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