aula 2 - opunitexpii - destilaÇÃo - 1ª parte
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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 2013semestre de 2013
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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.
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Ex.: Destilação Flash.
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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
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t A BP P P= +
Líquido xA XB
Vapor yA yB
Líquido xA XB
Vapor yA yB
Conceitos necessários:
� LEIS DAS PRESSÕES PARCIAIS DE DALTONLEIS DAS PRESSÕES PARCIAIS DE DALTON
Na interface (L + V), temos:
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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
Conceitos necessários:
�� VOLATILIDADE RELATIVA (VOLATILIDADE RELATIVA (αααααααα))
É a relação do mais volátil pelo menos volátil
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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
Conceitos necessários:
�� VOLATILIDADE RELATIVA (VOLATILIDADE RELATIVA (αααααααα))
Podemos calcular a volatilidade relativa utilizando as frações
molares da fase vapor ou líquida.
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,
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
−=
−
−= = =
−
Conceitos necessários:
�� 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.
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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.
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DESTILADESTILAÇÇÃO DIFERENCIALÃO DIFERENCIAL
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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.
DESTILADESTILAÇÇÃO DIFERENCIALÃO DIFERENCIAL
Balanço de Massa no Processo
Entra - Sai = Acumula
0 - ydv = d(Lx)
Pelo balanço de massa temos: dL = -dvPara o mais volátil temos:
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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
= +
− =
=−∫ ∫
DESTILADESTILAÇÇÃO DIFERENCIALÃO DIFERENCIAL
Como:
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, 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
DESTILADESTILAÇÇÃO DIFERENCIALÃO DIFERENCIAL
Portanto, temos:
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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.
DESTILADESTILAÇÇÃO DIFERENCIALÃO DIFERENCIAL
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(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.
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MISTURAS AZEOTRMISTURAS AZEOTRÓÓPICASPICAS
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Diagrama X Diagrama X –– Y de uma mistura Y de uma mistura azeotrazeotróópicapica
MISTURAS AZEOTRMISTURAS AZEOTRÓÓPICASPICAS
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.
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MISTURAS AZEOTRMISTURAS AZEOTRÓÓPICASPICAS
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(a) (a) Sistema não Sistema não azeotrazeotróópicopico (Exemplo: Metanol(Exemplo: Metanol-- ÁÁgua)gua)
MISTURAS AZEOTRMISTURAS AZEOTRÓÓPICASPICAS
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(b) (b) AzeAzeóótropotropo de mde míínimo (Exemplo: Etanolnimo (Exemplo: Etanol-- ÁÁgua)gua)
MISTURAS AZEOTRMISTURAS AZEOTRÓÓPICASPICAS
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(c) (c) AzeAzeóótropotropo de mde mááximo (Exemplo: Acetonaximo (Exemplo: Acetona-- ClorofClorofóórmio)rmio)
MISTURAS AZEOTRMISTURAS AZEOTRÓÓPICASPICAS
AzeAzeóótropotropo de mde míínimo e nimo e AzeAzeóótropotropo de Mde Mááximoximo
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MISTURAS AZEOTRMISTURAS AZEOTRÓÓPICASPICAS
AzeAzeóótropotropo de mde míínimo e nimo e AzeAzeóótropotropo de Mde Mááximoximo
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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..
MISTURAS AZEOTRMISTURAS AZEOTRÓÓPICASPICAS
AzeAzeóótropotropo de mde míínimo e nimo e AzeAzeóótropotropo de Mde Mááximoximo
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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.
MISTURAS AZEOTRMISTURAS AZEOTRÓÓPICASPICAS
AzeAzeóótropotropo de mde míínimo e nimo e AzeAzeóótropotropo de Mde Mááximoximo
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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.
MISTURAS AZEOTRMISTURAS AZEOTRÓÓPICASPICAS
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(d) (d) AzeAzeóótropotropo heterogêneo (Exemplo: nheterogêneo (Exemplo: n--Butanol Butanol -- ÁÁgua)gua)
MISTURAS AZEOTRMISTURAS AZEOTRÓÓPICASPICAS
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(e) (e) Sistema Sistema nãonão--azeotrazeotróópicopico heterogêneo (Exemplo: heterogêneo (Exemplo: ÓÓxido de xido de PropilenoPropileno -- ÁÁgua)gua)
MISTURAS AZEOTRMISTURAS AZEOTRÓÓPICASPICAS
AzeAzeóótropotropo Homogêneo e Homogêneo e AzeAzeóótropotropo HeterogêneoHeterogêneo
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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.
MISTURAS AZEOTRMISTURAS AZEOTRÓÓPICASPICAS
OBSERVAOBSERVAÇÇÃOÃO
A MAIOR PARTE DOS AZEÓTROPOS SÃO AZEÓTROPOS DE MÍNIMO,
FORMADO GERALMENTE POR SUBSTÂNCIAS IMISCÍVEIS.
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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.
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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.
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EXERCEXERCÍÍCIO EXTRA 2CIO EXTRA 2
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.
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EXERCEXERCÍÍCIO EXTRA 3CIO EXTRA 3
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?
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EXERCEXERCÍÍCIO EXTRA 4CIO EXTRA 4
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.
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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).
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EXPERIMENTO DE DESTILAEXPERIMENTO DE DESTILAÇÇÃO DIFERENCIALÃO DIFERENCIAL
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.
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EXPERIMENTO DE DESTILAEXPERIMENTO DE DESTILAÇÇÃO DIFERENCIALÃO DIFERENCIAL
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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EXPERIMENTO DE DESTILAEXPERIMENTO DE DESTILAÇÇÃO DIFERENCIALÃO DIFERENCIAL
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