Universidade Estadual de Campinas Faculdade de Engenharia de Alimentos

Departamento de Engenharia de Alimentos

TA 035 – Laboratório de Operações Unitárias

Profº. Drº. José A. Dermengi Rios

Aula prática 5:

Destilação

Turma D:

Andréia Naomi Agena Tei RA 042040

Esther Tomy Karazawa RA 060467

Felipe Damazo Zanferrari RA 043380

Fábio Mendes RA 043309

Gabriela Maggi da Silva Dantas RA 043711

Marcelo Eiti Tanaka RA 062715

Melina Mie Sugano Kimura RA 063176

Rafael Kanashiro Toyohara RA 063839

São Paulo, 6 de maio de 2010

1. Introdução

Destilação é um processo caracterizado por uma dupla mudança de estado físico, em

que uma substância, inicialmente no estado líquido, é aquecida até atingir a temperatura de

ebulição, transformando-se em vapor, e novamente resfriada até que toda a massa retorne ao

estado líquido. O processo tem sido utilizado desde a antiguidade para a purificação de

substâncias e fabricação de essências e óleos.

A maioria dos métodos utilizados durante o processo de purificação de misturas

homogêneas baseia-se na destilação simples, que consiste na evaporação parcial da mistura

líquida, a fim de separar seus componentes. As substâncias mais voláteis, isto é, com menor

ponto de ebulição, vaporizam primeiro; ao passarem por um condensador, se liquefazem,

sendo finalmente recolhidas em um tanque. Esse procedimento é válido para a purificação de

líquidos com impurezas voláteis dissolvidas e para a separação de misturas cujos componentes

apresentam pontos de ebulição bem diferenciados.

O princípio da destilação se baseia na diferença entre o ponto de ebulição da água

(100°C) e do álcool (78,4°C). A mistura água e álcool apresenta ponto de ebulição variável em

função do grau alcoólico. Assim, o ponto de ebulição de uma solução hidroalcoólica é

intermediário entre aquele da água e do álcool e será tanto mais próximo deste último quanto

maior for o grau alcoólico da solução (www.embrapa.br).

Para misturas com comportamento ideal, isto é, as que seguem a lei de Raoult, a

diferença de volatilidade entre os componentes é suficiente para que a adição de calor

possibilite a separação através do processo de destilação convencional (Ito, 2002).

A lei de Raoult determina que, para uma solução ideal, a pressão parcial de cada

componente da temperatura, é igual ao produto entre a pressão de vapor do componente

puro a esta temperatura e a fração molar deste componente na fase líquida (Ito, 2002).

Assim, o equilíbrio de fases é entre uma fase líquida que é uma solução ideal e uma

fase vapor que é um gás ideal. Para uma mistura binária, cujos componentes são A e B, as

pressões parciais de cada componente na mistura e a pressão total são calculadas por (Ito,

2002):

Onde:

pA, pB = pressão parcial dos componentes A e B na mistura.

pAvap, pB

vap = pressão de vaporização dos componentes A e B na mistura.

P = pressão total da mistura.

xA, xB = frações molares dos componentes A e B na mistura.

A destilação convencional é aplicada para os seguintes casos (Ito, 2002):

Componentes que apresentam diferenças de volatilidade ou volatilidade relativa

dos componentes maior que 1,05;

Não há formação de azeótropos;

Não há reação entre os componentes;

Não há decomposição ou polimerização de um ou mais componentes.

Quando os pontos de ebulição dos componentes de uma mistura são muito próximos,

a destilação simples não permite uma boa separação, sendo necessário repetir o processo

várias vezes. Esse procedimento, denominado destilação fracionada, é muito utilizado no

controle do teor alcoólico de bebidas tipo aguardente, como uísque, rum, gim e cachaça. Além

disso, constitui o processo fundamental do refino de petróleo, para obtenção de gasolina,

querosene e demais derivados.

A destilação pode, também, ser realizada a seco, ou em ausência de vapor d'água, para

a produção de alcatrão e carvão vegetal a partir da madeira ou da hulha.

Existem diferentes formas de proporcionar um melhor contato entre as fases líquida e

vapor, o que acarreta, na prática, a grande diversidade de colunas de destilação. O tipo de

contato entre as fases nos estágios determina a taxa de transferência de massa, o tempo e a

área de contato, que promovem diferentes eficiências de separação (Belincanta, 2004).

Com a intenção de se obter um aumento na eficiência dos processos de destilação e

reduzir seu excessivo consumo de energia, são indicados (Belincanta, 2004):

Mudança no layout do prato (alteração no desenho do vertedor, pratos sem vertedor);

Mudança no processo (re-sequenciamento e integração entre equipamentos etc);

Utilização de energia mais eficiente (bombas de calor, colunas de múltiplo efeito,

trocadores de calor intermediários etc);

Mudança no layout da coluna (colunas com campos centrífugos, com campos elétricos,

colunas de recheio de fluxo cruzado, colunas co-correntes etc).

1. Materiais e métodos

1. O fervedor da coluna com a mistura a ser destilada foi preenchido até um nível

superior ao da resistência de aquecimento.

2. Ligou-se a água de resfriamento para o condensador (topo) da coluna;

3. A chave geral do equipamento foi ligada e regulou-se o equipamento elétrico no valor

desejado

4. O equipamento foi operado inicialmente em refluxo total. O reservatório do produto

de topo (condensado) foi preenchido até a metade com destilado vindo do

condensador. Em seguida, iniciou-se a alimentação do refluxo, tomando-se o cuidado

para pré aquecê-lo, com regulagem adequada do pré aquecimento do refluxo, assim

como a manutenção do nível de líquido no reservatório.

5. O acompanhamento da operação da coluna foi feito continuamente, verificando-se os

níveis de líquido no fervedor e no reservatório do produto do topo, o rotâmetro de

refluxo e as várias tomadas de temperatura instaladas ao longo do equipamento

(fervedor, pratos, condensador, pré-aquecedores, etc)

6. Constatado o funcionamento estacionário do equipamento, iniciou-se a alimentação,

que também fora pré-aquecida. Com o inicio da alimentação água-etanol, regulou-se a

retirada de destilado e de produto de fundo. Uma vez mantida a taxa de evaporação

(aquecimento elétrico no fervedor), a quantidade de vapor condensada no topo da

coluna permaneceu invariável, de maneira que a vazão de refluxo e de destilado foi

regulada para garantir sua compatibilidade com a quantidade do condensado obtido

no condensador, medida pela consistência do nível de líquido no reservatório do

produto de topo, e no caso da vazão de destilado para garantir sua compatibilidade

com o balanço global na coluna. No fervedor, a retirada de produto de fundo foi feita

de forma a garantir a constância do nível de líquido no reservatório.

7. O acompanhamento da operação foi feita na forma descrita no item 5 e

adicionalmente deve se controlar as retiradas de destilado e de produto de fundo.

8. Estando o equipamento em estado estacionário, retirou-se amostras de líquidos de

vários pratos, amostra de destilado e do produto de fundo. As amostras retiradas dos

pratos tiveram sua concentração determinada por refratometria; embora não seja o

método mais adequado, dada a sua pouca precisão, é o método que se encontra

disponível e ao mesmo tempo é compatível com a pequena quantidade de amostras

retiradas. As amostras dos produtos de fundo de destilado e da mistura de

alimentação tiveram sua concentração determinada por densidade.

Além das amostras retiradas, anotou-se os valores das diferentes vazões e das

temperaturas, que retratam o funcionamento em regime estacionário da coluna.

2. Resultado e Discussões

A partir da Tabela 1 fornecida, com dados sobre o equilíbrio etanol-água, foram

construídos os gráficos apresentados pela Figura 1 (T x X,Y) e pela Figura 2 (Y x X).

Tabela 1. Equilíbrio etanol – água a 1 atm

T (⁰C) X Y Wliq Wvap ⁰G.L.liq ⁰G.L.vap

(Fração Molar) (% em massa) (% em Volume)100 0 0 0 0 0 098,9 0,0039 0,043 1 10,3 1,27 12,898,1 0,0079 0,085 2 19,2 2,52 23,5797,2 3 26,3 3,77 31,9696 4 32,5 5,01 38,77

95,2 5 37,7 6,27 44,8591,8 0,042 0,303 10 52,7 12,43 60,5687,3 20 65,684,7 30 71,383,2 40 74,682 0,281 0,568 50 77,1 57,8 82,9481 0,37 0,601 60 79,4 67,62 84,86

80,1 70 82,279,1 0,61 0,703 80 85,8 85,35 89,9478,9 82 86,878,7 0,672 0,736 84 87,7 88,55 91,3978,6 86 88,878,4 88 9078,33 0,779 0,802 90 91,2 93,11 93,9778,28 92 92,678,22 94 94,278,15 0,8943 0,8943 95,57 95,57 97,02 97,0278,17 96 95,978,22 98 97,878,33 1 1 100 100 100 100

Figura 1 – Curva Temperatura x X , Y.

Figura 2 – Curva de equilíbrio de etanol-água.

Na sequência, estão apresentados os dados obtidos em aula para a alimentação, destilado e produto de fundo, nas respectivas tabelas, Tabela 2, Tabela 3 e Tabela 4.

Tabela 2 – Dados obtidos em aula para a alimentação

Alimentação (F)

Tempo (min) Massa (g)Densidade

(g/cm³)

% em massa

de etanol

Vazão (g/min)

0 min. (Alimentação total) 3150 0,979 12% 52,500 min. (Água) 2772 - - 46,200 min. (Etanol) 378 - - 6,30

Tabela 3 – Dados obtidos em aula para o destilado

Destilado (D)

Tempo (min) Massa (g)Densidade

(g/cm³)

% em massa de

etanolVazão (g/min)

45 319,4 0,824 88% 7,0990 319,8 0,828 86% 7,10

Tabela 4 - Dados obtidos em aula para o produto de fundo

Produto de fundo (A)

Tempo (min) Massa (g)Densidade

(g/cm³)

% em massa de

etanolVazão (g/min)

45 2105,5 0,986 7% 46,7990 2194,7 0,987 6,5% 48,77

Através da molaridade do etanol (46 g/mol) e da água (18 g/mol), foram calculadas as concentrações molares e as vazões saída do destilador e do produto de fundo para a Destilação 1 (45 min.) e para a Destilação 2 (90 min.).

Tabela 5 – Vazões e fração molar para a destilação 1 (45min.)

Destilação 1 (45min.)Alimentação

(F)Destilado

(D)Fundo

(A)

Etanol (g/h) 378,00 374,35 196,52

Água (g/h) 2772,00 51,05 2610,88

Vazão total (g/h) 3150,00 425,40 2807,40

Etanol (mol/h) 8,22 8,14 4,27

Água (mol/h) 154,00 2,84 145,05

Vazão total (mol/h) 162,22 10,97 149,32

Fração molar etanol (X1) 0,05 0,74 0,03

Fração molar água (X2) 0,95 0,26 0,97

Tabela 6 - Vazões e fração molar para a destilação 2 (90min.)

Destilação 2 (90min.)Alimentação

(F)Destilado

(D)Fundo

(A)

Etanol (g/h) 378,00 366,36 190,20

Água (g/h) 2772,00 59,64 2736,00

Vazão total (g/h) 3150,00 426,00 2926,20

Etanol (mol/h) 8,22 7,96 4,13

Água (mol/h) 154,00 3,31 152,00

Vazão total (mol/h) 162,22 11,28 156,13

Fração molar etanol (X1) 0,05 0,71 0,03

Fração molar água (X2) 0,95 0,29 0,97

Para o cálculo das taxas de refluxo e das vazões de refluxo, foi utilizada a leitura do rotâmetro, que na Destilação 1 (45min.) e na Destilação 2 (90min.) foram de 15. Com este valor foi consultado a Tabela 7 e fez-se a interpolação, achando-se assim o valor da vazão. E como o refluxo possui a mesma concentração e densidade que o destilado, obteve-se a vazão molar e a taxa de refluxo para o mesmo apresentados na Tabela 8.

Tabela 7 - Rotâmetro – Refluxo.

Leitura Vazão (l/h)10 1,5820 6,1230 9,3050 15,9070 23,40100 33,00Tabela 8 - Vazões do refluxo e taxa de refluxo

RefluxoDestilação 1

(45min.)Destilação 2

(90min.)

Etanol (g/h) 2791,71 2741,51

Água (g/h) 380,69 446,29

Vazão total (g/h) 3172,40 3187,80

Etanol (mol/h) 60,69 59,60

Água (mol/h) 21,15 24,79

Vazão total (mol/h) 81,84 84,39

Taxa de refluxo (r) 7,46 7,48

Através do gráfico da curva de equilíbrio de etanol-água, Figura 2, obteve-se a taxa mínima de refluxo e o número mínimo de pratos ideais para a Destilação 1 (45min.) e para a Destilação 2 (90min.), sendo o resultado para ambos os casos com r mín = 1,64 e 4 pratos ideais (mínimo), que estão apresentados no Anexo 1.

Em seguida, no Anexo 2, em outro gráfico da curva de equilíbrio de etanol-água, foram construídas as linhas de operação, na qual se obtiveram que o número de pratos ideais é de 5, para ambas as destilações.

Pelo experimento, o número de pratos utilizados foi de 6, isso mostra que no experimento foi utilizado um prato a mais que o necessário.

Já comparando com a taxa de refluxo mínimo com a experimental, percebe-se que há uma grande diferença entre os valores, de forma que a experimental foi aproximadamente 7 vezes maior que a taxa mínima. Isso mostra que no experimento, o destilado obtido foi mais puro que o esperado devido a essa alta vazão de refluxo.

2.1. Balanço de Massa

O balanço de massa global no destilador é expresso pela equação abaixo:

F = A + D

E os balanços de massa globais dos componentes 1 (etanol) e 2 (água) devem ser realizados de acordo com as equações abaixo:

F.x1F = A.x1A + D.x1D

F.x2F = A.x2A + D.x2D

Com os dados da Tabela 5 e 6, realizaram-se os balanços de massa global, global pelo componente 1 e global pelo componente 2 no instante 45 minutos e 90 minutos, mostrados a seguir:

3.1.1. 45 minutos

- Balanço de Massa Global:

F = A + D

(162,22 mol/h) = (149,32 mol/h) + (10,97 mol/h)

162,22 = 160,29

Percebe-se através do balanço de massa global que as vazões de saídas (fundo+destilado) e de entrada (alimentação) apresentaram valores muito similares, como o esperado.

- Balanço de Massa para o Etanol:

F.x1F = A.x1A + D.x1D

(162,22 mol/h)(0,05) = (149,32 mol/h)(0,03) + (10,97 mol/h)(0,74)

8,11 = 12,60

Como o balanço de massa global para o etanol ficou incoerente, provavelmente as medições das vazões não foram exatas.

- Balanço de Massa para a Água:

F.x2F = A.x2A + D.x2D

(162,22 mol/h).(0,95) = (149,32 mol/h)(0,97) + (10,97 mol/h)(0,26)

154,11 = 147,69

Como o balanço de massa global para a água ficou incoerente, provavelmente houve perda de massa em alguma seção do destilador, ou as medições das vazões não foram exatas.

3.1.2. 90 minutos

- Balanço de Massa Global:

F = A + D

(162,22 mol/h) = (156,13 mol/h) + (11,28 mol/h)

162,22 = 167,41

O balanço de massa global apresentou valores de entrada e saída semelhantes, porém com uma diferença maior que os valores para 45 minutos.

- Balanço de Massa para o Etanol:

F.x1F = A.x1A + D.x1D

(162,22 mol/h)(0,05) = (156,13 mol/h)(0,03) + (11,28 mol/h)(0,71)

8,11 = 12,69

O balanço de massa global para o etanol ficou semelhante ao obtido em 45 minutos, apresentou valores incoerentes devido à falta de exatidão nas medições.

- Balanço de Massa para a Água:

F.x2F = A.x2A + D.x2D

(162,22 mol/h)(0,95) = (156,13 mol/h)(0,97) + (11,28 mol/h)(0,29)

154,11 = 154,71

Os valores de entrada e saída de água obtidos foram semelhantes, como o esperado.

Apesar de algumas desigualdades apresentadas nos balanços de massa, as diferenças dos valores de entrada e saída não foram discrepantes. O maior desvio ocorreu no balanço de massa da água a 45 minutos, provavelmente causado por erros na medição das vazões de topo ou de fundo ou pela medição das concentrações dessas correntes. Os demais valores obtidos são aceitáveis, devido à falta de exatidão nas medidas.

3. Conclusão

Partindo de uma solução água-álcool com 12% de álcool, constatou-se que em 45 minutos o destilado já apresentava alta concentração de álcool (88%) e em 90 minutos a concentração se manteve praticamente igual (86%). Enquanto o produto de fundo apresentou concentração de 7% de álcool em 45 minutos de destilação e 6,5% em 90 minutos. Assim, observa-se que a destilação foi eficiente.

Pelos balanços de massa global de cada componente para toda a coluna verifica-se que as vazões molares de entrada e de saída estão bem similares para a maioria dos casos, os que apresentaram uma diferença mais relevante foram provavelmente devido a uma falta de exatidão nas medições e falhas na execução do experimento devido à falta de treinamento dos alunos.

De acordo com os resultados obtidos, pudemos concluir que o experimento alcançou um alto grau de concentração do álcool. Portanto o mesmo pode ser aplicado em escala industrial.

4. Referências Bibliográficas

[1]http://sistemasdeproducao.cnptia.embrapa.br/FontesHTML/Vinho/SistemaProducaoDestiladoVinho/destilacao.htm

[2]ITO, V. M. Otimização de colunas de destilação complexas. Dissertação de mestrado, Faculdade de Engenharia Química, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 2002.