introdução à destilação

8/15/2019 Introdução à destilação

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1. INTRODUÇÃO

EQ 852 – OPERAÇÕES UNITÁRIAS III

Este material está baseado no capítulo 1 do livro Separation Process Principles:

Chemical and Biochemical Operations, 3rd edition , J. D. Seader, E. J. Henley e D. K.

Roper, John Wiley & Sons, Inc.

Pags: 2- 34, itens: 1.0 a 1.8


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PROCESSOS DE SEPARAÇÃO

• Processos de separação são usados desde antigas civilizações

para:

– Extrair metais a partir de minérios

– Extrair perfumes de flores

– Extrair corantes de plantas

– Extrair sal da água do mar

– Destilar bebidas alcoólicas


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Químicos

XEngenheiros Químicos


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1.1 PROCESSOS INDUSTRIAIS E OS ENGENHEIROS QUÍMICOS

– Operações chaves:

– Operações auxiliares:

Reações químicas eseparação de misturas

químicas

Trocadores de calorBombas e compressoresRedução do tamanho de

partículas sólidasSeparação de sólidos por

tamanho


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Produção de cloreto de hidrogênio

H2 + Cl2 -> 2HCl

Processos simples quenão requeremoperações de

separação são muito

raros.

1% H2, N2, H2O, CO, CO2


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Hidratação do etileno

572K e 6,72MPaC2H4 + H2O -> C2H5OH

Conversão do etileno =5%

Se etileno puro estivesse disponívelcomo matéria-prima e não

ocorressem reações laterais, este

processo seria facilmente realizado


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Hidratação do etileno

Normalmente, mais etapas de separação do que as

originalmente planejadas são normalmente necessárias.

Impurezasna

alimentação(propileno)

+

Reaçõeslaterais doetileno

->

produzemdietil eter,

álcoolisopropílico,

e

acetaldeído


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Produção de etanol por fermentação

Importância: Preocupação devido ao suprimento de fósseis que nãosão renováveis, não permitem o desenvolvimento sustentável, eresultam na emissão de poluentes atmosféricos como material

particulado ou compostos orgânicos voláteis.


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BIOREFINARIAS

Muitas das mesmas substâncias orgânicas podem ser extraídas de

biomassa renovável, a qual é sintetizada bioquimicamente por células em

reações de fermentação e recuperadas por bioseparações.


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1.2 Operações e Processos Unitários

http://www.abimaq.org.br/solucoes_tecnicas_imagens/etanol/diapro_x.jpg

http://www.abimaq.org.br/solucoes_tecnicas_imagens/etanol/diapro_x.jpghttp://www.abimaq.org.br/solucoes_tecnicas_imagens/etanol/diapro_x.jpg


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1.3 Operações Unitárias de Transferência de Massa

s permeabilidades

sadsortividade

s difusividade

s volatilidades pontos fusão s solubilidade


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Tamanho dos equipamentos

“ Got a few problems going from lab scale up

to full-scale commercial ”

-tamanho -> taxas detransferência de massade cada espécie

- força motriz e adireção da

transferência de massa-> governada pelo

equilíbriotermodinâmico

- grau de separação -> diferenças naspropriedades


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Propriedades importantes

Os valores destas propriedades aparecem em handbooks, livros de referência,e jornais. Muitos podem ser estimados usando programas de simulação

de processos. Quando os valores das propriedades não estão disponíveis,

eles devem ser estimados ou determinados experimentalmente


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Separações por adição ou criação de fases

• ESA = Energia como agente de separação

– (transferência de calor ou trabalho de eixo )

• MSA = Agente de separação mássico – (imiscível com um ou mais componentes da mistura)

• Destilação extrativa = MSA + ESA


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Desvantagem de utilizar MSA

1. Necessidade de um separador adicional para recuperar o

MSA por reciclo

2. Necessidade de repor as perdas de MSA

3. MSA pode contaminar o produto

4. Maior dificuldade dos procedimentos de projeto


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Separações baseadas em criação ou adição de fases


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Destilação Flash

Alimentação -> espécies que diferem

largamente emvolatilidade

fase vapor -> espécies +

voláteis

Fase líquida -> espéciesmenos

voláteis


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Destilação

Múltiplos contatos contracorrente

entre as fases líquido e vapor

Boilup (refluxo de vapor)

refluxo


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Destilação

seção de enriquecimento ou retificação:

porção acima da alimentação

seção de stripping ou esgotamento:porção abaixo da alimentação

Alimentação


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Destilação Extrativa

Pequena diferença de volatilidade -> mais de 100 pratos -> destilação extrativa


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Destilação Extrativa

Requer operação subsequente -> Recuperar o MSA -> reciclo.


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Absorção e Stripping

T ambiente ealtas pressões

P ambiente e altastemperaturas


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Absorção e Stripping

Absorção - Um solvente absorve seletivamente um ou mais componentes da

alimentação dependendo de sua solubilidade.


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Destilação azeotrópica


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Extração Líquido-líquido

Um solvente dissolve seletivamente um ou mais componentes da alimentação.


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Extração Supercrítica


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Extração Supercrítica


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CO2 Supercrítico


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Secagem

Requisito:

Pvap do líquido a ser evaporado do sólido > P parcial na corrente gasosa.

Considerar:

TemperaturaUmidade

Fluxo de ar

Tamanho das partículas

Outros efeitos:

Difusão interna

Fluxo capilar

Equilíbrio do teor de umidade

Sensibilidade ao calor


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Curva de Secagem


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Evaporação


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Cristalização


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Sublimação


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Lixiviação

Extração sólido - líquido


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Separações por barreiras


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Osmose

Transferência de um solvente através de uma membranaporosa por um gradiente de concentração.

A membrana é sempre impermeável ao soluto


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Osmose Reversa

o transporte do solvente ocorre na direção oposta a osmosepela imposição de uma pressão, maior que a pressão

osmótica, do lado da alimentação.

Diálise


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Diálise

Mi l fil ã


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Micro e ultrafiltração


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Pervaporação

Usado para separar misturas azeotrópicas.

Utiliza pressões muito menores que a osmose reversa, mas o calor de

vaporização deve ser fornecido.


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Permeação de gás


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Membranas Líquidas


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Separações por agentes sólidos

• Separações que usam agentes sólidos são listadas na Tabela 1.3


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Adsorção x absorção


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Equipamento de Adsorção


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Equipamento de Adsorção

Equipamento:

vaso cilíndrico empacotado com um leito de partículas adsorventes sólidas


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Adsorção

Equipamento:

Como a regeneração é conduzida periodicamente, dois ou mais vasos são

usados, um adsorve enquanto o outro dessorve.


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Métodos de regeneração

Regeneração ocorre por um dos 4 métodos:

• (1) vaporização do adsorbato com gás de purga aquecido(thermal swing adsorption)

• (2) redução da pressão para vaporizar o adsorbato (pressureswing adsorption)

• (3) stripping em purga inerte sem alteração de temperatura ou

pressão

• (4) deslocamento por um fluido contendo espécies adsorvidasmais fortemente.


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Cromatografia


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Troca iônica

õ d


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Separações por gradiente ou campo externo

• Campos externos podem levar alguma vantagem de diferentes

graus de resposta de moléculas e íons com relação as forças decampo. Tabela 1.4 lista técnicas comuns e suas combinações.

C if ã


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Centrifugação

C if ã dif i l


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Centrifugação diferencial

Dif ã té i


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Difusão térmica

usado para aumentar a separação de isótopos em processos de permeação


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Eletrólise

Produção Industrial de elementos como alumínio e o cloro


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Eletrodiálise

El t f


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Eletroforese

Explora as diferentes

velocidades de migração deespécies carregadas, coloidais ouem suspensão, em um campo

elétrico

F i t d d fl


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Fracionamento de campo de fluxoCampo elétrico,magnético ou

térmico

Campo defluxo

laminar

Componentesda misturaviajam nadireção do

fluxo a

diferentesvelocidades

N t t d


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Neste curso, estudaremos:

Recuperação de componentes e


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pureza dos produtos

C = número de componentes i,

ni(F) = taxa de fluxo molar ou mássico na alimentação

ni

(p)

= fluxo molar ou mássico dos produtos



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volatilidade


pureza dos produtos

li f i


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Split fraction

• O split fraction (SF) para o componente i no separador k é a fraçãoencontrada no primeiro produto.

• Na qual, n(1) e n(F) referem-se as taxas de fluxo do componente no

primeiro produto e na alimentação.

Varia de 0 a 1

S li i


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Split ratio

• Alternativamente, o split ratio (SR) entre dois produtos é:

• Na qual, n(2) refere-se a taxas de fluxo do componente no segundo

produto.

Varia de 0 a

S li f i li i


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Split fraction e split ratio

d i ã d i õ


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Pureza e designação de composições

Sequência de separação


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S ê i d ã


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Conforme o número de produtos finais aumenta, onúmero de sequencias alternativas cresce rapidamente

Estratégia inicial de Sequência ótima


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1. Remova substância instáveis, corrosivas, ou quimicamente reativas cedo

na sequência.

2. Remova os produtos finais um por um como destilados no topo.

3. Remova, cedo na sequência, aqueles componentes de maior porcentagem

molar na alimentação.

4. Faça a separação mais difícil na ausência de outros componentes.

5. Deixe para o último passo da sequência aquelas separações que produzemprodutos finais de alta pureza.

6. Selecione a sequência que favoreça quantidades quase equimolares de

produtos de topo e fundo em cada coluna.


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• Infelizmente, estas afirmações conflitam uma com a outra, e nem sempre uma escolha clara é

possível.

1. Remova substância instáveis, corrosivas, ou quimicamente reativas cedo na sequencia.

(Deve ser sempre aplicada)

2. Remova os produtos finais um por um como destilados no topo.

(Sequência industrialmente mais comum)

3. Remova, cedo na sequencia, aqueles componentes de maior porcentagem molar na alimentação.

4. Faça a separação mais difícil na ausência de outros componentes.

(Usualmente aplicada para separação de isômeros)

5. Deixe para o último da sequência aquelas separações que produzem produtos finais de alta pureza.

6. Selecione a sequência que favoreça quantidades quase equimolares de produtos de topo e fundo em cadacoluna.

(Favorecida quando os custos de energia são altos)


Fator de separação


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Fator de separação

• Em outros casos, uma outra medida do grau de separação entre doiscomponentes chaves, i e j, é o fator ou poder de separação, SP, definido

em termos de divisão do componente como medido pela composição dedois produtos (1 ) e (2).

Na qual C é alguma medida de composição. SP é prontamente convertido

nas seguintes formas em termos de split fraction ou split ratio.

Viabilidade de separação


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Viabilidade de separação

• Para cada uma das misturas binárias abaixo, um método de

separação é sugerido. Explique por que a separação será ounão um sucesso.

• A) Separação do ar em oxigênio e nitrogênio por destilação

• B) Separação do m-xileno e p-xileno por destilação

• C) Separação de benzeno e ciclohexano por destilação

• D) Separação de isopropil alcool e água por destilação

• E) Separação de penicilina da água em um caldo de

fermentação por evaporação.


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OBJETIVOS

Explicar o papel das operações de separação nas indústriasquímicas e bioquímicas.

Explicar o que constitui a separação de uma mistura e como cadauma das 5 técnicas básicas de separação funcionam.

Calcular balanços de massa por componente em operações deseparação baseando-se em especificações de recuperação decomponentes e ou pureza de produto.

Usar o conceito de componente chave e fator de separação entre

dois componentes chaves

Selecionar operações de separação baseando-se nas diferenças depropriedades entre alimentação e produtos e das característicasdas operações de separação.

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