relatório 4 - destilação
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8/12/2019 Relatrio 4 - Destilao
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Universidade Federal de So Joo Del Rei
Campus Alto Paraopeba
Laboratrio de Engenharia de Bioprocessos II
Experimento 4Coluna de destilao contnua
Alunas: Elizabeth Ramos
Janaina Lima
Jssica Nayara
Joanna Mara
Thamara Coutinho
Prof. Dr. Enio Nazar de Oliveira Junior
Ouro Branco
Fevereiro - 2013
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1. Introduo
1.1. DestilaoO processo de destilao muito utilizado em toda a indstria qumica, como
por exemplo, na obteno de lcool retificado de uma mistura de fermentao, ou ainda,
na indstria petrolfera para a separao das fraes contidas no petrleo bruto, como
gs combustvel, GLP, nafta, querosene, diesel, gasleo, leo combustvel [1].
A destilao um dos processos de separao mais tradicionais para a separao
de misturas de lquidos em seus componentes puros ou prximos da pureza, por meio de
evaporao e condensao dos componentes em questo. Portanto, pode-se afirmar que
o agente de separao o calor, pois o vapor formado tem composio diferente da
mistura original [1].
O mtodo se baseia na diferena entre as volatilidades dos componentes da
mistura e na caracterstica geral do equilbrio entre as fases lquido-vapor, a de ser
comum a diferena de composio entre as mesmas [2,3]. Em geral, um lquido e um
vapor em equilbrio contm os mesmos componentes, mas em quantidades relativas
diferentes: o vapor mais rico que o lquido quanto aos componentes mais volteis [2].
A frao mais voltil aquela que tem a maior presso de vapor, ou seja, maior
tendncia a evaporar. Quanto menor a massa molar, mais voltil um composto dentro
de uma mesma funo orgnica (metano mais voltil que o etano que mais voltil que
o propano) [4].
Em uma instalao de destilao, os principais componentes so: refervedor,
condensador, coluna de destilao e o recheio (ou pratos) [5].
O refervedor tem a funo de vaporizar os componentes, funcionando como um
trocador de calor. A sua escolha deve levar em conta algumas consideraes, como:
coeficiente de troca de calor elevado, baixo custo, a superfcie de troca trmica deve ser
mantida limpa prevenindo incrustaes de produtos degradados e apresentar baixo
tempo de residncia (no caso de produtos termolbeis) [5].
O condensador tem a funo de condensar o vapor que deixa o topo da coluna e
promover o refluxo de lquido necessrio para a separao. O condensador pode
liquefazer completamente o vapor, sendo que uma parte do condensado retorna para a
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coluna e a outra removida como destilado; ou liquefazer apenas uma parte do vapor
[5].
Existem algumas misturas que apresentam caractersticas que dificultam ou, at
mesmo, impedem a total separao de seus componentes. So os casos dos sistemas,
cujos pontos de ebulio so muito prximos ou possuem pontos de azetropo, como a
mistura gua-etanol, por exemplo. Para estas misturas, a total separao dos
componentes requer a adio de uma terceira substncia na coluna de destilao, capaz
de alterar o comportamento do equilbrio lquido-vapor da mistura. Normalmente, a
substncia adicionada um solvente e este tipo de destilao denominado destilao
extrativa ou azeotrpica, a depender da volatilidade do mesmo. Alguns sais tambm
podem modificar o equilbrio lquido-vapor de misturas, pela formao de complexos
com os elementos a serem separados. Diferentemente dos solventes, os sais no so
vaporizados no processo de destilao e, por isso, diminuem o consumo de energia na
destilao, motivando seu uso em substituio aos solventes. Para o processo de
destilao, em que se emprega um sal como agente separador, d-se o nome de
destilao extrativa salina [6].
1.2. Destilao fracionada
A destilao fracionada uma operao de separao de misturas por intermdio
de vaporizaes e condensaes sucessivas [1]. Em modo geral, o funcionamento das
colunas de destilao pode ser representado como o esquema da Figura 1.
Figura 1Esquema de uma coluna de destilao fracionada (Fonte [1]).
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A substncia a ser separada em fraes introduzida um ponto mdio da coluna,
ponto F. Devido diferena de densidade entre fases de vapor e de lquido, o lquido
flui para baixo na coluna, enquanto o vapor flui para cima da coluna, entrando em
contato com o lquido em cada estgio [7].
Ao atingir o fundo da coluna, o lquido parcialmente vaporizado em um
refervedor, sendo enviado de volta para cima da coluna. A parte restante do lquido de
fundo retirada como produto de fundo. O vapor circular em sentido ascendente na
coluna, em contracorrente com a mistura da alimentao da coluna. Ao atingir o topo, o
vapor arrefecido e condensado no condensador. Parte do condensado devolvido para
a coluna como refluxo para proporcionar excesso de lquido. O restante da corrente de
topo retirada como destilado, ou produto de topo. Os componentes mais leves (de
baixo ponto de ebulio) tendem a concentrar-se na fase de vapor, enquanto os
componentes mais pesados (maior ponto de ebulio) tendem a se concentrar na fase
lquida [1, 7].
A separao total alcanada entre o destilado e o fundo depende principalmente
das volatilidades relativas dos componentes, do nmero de estgios, bem como a
proporo entre a taxa de fluxo fase lquida para a taxa de fluxo em fase de vapor [7].
O balano de massa para esse processo deve ser feito em vrias sees da
coluna, conforme a Figura 2.
Figura 2Sees da coluna de destilao de acordo com o balano de massa
(Fonte [1]).
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A equao 1 representa o balano de massa para a seo I.
(1)
Em que,
F = vazo mssica de alimentao;
D = vazo mssica de produto de topo;
W = vazo mssica de produto de fundo.
O balano de massa para a seo II est representado pela equao 2.
(2)
Em que,
Vm= vazo mssica de vapor na seo de absoro;
Lm = vazo mssica de lquido na seo de absoro.
Para a seo III, o balano de massa est representado pela equao (3).
(3)
Em que,
Ln= vazo mssica de lquido na seo de esgotamento
Vn = vazo mssica de vapor na seo de esgotamento.
No condensador, o balano de massa dado pela equao (4).
(4)
Em que,
V = vazo mssica de vapor no topo.
Os principais balanos de energia para esse processo so: balano global
(equao (5)) e balano no condensador (equao (6)).
(5)
Em que,
qF = calor contido na carga;
Qr = calor introduzido pelo refervedor;
qD = calor contido no produto de topo;
qW= calor contido no produto de fundo;
QC = calor retirado pelo condensador.
F = D + W
Vm= Lm+ D
Ln= Vn+ W
V = L + D
L + D = QC / v L
F . F + Qr = D . D + W . W+ QC
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(6)
Em que,
(qvqL) = Calor de condensao do vapor de topo da coluna de destilao.
2. ObjetivosO experimento permite analisar a separao de lquidos, com volatilidades
diferentes em uma mesma mistura, utilizando uma coluna de destilao. Alm disso,
encontrar as fraes molares de gua na alimentao, no topo e no fundo e comparar
com o diagrama binrio gua/c. actico.
3. Materiais e metdosPara realizao do experimento foi utilizada uma unidade de destilao contnua,
como mostra a Figura 3. A mistura a ser destilada foi gua / cido actico. Durante o
experimento foram feitas titulaes para determinar a concentrao do cido no produto
de topo, de fundo e de alimentao.
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Figura 3 Unidade de destilao contnua. 1) Coluna de destilao com pratos
perfurados; 2) aquecedor do refluxo; 3) rotmetro do refluxo (L); 4) condensador de
topo (gua); 5) amostra do produto de topo (xD); 6) acumulador; 7) bomba de
refluxo; 8) rotmetro do produto de topo (D); 9) tanque do produto de topo; 10)
amostra do produto de fundo de quente (xb, q); 11) trocador, ( produto de fundo x
gua); 12) rotmetro de alimentao (F); 13) rotmetro do produto de fundo (B); 14)
amostra do produto de fundo frio (xB); 15) bomba de alimentao; 16) tanque da
alimentao, binrio a ser separado; 17) amostra de alimetnao, zF; 18) tanque de
produto de fundo; 19) trocador (produto de fundo x alimentao); 20) refervedor;
21) aquecedor da alimentao.
4. Resultados e DiscussoA tabela 1 apresenta os dados para os clculos das fraes molares de gua na
alimentao, no topo e no fundo, respectivamente, xf, xde xb.
Tabela 1- Dados do experimento
Dado Valor Unidade
Mamostra* 10,25 g
N (NaOH) 3,96 mol/L
Vf(NaOH) 38,00 L
Vd(NaOH) 30,90 L
Vb(NaOH) 42,35 L
Eq(MMac. actico) 60,00 g/mol
*A massa da amostra foi calculada atravs da razo do volume da amostra
(10mL) pela mdia das densidades da gua e do c. Actico (1,049g/mL e
1g/mL).
Os clculos foram realizados com o auxlio do software Excel.
1. Clculo de xf
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2. Clculo de xd
3. Clculo de xb
A partir dos valores obtidos das fraes molares foi verificado no diagrama
binrio cido actico/gua se os resultados obtidos na titulao de xF(alimentao), xB
(base) e xD(destilado) correspondem aos do diagrama, mostrado na figura 4.
As temperaturas Tf, Td e Tb foram respectivamente, 32, 105 e 99C
correspondente s fraes molares 0,33; 0,57 e 0,07. Observando o grfico da figura 4,
pode-se notar que os valores coletados durante a titulao corresponderam parcialmente
com o diagrama binrio gua/cido actico. A nica frao molar que mais se
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aproximou do diagrama foi a do destilado (de topo), o qual est destacada na figura 4.
Possivelmente, pode ter ocorrido um erro na medio das temperaturas de fundo e de
alimentao, justificando essa discrepncia. Contudo, as fraes molares esto coerentes
com o esperado de uma titulao gua/cido actico. A gua o composto mais voltil,
portanto, era de esperar uma maior frao de gua no topo e uma menor frao da
mesma no fundo, o que foi confirmado nos valores obtidos (0,57 % no topo e 0,07% no
fundo).
Alm disso, foi apontado graficamente os pontos da alimentao, de destilao e
de fundo na curva de equilbrio, ilustrada na figura 5.
Figura 4- Diagrama binria gua/c. actico
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Figura 5- Curva de equilbrio gua/c. actico
5. ConclusoConclui-se que a obteno de gua a partir da destilao fracionada da mistura
gua/cido actico foi consideravelmente boa. Esses dois compostos apresentam uma
pequena diferena de volatilidade e isso pode ter sido considerado como dificuldade na
obteno de um bom resultado. Apesar de no ter sido calculado o nmero de pratos
tericos, pode-se dizer que 10 pratos foram suficientes para uma boa separao, onde a
frao molar de gua, composto mais voltil, foi de 0,57% no topo e de 0,07% no
fundo.
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6. Referncias Bibliogrficas[1]Disponvel em:
,Acessado em 01/02/2013.
[2] POIANI, L.M. Simulao esttica e dinmica de colunas de destilao, aplicada
sistemas multicomponente a base de etanol e gua . 1985. 204 f. Dissertao
(Mestrado em Engenharia Qumica). Universidade Estadual de Campinas, Campinas,
So Paulo.
[3] BRASIL, A. B. Anlise de parmetros operacionais para o projeto de colunas
de destilao multicomponente em batelada. 1993. 113 f. Dissertao (Mestrado em
Engenharia Qumica). Universidade Estadual de Campinas, Campinas, So Paulo.
[4] Disponvel em:
, acessado em 03/02/2013.
[5] LOPES, M.M. Estudo comparativo da destilao em batelada operando com
refluxo constante e com composio do destilado constante. 2008. 155 f. Dissertao
(Mestrado em Engenharia). Universidade de So Paulo, So Paulo, So Paulo.[6]Disponvel em:
, acessado em 03/02/2013.
[7] PERRY, R. H.; GREEN, D. W.; MALONEY, J. O.Perrys ChemicalEngineers
Handbook. 7aed., New York: McGraw-Hill. 1997.
http://www.tecnicodepetroleo.ufpr.br/apostilas/petrobras/operacoes_unitarias.pdfhttp://www.fatecaracatuba.edu.br/suporte/upload/Biblioteca/BIO%2017711107121%20-%20Autor%20Walter%20Noboru%20Sejimo.pdfhttp://www.fatecaracatuba.edu.br/suporte/upload/Biblioteca/BIO%2017711107121%20-%20Autor%20Walter%20Noboru%20Sejimo.pdfhttp://www.ufrrj.br/posgrad/cpeq/paginas/docs_teses_dissert/dissertacoes_docs_2010/Renan-completa.pdf)http://www.ufrrj.br/posgrad/cpeq/paginas/docs_teses_dissert/dissertacoes_docs_2010/Renan-completa.pdf)http://www.ufrrj.br/posgrad/cpeq/paginas/docs_teses_dissert/dissertacoes_docs_2010/Renan-completa.pdf)http://www.ufrrj.br/posgrad/cpeq/paginas/docs_teses_dissert/dissertacoes_docs_2010/Renan-completa.pdf)http://www.fatecaracatuba.edu.br/suporte/upload/Biblioteca/BIO%2017711107121%20-%20Autor%20Walter%20Noboru%20Sejimo.pdfhttp://www.fatecaracatuba.edu.br/suporte/upload/Biblioteca/BIO%2017711107121%20-%20Autor%20Walter%20Noboru%20Sejimo.pdfhttp://www.tecnicodepetroleo.ufpr.br/apostilas/petrobras/operacoes_unitarias.pdf
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