃO DO DIAGRAMA TEMPERATURA VERSUS COMPOSIÇÃO PARA UMA
MISTURA BINÁRIA IDEAL
EXEMPLO: PARA A MISTURA METANOL-ETANOL A 760 mmHg
METANOL (A) ETANOL (B)A 8,07240 8,21330B 1574,990 1652,050C 238,870 231,480Teb.(ºC) 64,5 78,3Teb.(ºC) 64,5 78,3
CONSTRUÇÃO E UTILIZAÇÃO DO DIAGRAMA TEMPERATURA VERSUS COMPOSIÇÃO PARA UMA
MISTURA BINÁRIA IDEAL
TABELA DE RESULTADOS OBTIDOS ATRAVÉS DO EQUACIONAMENTO
DIAGRAMA TEMPERATURA VERSUS COMPOSIÇÃO OBTIDO
CONSTRUÇÃO E UTILIZAÇÃO DO DIAGRAMA TEMPERATURA VERSUS COMPOSIÇÃO PARA UMA
MISTURA BINÁRIA IDEAL
DIAGRAMA TEMPERATURA VERSUS COMPOSIÇÃO DE METANOL (A) PARA A
MISTURA METANOL-ETANOL80
64
66
68
70
72
74
76
78
80
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00
fração molar de A
T (ºC)
DIAGRAMA TEMPERATURA VERSUS COMPOSIÇÃO MISTURA BINÁRIA NÃO IDEAL – MISTURA AZEOTRÓPICA
MISTURA AZEOTRÓPICACOM TEMPERATURA DEEBULIÇÃO MÍNIMA
EX: ETANOL-ÁGUA95,6% ETANOL4,4% DE ÁGUA
MISTURA AZEOTRÓPICA COMTEMPERATURA DE EBULIÇÃOMÁXIMA
EX: ÁCIDO FÓRMICO – ÁGUA22,5% ÁCIDO FÓRMICO77,5% ÁGUA
DESTILAÇÃO DIFERENCIAL
- LÍQUIDO É SUBMETIDO A UMA EVAPORAÇÃO LENTA;- O VAPOR PRODUZIDO É LOGO REMOVIDO (NÃO SENDORECONDENSADO NO INTERIOR DO DESTILADOR), CONDENSADO ÉCOLETADO COMO DESTILADO;- A PRIMEIRA PORÇÃO É MAIS RICA NOS COMPONENTES MAISVOLÁTEIS.- NO DECORRER DA A OPERAÇÃO O VAPOR VAI FICANDO MAIS POBRENOS COMPONENTES MAIS VOLÁTEIS.
DESTILAÇÃO DIFERENCIAL - EQUACIONAMENTO PARA MISTURAS BINÁRIAS
DEFININDO AS VARIÁVEIS:L0 – MOLES NA CARGA INICIALx0 – FRAÇÃO MOLAR NA CARGA INICIALL – MOLES DE LÍQUIDO EM UM INSTANTE QUALQUER tx – FRAÇÃO MOLAR EM LV – MOLES DE VAPOR NO INSTANTE ty – FRAÇÃO MOLAR EM VD – MOLES DE DESTILADO COLETADO DESDE O INSTANTE INICIAL ATÉ txD – FRAÇÃO MOLAR EM D
DESTILAÇÃO DIFERENCIAL - EQUACIONAMENTO PARA MISTURAS BINÁRIAS
BALANÇO MATERIAL GLOBALVOLUME DE CONTROLE � LÍQUIDO NO DESTILADOR
Entra – Sai = AcumulaEntra = 0Sai = dVAcumula = -dL
LOGO:dV = dL (1)
DESTILAÇÃO DIFERENCIAL - EQUACIONAMENTO PARA MISTURAS BINÁRIAS
BALANÇO MATERIAL PARA UM DOS COMPONENTESVOLUME DE CONTROLE � LÍQUIDO NO DESTILADOR
Entra – Sai = AcumulaEntra = 0Sai = ydVAcumula = - d(Lx) = -( Ldx +xdL)
LOGO:ydV = Ldx + xdL (2)
DESTILAÇÃO DIFERENCIAL - EQUACIONAMENTO PARA MISTURAS BINÁRIAS
PARTINDO DAS EQUAÇÕES 1 (dV = dL) E 2 (ydV = Ldx + xdL), OBTÉM-SE:
INTEGRANDO O LADO ESQUERDO DA EQUAÇÃO E REARRANJANDO:
A INTEGRAL DO LADO DIREITO DA EQUAÇÃO PODE SER INTEGRADA A INTEGRAL DO LADO DIREITO DA EQUAÇÃO PODE SER INTEGRADA UTILIZANDO MÉTODOS NUMÉRICOS, COMO POR EXEMPLO O MÉTODO DOS TRAPÉZIOS.
n = NÚMERO DE INTERVALOSUTILIZADOS NA INTEGRAÇÃO
DESTILAÇÃO DIFERENCIAL - EQUACIONAMENTO PARA MISTURAS BINÁRIAS
CASO PARTICULAR: VOLATILIDADE APROXIMADAMENTE CONSTANTE:α=[y(1-x)] / [x(1-y)] � y = αx/[1+(α-1)]
DESTA FORMA:
OU
OU AINDA:OU AINDA:
PARA MISTURA DE MULTICOMPONENTES IDEAL PODE-SE RELACIONARL, L0 DE DOIS ELEMENTOS QUAISQUER (i E j) E A RESPECTIVAVOLATILIDADE RELATIVA :
DESTILAÇÃO DIFERENCIAL - EXEMPLO
Deseja-se concentrar o etanol de uma mistura contendo, praticamente, etanole água. Sabendo-se que a temperatura de ebulição da mistura inicial é de 80ºCe que o corte da destilação foi realizado a 85ºC, estime a fração molar deetanol na mistura inicial (x0), no resíduo (x) e no destilado (xD). Considere paraa estimativa as condições operacionais de destilação diferencial.
Dado: Diagrama T versus fração molar de etanol
DESTILAÇÃO DIFERENCIAL - EXEMPLO
Solução:
A fração molar inicial (x0) e no resíduo (x) podem ser obtidas diretamente nodiagrama temperatura versus composição.x0 = 0,47x = 0,14
DESTILAÇÃO DIFERENCIAL - EXEMPLO
Deteminação de xD:
Do diagrama:T x y80 0,47 0,6481 0,37 0,6082 0,29 0,5683 0,22 0,5483 0,22 0,5484 0,17 0,5285 0,14 0,48
DESTILAÇÃO DIFERENCIAL - EXEMPLO
CALCULOS:
ln(L0/L) = 1,31 � L0=3,7L
BALANÇO MATERIAL GLOBAL: L0=L+D � D=2.7L
BALANÇO MATERIAL PARA O ETANOL: L0x0=Lx+DxD � 3,7*L*0.47=L*0.14+2.7*L*xD
xD=0,59
PRÁTICA DE LABORATÓRIO DESTILAÇÃO