Operação de Destilação: Conceitos e Métodos

Destilação Universidade de Passo Fundo Disciplina de Operações Unitárias Geankoplis 1998 Cap 11 McCabe Smith e Harinton 1993 Cap 18 Perry e Green 2008 Caps 13 e 14 Prof Dr Jeferson Steffanello Piccin Operações Unitárias UPF Prof Dr Jeferson Steffanello Piccin Objetivos jefersonpiccinupfbr CONCEITUAR e EXEMPLIFICAR a operação de destilação CORRELACIONAR os fenômenos físicos envolvidos na destilação ESTIMAR propriedades de processo importantes para o estudo de sistemas de destilação Introdução jefersonpiccinupfbr A destilação é uma operação cujo o mecanismos de separação é o equilíbrio líquidovapor Ao fornecer calor a uma mistura líquida miscível se promovermos a sua vaporização parcial obtemos duas fases uma líquida e outra de vapor que têm composições diferentes A diferença de composição das duas fases resulta da diferença de volatilidades dos vários componentes da mistura líquida inicial Quanto maior for essa diferença entre as volatilidades maior será a diferença de composição entre a fase líquida e vapor Introdução jefersonpiccinupfbr Alguns exemplos de destilação Na primeira figura temos um alambique um destilador simples usado na obtenção de bebidas destiladas A segunda foto mostra uma destilaria industrial de etanol A terceira uma coluna de fracionamento de petróleo em uma indústria petroquímica Métodos de destilação jefersonpiccinupfbr Destilação flash Este método de destilação consiste em elevar a temperatura de uma mistura líquida acima da temperatura de ebulição alimentandoa em um tanque de separação em uma única etapa Só é razoável se a diferença de volatilidade entre os dois compostos for elevada Métodos de destilação jefersonpiccinupfbr Destilação Diferencial ou em batelada Este método de destilação consiste em fornecer calor gradativamente a um líquido provocando a sua fervura e o desprendimento de vapores com o componente mais volátil Processo não estacionário Método utilizado para bebidas alcoólicas destiladas Métodos de destilação jefersonpiccinupfbr Destilação Fracionária processo de separação onde se utiliza uma coluna de fracionamento na qual é possível realizar a separação de diferentes componentes que apresentam diferentes pontos de ebulição presentes em uma mistura jefersonpiccinupfbr Destilação Industrial A destilação industrial é tipicamente realizada em grandes colunas cilíndricas verticais conhecidas torres de destilação ou fracionamento ou colunas de destilação com o diâmetro variando entre 65 cm a até 6 metros e altura variando de 6 a 60 metros ou mais As torres de destilação tem escoadouros de líquidos em intervalos na coluna os quais permitem a retirada de diferentes frações ou produtos que possuem diferentes ponto de ebulição Métodos de destilação jefersonpiccinupfbr Destilação Fracionária Link Métodos de destilação jefersonpiccinupfbr Destilação Fracionária Pratos Link DISTILLATION Crude oil contains a variety of hydrocarbons that have different boiling points To separate these compounds the oil is first sent to a boiler where it is heated into a superhot mixture of liquid and vapour called the feed The mixture is then fed into a distillation tower In here the compounds with a lower boiling point rise up as vapours while the compounds with a higher boiling point fall downwards as liquids The tower contains trays that allow the vapour to bubble upward through the liquid helping to exchange heat and resulting in more effective separation The distilled products are then piped off from the different levels of the tower These separated products are called fractions or distillates This process may take place along multiple distillation towers FES TANKS festankscomau jefersonpiccinupfbr Energia Temperatura Fusão Ebulição Sólido Líquido Gasoso Equilíbrio líquidovapor Substância pura Equilíbrio líquidovapor Mistura jefersonpiccinupfbr Energia Temperatura Fusão Ebulição Ponto de bolha Equilíbrio líquidovapor Mistura jefersonpiccinupfbr Energia Temperatura Condensação Soidificação Ponto de orvalho Equilíbrio líquidovapor Mistura jefersonpiccinupfbr Ponto de orvalho temperatura na qual se inicia a condensação da mistura Ponto de bolha temperatura na qual se inicia a ebulição da mistura Quando a mistura está no ponto de bolha dizemos que é um líquido saturado líquido formando primeira bolha de vapor Quando a mistura está no ponto de orvalho dizemos que é um vapor saturado vapor formando primeira gota de líquido Se a mistura está acima do ponto de bolha dizemos que é vapor superaquecido Se a mistura está abaixo do ponto de orvalho dizemos que é um líquido subresfriado Conceitos importantes jefersonpiccinupfbr Pressão Parcial Em uma mistura de vapores formado por dois componentes A e B a pressão exercida pelo componente A representa a sua pressão parcial equivalente a sua concentração volumétrica na mistura Conceitos importantes jefersonpiccinupfbr Pressão Parcial Lei de Dalton Numa mistura gasosa ideal de n componentes o comportamento de cada componente é independente dos demais e cada uma ocupa todo o volume disponível implicando que a Pressão parcial total PT seja igual à soma das pressões parciais Pi de cada componente 𝑃𝑇 𝑝𝑖 1 Assim numa mistura ideal a pressão parcial é proporcional à fração molar de um componente na fase de vapor 𝑝𝐴 𝑦𝐴 𝑃𝑇 2 PT Pressão total pi pressão parcial de um componente i yi fração molar de um componente i no vapor Conceitos importantes jefersonpiccinupfbr Pressão Parcial Lei de Raoult A pressão parcial se relaciona com a concentração na fase líquida por meio da Lei de Raoult A Pressão parcial de cada componente em uma solução ideal é dependente da pressão de vapor dos componentes individuais e da fração molar dos mesmos componentes 𝑝𝐴 𝑥𝐴 𝑃𝐴 0 3 Logo se dois componentes fizerem parte da mistura 𝑃𝑇 𝑝𝐴𝑝𝐵 𝑥𝐴 𝑃𝐴 0 1 𝑥𝐴 𝑃𝐵 0 Logo 𝑦𝐴 𝑥𝐴 𝑃𝐴 0 𝑃𝑇 5 Pi 0 Pressão de vapor do componente i puro xi fração molar de um componente i no líquido 4 Conceitos importantes jefersonpiccinupfbr Exemplo 38 Diagrama de equilíbrio líquidovapor jefersonpiccinupfbr Atividade 1 Com base no exemplo 1111 disponíveis em Geankoplis 1998 p 714 Determinar a composição da corrente de líquido e da corrente de vapor a uma dada temperatura informada individualmente Diagrama de equilíbrio líquidovapor jefersonpiccinupfbr Representa a composição do vapor em função da composição do líquido com a qual esta em equilíbrio a determina pressão 0 Temperatura Fração molar do componente A 1 Curva do ponto de orvalho composição do vapor Curva do ponto de bolha composição do líquido A uma determinada temperatura há uma curva que se estende desde o ponto de ebulição do componente A puro até o ponto de ebulição do componente B puro A curva superior deste diagrama representa a relação entre a temperatura e a composição do vapor curva do ponto de orvalho enquanto que a curva inferior relaciona a temperatura e composição do líquido curva do ponto de bolha Mistura LV Diagrama de equilíbrio líquidovapor jefersonpiccinupfbr 0 Temperatura Fração molar do componente A 1 TF xA yA xA composição do componente A no líquido a uma dada temperatura TF yA composição do componente A no vapor a uma dada temperatura TF Diagrama de equilíbrio líquidovapor jefersonpiccinupfbr Atividade 2 Construir a curva de equilíbrio líquido vapor da mistura etanolágua com base nas informações disponíveis em Geankoplis 1998 Tab A323 p 976 Determinar a composição da corrente de líquido e da corrente de vapor a uma dada temperatura informada individualmente Conceito de estágio de equilíbrio jefersonpiccinupfbr Prato n Vn Ln1 Vn1 Ln Se As temperaturas das correntes estiverem próximas a temperatura de equilíbrio no estágio 𝑞𝑠𝑒𝑛𝑠 0 Calores latentes dos compostos forem semelhantes Todo o calor cedido pela condensação da corrente Vn1 para a corrente Ln1 evapora uma mesma parcela de material Logo 𝐿𝑛1 𝐿𝑛 𝐿𝑛1 𝑉𝑛1 𝑉𝑛 𝑉𝑛1 6 7 Conceito de estágio de equilíbrio jefersonpiccinupfbr Exemplo Volatilidade relativa jefersonpiccinupfbr Quanto mais distante estiver a linha de equilíbrio da reta pendente a 45 maior será a diferença da composição de líquido e do vapor Por consequência a separação das fases será mais facilitada Esta relação é chamada de volatilidade relativa αAB 𝛼𝐴𝐵 𝑦𝐴 𝑥𝐴 𝑦𝐵 𝑥𝐵 𝑦𝐴 𝑥𝐴 ൘ 1 𝑦𝐴 1 𝑥𝐴 Então 𝑦𝐴 𝛼𝐴𝐵 𝑥𝐴 1 𝛼𝐴𝐵 1 𝑥𝐴 8 9 Ponto de azeotropia Conceito de estágio de equilíbrio jefersonpiccinupfbr Exemplo