1ºsemestre de 2012 - dequi.eel.usp.brsrmontoro/AULA 2 - OpUnitExpII - DESTILACAO.pdf · Uma mistura contendo 40 % molar de metanol e 60 % de água serásubmetida a destilação diferencial

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

Escola de Engenharia de Lorena – EEL

OPERAOPERAÇÇÕES UNITÕES UNITÁÁRIAS EXPERIMENTAL IIRIAS EXPERIMENTAL II

Prof. Prof. MScMSc. S. Séérgio R. Montororgio R. Montoro

11ºº semestre de 2012semestre de 2012



OPERAOPERAÇÇÕES UNITÕES UNITÁÁRIAS EXPERIMENTAL IIRIAS EXPERIMENTAL II

DESTILADESTILAÇÇÃOÃO

11ºº semestre de 2012semestre de 2012

DESTILADESTILAÇÇÃOÃO

Operação baseada na separação de misturas homogêneas por

volatilização parcial da mesma. A separação ocorre devido às diferenças

de volatilidade.

O vapor gerado, em equilíbrio com o líquido, é mais “rico”

(concentrado) no componente mais volátil em relação à mistura inicial.

Principais Modalidades:

�Destilação diferencial (batelada);

�Destilação flash;

�Destilação com retificação (Contínuo – multiestágio).

�Extração por solvente.



Ex.: Destilação Flash.



Trocador de calor

... ... . . . .

P2

Vapor

Líquido

P1, T1

Bomba

P2 << P1

Mistura

Trocador de calor

... ... . . . .

P2

Vapor

Líquido

P1, T1

Bomba

P2 << P1

Mistura

Conceitos necessários:

� LEIS DAS PRESSÕES PARCIAIS DE DALTONLEIS DAS PRESSÕES PARCIAIS DE DALTON

Pt...... Pressão totalPA .....Pressão parcial de APB......Pressão Parcial de B



t A BP P P= +

Líquido xA XB

Vapor yA yB

Líquido xA XB

Vapor yA yB


� LEIS DAS PRESSÕES PARCIAIS DE DALTONLEIS DAS PRESSÕES PARCIAIS DE DALTON

Na interface (L + V), temos:



0 0

0 0

. . (Lei de Raul)

Sendo: e Pressões de (A) e (B) Puros

e Frações molares na fase líquida

e ?? Frações molares de (A) e (B) na fase vapor

A A A B B B

A B

A B

A B

P P x P P x

P P

x x

y y

= =

−0 0. .

e mas: e A B A A B BA B A B

P P P x P xy y y y

P P P P= = = =

Lei de Raoult


�� VOLATILIDADE RELATIVA (VOLATILIDADE RELATIVA (αααααααα))

É a relação do mais volátil pelo menos volátil



0

, 0

AA B

B

P

Pα =

A = etanol (HC) e B = água (H2O)

A = P0HC = 0,2 atm ou 3,0 lbf/in2 e

B = P0H2O = 0,034 atm ou 0,5 lbf/in2.

ααααA,B = 6,0


�� VOLATILIDADE RELATIVA (VOLATILIDADE RELATIVA (αααααααα))

Podemos calcular a volatilidade relativa utilizando as frações

molares da fase vapor ou líquida.



,

1.

1

1.1

a a

a a

a a b a aa b

b a b a a

y x

y x

P y x y x

P x y x y

α

α

−=

−

−= = =

−


�� EQUAEQUAÇÇÃO DE ANTOINEÃO DE ANTOINE

Equação empírica que relaciona a pressão de vapor de uma

substância pura em função da temperatura.

Sendo as constantes A, B e C valores tabelados: Ver apêndice D2

e pg 646 do livro Princípios de Op. Unitárias – Foust.



0 ( )( )

i

BLogP mmHg A

C T C= −

+ °

OBSERVAOBSERVAÇÇÕESÕES

� Destilação Flash ou diferencial não é aplicada para baixas diferenças de

volatilidade. Neste caso, pode ser aplicada a retificação ou ainda extração

por solvente.

� Os métodos de separação diferem um do outro pelo modo de conduzir a

operação e pelo tipo de equipamento utilizado, porém todos estão

baseados por um mesmo princípio: o vapor produzido por uma dada

mistura está geralmente mais concentrado do que o líquido.



DESTILADESTILAÇÇÃO DIFERENCIALÃO DIFERENCIAL



L0 , L e xL0 , L e x

L .... Número de moles da mistura no tempo “t” qualquer.

X......Fração molar do componente mais volátil no tempo “t” qualquer.


Balanço de Massa no Processo

Entra - Sai = Acumula

0 - ydv = d(Lx)

Pelo balanço de massa temos: dL = -dvPara o mais volátil temos:



0

( )

Separando as variáveis, temos:

equação de Rayleigh( )

o

L x

L x

ydL Ldx xdL

y x dL Ldx

dL dx

L y x

= +

− =

=−∫ ∫


Como:



, Relação de equilíbrio em sistema binários

Isolando o y, temos:

1 1 1 ( 1)

A AA B

B B

y x

y x

y x xy

y x x

α

αα

α

=

= → =− − + −

x

y

V

y

L

L + V

x

y

V

y

L

L + V


Portanto, temos:



0

1

1

1 ( 1) 1 ( 1)

1 Para mistura binária com relação ao

1

mais volátil

o

L x

L x

o

o o

dL dx dL dx

L Lx xx x

x x

xL x

L x x

α α

α α

α α

−

= → =

− − + − + −

− = −

∫ ∫

Para mistura binPara mistura bináária com relaria com relaçção ão ao mais volao mais voláátiltil

Lo ..... Moles totais de líquido da carga inicial no instante to.

xo ..... Fração molar na fase líquida do componente mais volátil no instante to.

L .......Moles totais do líquido da carga em um instante “t” qualquer.

x .......Fração molar na fase líquida do componente mais volátil no instante “t” qualquer.




(Balanço geral)

(Balanço com relação ao mais volátil)F D B

F D B

Fx Dx Bx

= +

= +

F = L ... Carga inicial

D ....Carga do Destilado

B .....Resíduo do balão

y ..... Fração molar na fase gasosa do componente mais volátil no instante “t” qualquer.

D .......Moles de líquido do destilado coletado desde o instante inicial t0 até “t” qualquer.

xD ..... Fração molar do componente mais volátil no destilado D final.

MISTURAS AZEOTRMISTURAS AZEOTRÓÓPICASPICAS

A palavra azeótropo, de origem grega, pode ser traduzida como

“aquele que não sofre mudança ao ferver” (Widagdo e Seader, 1996).

Em misturas binárias, que exibem comportamento azeotrópico,

existe um ponto em que a composição da fase líquida é igual à

composição da fase vapor, conforme pode ser visualizado na figura a

seguir. Assim, destilando-se uma mistura azeotrópica, é impossível obter

produtos com pureza acima da composição azeotrópica.






Diagrama X Diagrama X –– Y de uma mistura Y de uma mistura azeotrazeotróópicapica


O comportamento azeotrópico de uma mistura ocorre devido às

interações não ideais, isto é, desvios da Lei de Lei de RaoultRaoult, entre moléculas de

duas ou mais espécies.






(a) (a) Sistema não Sistema não azeotrazeotróópicopico (Exemplo: Metanol(Exemplo: Metanol-- ÁÁgua)gua)




(b) (b) AzeAzeóótropotropo de mde míínimo (Exemplo: Etanolnimo (Exemplo: Etanol-- ÁÁgua)gua)




(c) (c) AzeAzeóótropotropo de mde mááximo (Exemplo: Acetonaximo (Exemplo: Acetona-- ClorofClorofóórmio)rmio)


AzeAzeóótropotropo de mde míínimo e nimo e AzeAzeóótropotropo de Mde Mááximoximo







O diagrama 1 representa uma mistura ideal de A e B, sem formasem formaçção de ão de azeazeóótropotropo, com as linhas de líquido e vapor saturados variando desde a temperatura de ebulição de A, a mais baixa, até a de B, a mais alta.

Diagrama 1: Mistura ideal sem formaDiagrama 1: Mistura ideal sem formaçção de ão de azeazeóótropotropo..





O diagrama 2 representa uma mistura binária de C e D que forma um azeazeóótropotropo de mde míínimonimo. Veja que a temperatura no azeótropo é menor do que as temperaturas de ebulição de C e de D quando puros.

Diagrama 2: Diagrama 2: AzeAzeóótropotropo de Mde MÍÍNIMO.NIMO.





O diagrama 3 representa uma mistura binária E e F que forma um azeazeóótropotropo de mde mááximoximo. A temperatura no azeótropo é maior do que as temperaturas de ebulição de E e F quando puros.

Diagrama 3: Diagrama 3: AzeAzeóótropotropo de Mde MÁÁXIMO.XIMO.




(d) (d) AzeAzeóótropotropo heterogêneo (Exemplo: nheterogêneo (Exemplo: n--Butanol Butanol -- ÁÁgua)gua)




(e) (e) Sistema Sistema nãonão--azeotrazeotróópicopico heterogêneo (Exemplo: heterogêneo (Exemplo: ÓÓxido de xido de PropilenoPropileno -- ÁÁgua)gua)


AzeAzeóótropotropo Homogêneo e Homogêneo e AzeAzeóótropotropo HeterogêneoHeterogêneo



AzeAzeóótropotropo Heterogêneo:Heterogêneo: as fases líquidas se separam quando condensadas (são imiscíveis numa faixa de composição). Há o equilíbrio entre uma fase vapor e duas fases líquidas.

AzeAzeóótropotropo Homogêneo:Homogêneo: não há separação das fases líquidas, quando este é condensado. Há completa miscibilidade, tornando a separação mais difícil.


OBSERVAOBSERVAÇÇÃOÃO

A MAIOR PARTE DOS AZEÓTROPOS SÃO AZEÓTROPOS DE MÍNIMO,

FORMADO GERALMENTE POR SUBSTÂNCIAS IMISCÍVEIS.



EXERCEXERCÍÍCIO:CIO:Uma mistura binária

contendo acetona-clorofórmio com

85% em mol de acetona foi destilada

pelo processo de destilação

diferencial. Foram destilados 200

mols da mistura com temperaturas

inicial e final de 58,5ºC e 63,5ºC,

respectivamente. Calcule a

composição e quantidade (em mols)

de cada componente no resíduo e no

destilado. Calcule a volatilidade

média utilizando os pontos de

X = 0,8; 0,7; 0,6 e 0,5 constantes de

diferentes entre si.





FORMULFORMULÁÁRIORIO

1

1

0

0

1

1o

XL X

L X X

α α− − = −

,

1.

1

1.1

a a

a a

a a b a aa b

b a b a a

y x

y x

P y x y x

P x y x y

α

α

−=

−

−= = =

−

0

, 0

AA B

B

P

Pα =

BDF +=

BDF BxDxFx +=

EXERCEXERCÍÍCIO EXTRA 1CIO EXTRA 1

Uma mistura contendo 40 % molar de metanol e 60 % de água

será submetida a destilação diferencial a 1 atm. Partindo de 150 mols

de solução e dado o diagrama temperatura e composição, determine a

quantidade e composição no destilado (% molar) e no resíduo,

considerando que a composição da água no resíduo não deverá

ultrapassar 90 % molar. Considere que a volatilidade não seja

constante e utilize um passo de 0,1 no valor da fração molar do metanol

na fase líquida para a integração necessária.




Cem moles de uma mistura a 50 % de etanol e 50 % de água, em

base molar, são destilados por um sistema de destilação diferencial e

pressão atmosfera normal. A destilação é efetuada até que o resíduo

atinja a composição de 0,1 em fração molar do etanol. Qual é a

quantidade e composição média no destilado? Dado o diagrama X –Y

de uma mistura azeotrópica e utilize passo de 0,1 para a integração dos

dados.




Cem moles de uma mistura 20 % de etanol e 80 % água, em base

molar foram destilados por destilação diferencial a pressão atmosfera

normal. A destilação foi efetuada até que o resíduo atinja a composição

0,05 em fração molar do etanol. Qual a quantidade e a composição

média do destilado?




Uma mistura benzeno tolueno com 40 % em moles de benzeno é

submetida à uma destilação diferencial até que 65 % dos moles iniciais

sejam destilados. Pede-se: Dados αB,T = 2,4.

a) A concentração do benzeno no balão

b) A concentração do benzeno no destilado.



EXPERIMENTO DE DESTILAEXPERIMENTO DE DESTILAÇÇÃO DIFERENCIALÃO DIFERENCIAL

1) Familiaridade com o sistema de destilação diferencial; etapas de operação; instruções gerais;

2) Utilizando um densímetro, determinar:a) O teor de álcool em ºGL na água da torneira. Resposta = b) O teor de álcool em ºGL no álcool comercial (92,4 INPM). Resposta = c) O teor de álcool na mistura a ser destilada em ºGL (C0) e calcule a fração molar

(x0), sabendo que a concentração em ºGL corresponde a % v/v. Resposta =

3) Coloque a mistura no balão de vidro do destilador, ligue o reostato no nível 8 e meça a temperatura ambiente (Tamb = ________ºC) e a temperatura na qual cai a primeira fração de líquido destilado (T0 = ________ºC).




4) Após ser obtido um volume VD1 = 250 mL no destilado, retire todo o líquido do destilado e meça: a temperatura T1 = __________ºC, o teor de álcool CD1 = __________ºGL e calcule a fração molar xD1 = __________ dessa primeira fração do destilado. Reserve a primeira fração de destilado em outro frasco.

5) Repetir o passo (4) e meça: volume VD2 = 250 mL de destilado; a temperatura T2 = __________ºC, o teor de álcool CD2 = __________ºGL e calcule a fração molar de etanol xD2 = __________ no destilado.

6) Misture as frações de destilado dos itens (4) e (5) e meça o teor de etanol da destilação: CDt = __________ºGL e calcule a fração molar xDt = ________ de todo o destilado.




7) Calcule a fração molar no resíduo xt = __________.

8) Faça os balanços de massa global e para o etanol e calcule: a carga (L1), a fração molar em L1 (x1) e a concentração em ºGL (C1) na primeira retirada de destilado (item 4) e a carga L2 = Lt.

9) Considerando a mesma fração molar da mistura inicial (x0) e a mesma carga inicial L0 e final Lt, calcule a fração molar final que seria obtida em condições de destilação diferencial. Justifique as diferenças entre o resultado obtido experimentalmente e aquele utilizando o equacionamento da destilação diferencial.






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