Destilação é uma operação unitária cujo objectivo é separar ou fraccionar, por vaporização, uma mistura de líquidos voláteis e miscíveis, nos seus com

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2 Destilação é uma operação unitária cujo objectivo é separar ou fraccionar, por vaporização, uma mistura de líquidos voláteis e miscíveis, nos seus componentes

3 A separação é possível aproveitando as diferenças entre a pressão de vapor dos diferentes componentes da mistura A destilação é uma das operações unitárias mais importantes na indústria química, na indústria petrolífera e também na indústria alimentar

4 Diagrama de fases

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6 Equilíbrio Líquido Vapor A(l) F A(g)

7 Lei de Dalton "Numa mistura gasosa, a pressão de cada componente é independente da pressão dos demais, a pressão total ( P) é igual à soma das pressões parciais dos componentes" Lei de Raoult Numa solução ideal, a pressão parcial de cada componente da solução é igual à pressão de vapor do componente puro multiplicada pela sua fração molar Lei de Henry P i = x i H A solubilidade de um gás num líquido é directamente proporcional à pressão parcial do gás em equilíbrio com a solução (T=const)

8 Volatilidade Relativa A volatilidade pode ser utilizada para relacionar as composições, em equilíbrio, das fases líquidas e gasosas A volatilidade de um componente pode ser definida como a razão entre a pressão parcial do componente na fase gasosa e a fracção molar na fase líquida:

9 Equilíbrio Líquido Vapor A (l) + B(l) F A(g) + B(g)

10 Pressão de vapor Pressão de vapor vapor de A puro fracção molar

11 Pressão de vapor Pressão de vapor vapor de B puro vapor de A puro fracção molar

12 Pressão de vapor Pressão de vapor vapor de B puro pressão de vapor total da mistura vapor de A puro fracção molar

13 Ponto de Ebulição PE de A puro PE de B puro fracção molar

14 Pressão de vapor B puro pressão de vapor total A puro fracção molar Ponto de Ebulição Ponto de Ebulição PE de A puro PE de B puro fracção molar

15 Ponto de Ebulição O líquido entra em ebulição a esta temperatura Ponto de Ebulição PE de A puro PE de B puro fracção molar composição da mistura

16 Ponto de Ebulição dando origem a um vapor com esta composição O líquido entra em ebulição a esta temperatura Ponto de Ebulição PE de A puro PE de B puro fracção molar composição do vapor sobre o líquido em ebulição composição da mistura

17 Ponto de Ebulição composição do vapor Ponto de Ebulição PE de A puro composição do líquido PE de B puro fracção molar

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19 Curva dos pontos de condensação Mistura binária ideal (a+b) Aquecimento de líquido (composição do líquido = x a1 ) Curva dos pontos de ebulição 1 - t = t 1 estado líquido 2 - t = t 1 início ebulição (fase vapor - y a1 ; fase líquida - x a1 ) 3 - t = t 2 (vapor - y a2 ; líquido - x a2 ) 4 - t = t 3 (só vapor - y a3 = x a1 ) 5 - t = t vapor sobreaquecido

20 Mistura binária não ideal com um mínimo (metanol clorofórmio) azeótropo

21 Mistura binária não ideal com um máximo (água ácido fórmico) azeótropo

22 Destilação simples Cálculo analítico Considere-se um líquido que contém um soluto a, volátil, que se vai destilar. À medida que a volatiliza, o líquido fica mais pobre em a (destilação diferencial) A composição das fases L e V varia com o tempo (processo não estacionário) m massa do soluto a no destilado dm massa de a no elemento de volume dv do destilado dv elemento de volume do destilado v volume de destilado

23 Destilação simples K a razão entre as concentrações de a no destilado e no resíduo M massa inicial de a na solução a ser destilada v L volume da solução inicial a destilar E fracção extraída de a (m/m) (v volume de destilado; m massa de soluto a no destilado)

24 K a razão entre as concentrações de a no destilado e no resíduo M massa inicial de a na solução a ser destilada v L volume da solução inicial a destilar E fracção extraída de a (m/m) (v volume de destilado; m massa de soluto a no destilado)

25 Se K a se mantém aproximadamente constante e se v << v L (E=m/M) 1-E

26 Se K a se mantém aproximadamente constante e se v não é desprezável

27 Se K a variar e se v não é desprezável

28 Em resumo: 1. Ka constante e v do destilado desprezável v = - v L /K a ln (1-E) 2. Ka constante e v do destilado não é desprezável ln [(v L -v)/v L ] = (1/K a ) ln (1-E) 3. Ka não é constante e v do destilado não é desprezável v 0 K a /(v L -v)dv] = - ln (1-E)

29 Equipamento para destilação simples Condensador Balão Cabeça de destilação Núcleos de ebulição

30 Equipamento para Destilação simples Balões Balão de Claisen

31 Equipamento para Destilação simples Cabeças de destilação Cabeças de Claisen

32 Equipamento para Destilação simples Tipos de condensadores Liebig Graham Allihn Friedrichs Dimroth

33 Equipamento para Destilação simples Tipos de condensadores J. B. Hill, S. W. Ferris, Laboratory Fractionating Columns, Ind. Eng. Chem., 1927, 19 (3), pp

34 Equipamento para Destilação simples Alongas de recolha de destilado

35 Vídeos sobre Destilação

36 Destilação Instantânea Destilação Súbita Destilação Flash A destilação súbita ou instantânea é uma operação contínua de um andar de equilíbrio onde uma mistura líquida de dois ou mais componentes é parcialmente vaporizada através da passagem por uma válvula de expansão. É o processo de destilação em contínuo mais simples, ocorrendo num único andar com a formação de uma fase vapor em equilíbrio com um líquido a partir da corrente de alimentação

37 Destilação Instantânea A destilação súbita não é muito eficiente. Se as volatilidades relativas não forem muito distintas a separação é fraca. Este método é normalmente usado, na indústria, como um processo Este método é normalmente usado, na indústria, como um processo prévio de separação

38 Destilação Instantânea F caudal molar da fase da corrente de alimentação V - caudal molar da fase vapor L - caudal molar da fase líquida Q H Quantidade de calor fornecida pelo permutador de calor Q Calor trocado pela câmara flash z F fração molar do componente mais volátil x, y - fração molar do componente mais volátil, no líquido e no vapor, respetivamente h - entalpia

39 Destilação Instantânea Balanço de massa Balanço de energia sendo: Na maior parte dos casos Q =0 (processo adiabático)

40 Destilação Instantânea Balanço de massa: Representando por f a fração da alimentação vaporizada: Reta operatória (y em função de x): Declive = -(1-f)/f Ordenada na origem = z F /f

41 Destilação Instantânea No caso do balanço energético: Em condições adiabáticas: Exprimindo em função de f (f = V/F):

42 Destilação Instantânea (f = V/F) Reta operatória (y em função de x): Declive = -(1-f)/f Ordenada na origem = z F /f - Fração vaporizada f declive - Composição da alimentação ordenada na origem - Ou: quando z f = x então x = y = z f (equação)

43 Destilação Instantânea

44 Destilação Instantânea (Diagrama Entalpia Composição) A entalpia de uma mistura de dois componentes A e B pode ser calculada pela equação:

45 Destilação Instantânea

46 Destilação Instantânea

47 Destilação Instantânea Dados: z f = 0,5; V/F = 0,6 = f Equação da reta operatória: y = 0,83 0,67 x Resposta: x = 0,39; y = 0,58

48 Destilação Instantânea PROBLEMA

49 Resposta (alínea a) 10 kmol/hr 0,5 Não: 4 incógnitas (x, y, F, V, L, zf) 3 equações

50 Resposta (alínea b) 0,98 10 kmol/hr 0,5 = 0,98 3 incógnitas (x, y, F, V, L, zf) 3 equações: Resultado: L = 6,1 kmol/h; V = 3,9 kmol/h

51 Destilação Instantânea (misturas multicomponentes)

52 Destilação Instantânea (misturas multicomponentes) (mistura binária) Em vez de 2 componentes, temos i componentes, com i 3: As relações de equilíbrio são:

53 Destilação Instantânea (misturas multicomponentes) F = V + L L = F - V z i F = x i (F-V) + k i x i V Sabendo K i e V/F, pode-se calcular x i e y i.

54 Destilação Instantânea (misturas multicomponentes) Se K i ou V/F não for conhecido: C = 1,0 i=1 C = 1,0 i=1 Como há C componentes, as equações não são de resolução fácil (polinómios)

55 Destilação Instantânea (misturas multicomponentes) Método iterativo de Rachford - Rice C = 0 i=1 Z i (K i - 1)

56 Destilação Instantânea (misturas multicomponentes) Problema - Limites superior e inferior da temperatura na câmara de flash: 94 ºC e 112 ºC (t em ºC

57 a) Temperatura no interior da câmara de flash Admitindo como válidas as leis de Dalton e Raoult para esta mistura, as razões de equilíbrio Ki são obtidas de: K 1 = 2,92; K 2 = 1,02; K 3 = 0,458; Uma vez que 60% da alimentação são vaporizados (V/F=0,6): C =1,0 i=1

58 b) As composições do vapor e do líquido produzidos

59 c) A temperatura da corrente de alimentação (diapositivo 41): x (t 106) x (t 106) =

60 PROBLEMA 3.1 K B K T

61 Destilação por Andares A eficiência de uma separação por destilação aumenta se forem conseguidos múltiplos contactos entre a fase líquida e a fase vapor. Os múltiplos contactos entre as fases permitem o enriquecimento progressivo da fase vapor no componente mais volátil. Este procedimento tem a designação de rectificação ou destilação contínua em andares de equilíbrio Nesta operação a separação é efectuada numa sucessão de andares de equilíbrio, nos quais ambas as fases entram em contacto, misturam-se, transferem energia e massa e saem, teoricamente, em equilíbrio

62 Destilação por Andares Os andares de equilíbrio devem garantir o contacto íntimo entre as fases, proporcionar uma grande interface entre elas, de modo a permitir uma transferência de massa eficiente. O tempo de residência da mistura líquido-vapor em cada andar deve ser o adequado para garantir que o equilíbrio seja atingido. Equipamento é constituído por um reservatório cilindrico sob pressão controlada (superior ou inferior à pressão atmosférica) designada por coluna de destilação.

63 Destilação por Andares Na coluna de destilação circulam duas correntes em contracorrente: - Corrente ascendente de vapor; - Corrente descendente de líquido. O contacto entre as duas fases faz-se por dispersão do vapor no líquido ou do líquido no vapor. Podem ser consideradas 2 partes na coluna de destilação (acima e abaixo da alimentação): - Secção de Retificação - Secção de Esgotamento No fundo da coluna parte do líquido é vaporizada e reenviada para a coluna. No cimo da coluna o vapor é condensado e parte é reenviada para a coluna.

64 Destilação por Andares Existem vários tipos de colunas. As mais utilizadas em aplicações industriais são: - Colunas de pratos (contacto por andares) - Colunas de enchimento (contacto contínuo)

65 Destilação por Andares Colunas de pratos (contacto por andares) Esquema de operação de um prato perfurado numa coluna de separação líquido-vapor

66 Destilação por Andares Colunas de enchimento (contacto contínuo) Enchimentos aleatórios Coluna de enchimento típica de um processo de absorção. Na destilação as colunas são mais complexas, porque têm vários distribuidores de líquido (e até de gás), separadores gás-líquido, etc. Enchimentos estruturados

67 Destilação por Andares Material de enchimento Enchimentos aleatórios

68 Destilação por Andares Colunas de enchimentoversus Colunas de andares As colunas de enchimento: - têm uma maior área interfacial de contacto líquido-vapor - apresentam uma melhor eficiência de separação para a mesma altura de coluna - são mais curtas dos que as de andares

69 Destilação por Andares Distribuidores de líquido

70 Destilação por Andares O projecto de uma coluna de destilação envolve a resolução de várias equações: -Balanços de massa (global e do componente mais volátil); -Balanços de energia (balanços entálpicos). É necessário fazer algumas aproximações, como a de que se estabelece o equilíbrio líquido-vapor em cada andar

71 Destilação por Andares O projecto da coluna envolve, tipicamente, os seguintes passos:

72 Destilação por Andares Utilizando métodos gráficos e numéricos é possível calcular aproximadamente o número de andares de equilíbrio ou a composição do vapor e do líquido à saída da coluna Dos métodos existentes, o de uso mais vulgarizado é o método gráfico de McCabe-Thiele usado nos cálculos da separação de misturas binárias

73 Destilação por Andares Lewis verificou que em muitos sistemas (p. ex. em misturas de hidrocarbonetos) as entalpias de vaporização são aproximadamente constantes, pelo que é razoável admitir que os caudais de vapor e de líquido em cada secção são também constantes. L 1 = L 2 =...=L j =...= L V 1 = V 2 =...=V j =...= V L f = L f+1 =...=L N-1 =...= L V f = V f+1 =...=V N-1 =...= V

74 Destilação por Andares Sendo os caudais molares em cada secção constantes, as equações dos balanços mássicos da alimentação, secções de rectificação e esgotamento são equações de rectas Com base nestes resultados McCabe-Thiele desenvolveram um método gráfico construído com base nos seguintes pressupostos: - A coluna é adiabática - Desprezam-se as variações de calor devido ao aquecimento e arrefecimento das correntes (cp T), o que implica que a diferença de temperatura entre ebulidor e condensador deverá ser < 50ºC - A entalpia de mistura das correntes é desprezável; h vap dentro da coluna é constante

75 Destilação por Andares Para substâncias com pontos de ebulição próximos (e com entalpias de ebulição também próximas) a regra de Trouton estabelece que: h vap vap (J/mol)= 85 T eb eb Como consequência da igualdade das entalpias de vaporização dentro da coluna, o número de moles de líquido que se evapora é igual ao número de moles de vapor que se condensa (o calor necessário para evaporar o líquido provém do calor que se liberta na condensação do vapor)

76 Destilação por Andares Secção de retificação Tendo em conta que a numeração dos pratos começa por cima e as composições de líquido e vapor que saem do prato estão em equilíbrio: y n+1 +1V= V=x n L + Dx D y n+1 +1=x n L + D x D V V Em que: V = L R + D L R - fração de líquido reintroduzido na coluna (refluxo); D - destilado

77 Destilação por Andares Secção de retificação: num andar qualquer, n, as correntes de líquido e de vapor (com composição x n e y n+1 ) são correntes de passagem que podem ser relacionadas pelo balanço mássico ou pela linha operatória y n+1 +1V= V=x n L + Dx D y n+1 +1=x n L + D x D V V y = L V D V x + x D (para qualquer andar na secção de retificação)

78 Destilação por Andares Secção de esgotamento: x n e y n são correntes de saída do andar n y m+1 +1V V + V + Wx w =x m L _ y = _ L x - x w V W V _ (para qualquer andar na secção de esgotamento)

79 Destilação por Andares Secção de esgotamento O último ponto da linha operatória de esgotamento é o correspondente ao último prato, isto é ao líquido que deixa o andar N-1, com a composição x N-1, e ao vapor proveniente do ebulidor y W y x - x w = L V W V _

80 Destilação por Andares Corrente de alimentação A relação entre os caudais das secções de retificação e de esgotamento depende do caudal e do estado térmico da corrente de alimentação, que determina a sua entalpia. É necessário,por isso, fazer um balanço molar e um balanço entálpico ao prato de alimentação:

81 Destilação por Andares Definindo uma grandeza adimensional q como a razão entre o aumento de caudal molar do líquido no prato de alimentação por mole da corrente de alimentação (representa a condição térmica da alimentação): - F + -V - V V - V q = = 1 + F -L L = F + -V - V - V - V F Ou ainda:

82 Destilação por Andares A partir de: Podem exprimir-se os caudais das secções de rectificação e de esgotamento em função de q: Podem, ainda, relacionar-se as entalpias da alimentação, secção de esgotamento e de rectificação: h V, h L e h F são as entalpias do vapor saturado(para y=z F ), do líquido saturado (para x=z F ) e da alimentação.

83 Destilação por Andares y = L V D V x + x D Reta operatória (retificação) _ y = _ L x - x w V W V _ Reta operatória (esgotamento) Combinando as equações anteriores e tendo em conta o balanço mássico do componente mais volátil chegamos à equação da recta operatória da alimentação: Reta operatória de alimentação

84 Destilação por Andares Explicação gráfica do significado de q

85 Destilação por Andares Valores possíveis de q e a sua relação com os caudais de líquido e de vapor no interior da coluna de destilação

86 Destilação por Andares (Resumo) Rectas operatórias: y = L V D V x + x D Secção de retificação _ y = _ L x - x w V W V _ Secção de esgotamento Alimentação

87 Destilação por Andares (Resumo) Efeito das condições térmicas da alimentação no declive da linha q

88 Destilação por Andares

89 Destilação por Andares Resolução:

90 Destilação por Andares

91 Destilação por Andares

92 Destilação por Andares Declive = q / (q-1) = 1,5

93 Destilação por Andares

94 Destilação por Andares

95 Destilação por Andares diapositivo seguinte fração mássica

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98 Destilação por Andares

99 Destilação por Andares Cálculo do nº de andares de equilíbrio O número de andares teóricos é igual ao número de pratos + 1 (porque as colunas têm o ebulidor que não constitui um prato da coluna mas onde ocorre um equilíbrio entre líquido e vapor)

100 Destilação por Andares O cálculo do nº de andares de equilíbrio pelo método gráfico de McCabe-Thiele inicia-se pela marcação num diagrama x-y das retas operatórias de retificação e alimentação (ou esgotamento): Retificação declive y = (L/V)x + (D/V)x d x = y = x d ponto da reta Alimentação - q = (L L)/F declive y = [q/(q-1)]x -z F /(q-1) x = y = z F ponto da reta Esgotamento declive _ y = (L/V)x - (D/V)x w x = y = x w ponto da reta

101 Destilação por Andares Se, por exemplo, se tiverem traçado as retas operatórias de retificação e de esgotamento, a de alimentação pode ser obtida unindo o ponto encontro dessas duas retas com o ponto x=y=z F. y = (L/V)x + (D/V)x d x = y = x d y = [q/(q-1)]x -z F /(q-1) x = y = z F y = (L/V)x - (D/V)x w x = y = x w

102 Destilação por Andares Nº de andares para obter um destilado com a composição x D : 1 ponto x = y = x D (reta de retificação) e ponto x = y = x w (reta de esgotamento) 2 declives das retas (retificação = L/V; esgotamento = L/V) 2 união do ponto de interseção das duas retas com x = y= z F (reta de alimentação) 3 marcação dos degraus a partir de cima (equilíbrio/linha operatória) - - Construção de McCabe-Thiele O nº de degraus ou de triângulos traçados é o nº de andares teóricos, isto é, o nº de pratos de destilação + 1 (o do ebulidor, que é o último andar)

103 Destilação por Andares Coluna de destilação com refluxo total: F = D = 0 (R = ) (não há qualquer entrada ou saída e N = N mínimo mínimo ) R = L R /D = razão de refluxo Dado que L=V e L=V as duas retas operatórias (retificação e esgotamento) tem um declive igual a 1 (y=x) e, portanto, coincidem com a linha y=x.

104 Destilação por Andares Coluna de destilação com refluxo mínimo (R = mínimo) (valor máximo possível de destilado D e N = ) R = L R /D = mínimo razão de refluxo Condições operacionais: R op 1,2 x R min

105 Destilação por Andares Resumo dos passos de construção gráfica McCabe-Thiele: 1-traçar a linha de equilíbrio y-x e a linha auxiliar a 45º (y=x) 2-marcar as composições conhecidas (em geral: x D, z F e x W ) 3-traçar a linha q [declive = q/(q-1) e ponto x=y=z F ] 4-determinar R min L/V = R/(R+1) [L/V = declive da reta de retificação que une à linha de equilíbrio] 5-determinar R op (em geral: R op = 1,2 x R mín ) 6-traçar a recta operatória de rectificação R/(R+1) 7-traçar a recta operatória de esgotamento (unir x=x w com a interseção das outras 2 retas) 8-traçar o número de andares de equilíbrio (número de degraus)

106 Destilação por Andares

107 Destilação por Andares

108 Destilação por Andares Localização da corrente de alimentação No caso de colunas já existentes, a corrente de alimentação pode não entrar na localização ótima (mais abaixo ou mais acima), o que pode alterar a sua eficiência (nº de andares) Localização ótima 1 andar acima 1 andar abaixo

109 Destilação por Andares Balanço energético à coluna A quantidade de calor (Q c,5) libertada no condensador, admitindo que há condensação total e se forma líquido saturado, é igual a: Q C = V x h vap Sabendo Q C, é possível calcular o valor do calor a fornecer ao ebulidor parcial, Q B, através de um balanço energético à coluna: Fh F + Q B = Dh D + Wh W + Q C

110 Recursos na internet sobre destilação

111 ep/slide.php?chapter=/chemsep/distil lation/&last=34&slide=20

112 PROBLEMAS FINAIS 1. Uma coluna de destilação opera a 1 atm e recebe kg/h de uma solução aquosa com 8,6% (em massa) de álcool. Pretende-se que as composições do destilado e do resíduo sejam, respetivamente, 95,4% e 0,1% em álcool. Calcule: a) Sistema de 2 equações a 2 incógnitas (D e W): 0,086 x = 0,954 x D + 0,001 x W (balanço material ao etanol) = D + W (balanço material à coluna). Resultado: D = 446 kg/h; ; W = 4554kg/h etanol 95,4% b) Massa de álcool na alimentação = 0,086 x kg = 430 kg Massa de álcool no resíduo = 0,001 x kg = 4,55 kg Resultado: % álcool perdido = 4,55 /430 x 100 = 1,1% kg/h etanol 8,6 % etanol 0,1%

113 PROBLEMAS FINAIS 2.

114 PROBLEMAS FINAIS 2. Resolução idêntica à anterior (sistema de 2 equações) Usando CF, o componente mais volátil: 200 x 0,55 = D x 0,95 + W x 0,03 D + W = 200 kmol/h Resultado: D = 113 kmol/h; W = 87 kmol/h CF 95% n CF (entrada) = 200 kmol/h x 0,55 = 110 kmol/h n CF (destilado) = 113 kmol/h x 0,95 = 107,4 kmol/h Fração de recuperação (CF) = 107,4/110= 0, kmol/h (CF-55%; AA-45%) n AA (entrada) = 200 kmol/h x 0,45 = 90 kmol/h n AA (resíduo) = 87 kmol/h x 0,97 = 84,4 kmol/h Fração de recuperação (AA) = 84,4/90 = 0,938 AA 97%

115 PROBLEMAS FINAIS 2. CF 95% 200 kmol/h (CF-55%; AA-45%) Balanços materiais: calculado em a) R = 1 L R = D = 113 kg/h; logo: L = 113 kmol/h Como F é 50%V e 50%L L = L = 213 kmol/h Como V = L R + D V = = 226 kmol/h Como V = V V = = 126 kmol/h AA 97%

116 PROBLEMAS FINAIS 2. ( ) No ebulidor são vaporizados 126 kmol/h (valor de V). É preciso calcular a composição deste vapor. A partir de α: 6,15 = (y CF /x CF )/(y AA /x AA ) e y CF + y AA = 1. Temos 2 equações e 2 incógnitas, uma vez x CF e x AA são conhecidos. Então: 6,15 = (y CF /0,03)/(y AA /0,97) y CF = 0,235; y AA = 0,765. CF AA kmol/h (CF-55%; AA-45%) CF 95% Sabendo a composição do vapor, podemos calcular Q B : Q B = x [0,235x29,24 + 0,765x23,68] = 3,15x10 6 kj/h Mas como 1 kw = 1 kj/s = 3600 kj/h Q B = 875 kw (gastos) AA 97% No condensador são condensados 226 kmol/h (valor de V): Q C = x[0,95x29,24 + 0,05x23,68] = 6,55x10 6 kj/h Q C = 1819 kw (produzidos)

117 PROBLEMAS FINAIS 3. Uma câmara de destilação instantânea opera a kpa e separa uma mistura etanol água. A alimentação tem 60 % de água. a) Se a razão V/F for de 2/3 calcule a composição do líquido e do vapor. b) Caso pretenda a produção de 100 kmol/h de vapor qual deverá ser a alimentação a usar. c) Se duplicar o valor da alimentação, calculado na alínea anterior, qual a composição do líquido e do vapor nestas novas condições.

118 PROBLEMAS FINAIS 3. Uma câmara de destilação instantânea opera a kpa e separa uma mistura etanol água. A alimentação tem 60 % de água. a) Se a razão V/F for de 2/3 calcule a composição do líquido e do vapor. Composição do vapor (y) e do líquido (x) (intercepção da linha operatória com a linha de equilíbrio líquido-vapor): x = 0,17; y = 0,51

119 PROBLEMAS FINAIS 3. Uma câmara de destilação instantânea opera a kpa e separa uma mistura etanol água. A alimentação tem 60 % de água. b) Caso pretenda a produção de 100 kmol/h de vapor qual deverá ser a alimentação a usar. V=2/3F F = 3/2V =3/2x100=150 kmol/h c) Se duplicar o valor da alimentação, calculado na alínea anterior, qual a composição do líquido e do vapor nestas novas condições. Não há efeito sobre a composição. x = 0,17; y = 0,51

120 PROBLEMAS FINAIS 4. Diagrama de composição da fase gasosa em função da composição da fase líquida para a mistura dissulfureto decarbono/tetracloretodecarbonoa1atm.

121 PROBLEMAS FINAIS 4. a) Estabeleça a equação da reta operatória de retificação. Igualando as equações das 2 retas, obtemos o ponto de interseção: -x + 1 = 0, ,833x x = 0,46 e y = 0,54. Portanto, a reta de esgotamento pode ser obtida ligando os pontos (0,05; 0,05) e (0,46; 0,54).

122 PROBLEMAS FINAIS 4. c) Calcule o número de pratos de equilíbrio necessários. Por análise do gráfico, depois de construídos os andares (a construção é efectuada do topo para o fundo) podemos verificar que existem 8 andares teóricos que correspondem a sete pratos ou andares na coluna de destilação mais 1 ebulidor parcial (topo). (0,95; 0,95) (0,46; 0,54) 4. d) Determine a localização ótima do prato da alimentação. A alimentação deve ser efectuada no 4º andar da coluna de destilação (5º andar teórico). (0,05; 0,05) Diagrama de composição da fase gasosa em função da composição da fase líquida para a mistura dissulfureto decarbono/tetracloretodecarbonoa1atm.

123 PROBLEMAS FINAIS 4. e) Determine os caudais do líquido e do vapor na secção de esgotamento Como se viu, o declive da reta de retificação, L/V, é igual a 0,833. O declive da reta de esgotamento, L/V, pode calcular-se a partir de 2 pontos da reta: L/V = (0,54 0,05) / (0,46 0,05) = 1,2. Então: 1,2 = (L+L F )/(V-V F ) = (L+0,5F)/(V-0,5F) = (L+50)/(V-50). Ou seja: 1,2 = (0,833V+50)/(V-50) V = 297 mol/h Sabendo V, facilmente se calculam os outros caudais: L = 0,833V = 247 mol/h L = L + 50 = 297 mol/h V = V 50 = 247 mol/h

124 PROBLEMAS FINAIS 5. Pretende-se projetar uma coluna de destilação contínua para separar kg por hora de uma mistura líquida metanol/água, em que a fração molar de metanol é de 40%. O objetivo é obter um destilado com uma fração molar de metanol de 97% e um resíduo com uma fração molar de água de 98%. Sabendo que a razão de refluxo molar é igual a 3 e conhecendo a curva de equilíbrio líquido/vapor de misturas de metanol/água (figura anexa), calcular: (i) O fluxo de destilado, D (ii) O número de pratos ideais e a localização do prato de alimentação Curva de equilíbrio Líquido (x) / Vapor (y) CH 3 OH

125 PROBLEMAS FINAIS (i) Fluxo de destilado, D M(CH 3 OH) M(H 2 O) Massa molecular média da alimentação = 0.4 x x 18 = 23.6 Fluxo molar da alimentação = 10000/23.6 = kmol/hr Balanços materiais: F = D + W F z F = D x D + W x W = D + W x 0.4 = 0.97 D W 97% CH 3 OH = 0.97 D ( D) kmol/h (60% H 2 O; 40% CH 3 OH) D = / 0,95 = kmol/hr 98% H 2 O

126 PROBLEMAS FINAIS (ii) Número de pratos ideais e localização do prato de alimentação Reta de alimentação: q-1 = 0 reta vertical (a amarelo) Reta de retificação: yv = xl + x D D (balanço material) y = (L/V)x + (D/V)x D Mas como: R = L/D L = RD V = L+D = D (1+R) CH 3 OH y = [R/(1+R)]x + [(1/(1+R)]x D y = (3/4)x + (1/4)x D y = 0,75x + 0,24 (reta a azul claro) Número de pratos teóricos = 7 Alimentação no 5º prato teórico