OPERAÇÕES UNITÁRIAS EXPERIMENTAL II

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1 OPERAÇÕES UNITÁRIAS EXPERIMENTAL II Prof. MSc.. Sérgio S R. Montoro 1º semestre de 2013

2 OPERAÇÕES UNITÁRIAS EXPERIMENTAL II DESTILAÇÃO 1º semestre de 2012

3 DESTILAÇÃO 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.

4 Ex.: Destilação Flash. Vapor Mistura P 1, T 1 Trocador de calor P 2 Bomba P 2 << P 1 Líquido

5 Conceitos necessários: LEIS DAS PRESSÕES PARCIAIS DE DALTON Pt = PA + PB P t... Pressão total P A...Pressão parcial de A P B...Pressão Parcial de B Vapor y A y B Líquido x A X B

6 Conceitos necessários: LEIS DAS PRESSÕES PARCIAIS DE DALTON Na interface (L + V), temos: P = P. x P = P. x (Lei de de Raoult Raul) 0 0 A A A B B B 0 0 Sendo: PA e PB Pressões de (A) e (B) Puros x e x Frações molares na fase líquida A B y e y?? Frações molares de (A) e (B) na fase vapor A B P P P. x P. y y y y x P P P P 0 0 A B A A B B A = e B = mas: A = e B =

7 Conceitos necessários: VOLATILIDADE RELATIVA (α)( É a relação do mais volátil pelo menos volátil P 0 A AB, 0 PB α = A = etanol (HC) e B = água (H 2 O) A = P 0 HC = 0,2 atm ou 3,0 lbf/in2 e B = P 0 H2O = 0,034 atm ou 0,5 lbf/in2. α A,B = 6,0

8 Conceitos necessários: VOLATILIDADE RELATIVA (α)( Podemos calcular a volatilidade relativa utilizando as frações molares da fase vapor ou líquida. y a 1 x a α =. 1 ya xa α ab, P a ya x b y a 1 x a = = =. Pb xa yb xa 1 ya

9 Conceitos necessários: EQUAÇÃO DE ANTOINE Equação empírica que relaciona a pressão de vapor de uma substância pura em função da temperatura. B LogP 0 i ( mmhg) = A C+ T ( C ) Sendo as constantes A, B e C valores tabelados: Ver apêndice D2 e pg 646 do livro Princípios de Op. Unitárias Foust.

10 OBSERVAÇÕES 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.

11 DESTILAÇÃO DIFERENCIAL L 0, L e x L... Número de moles da mistura no tempo t qualquer. X...Fração molar do componente mais volátil no tempo t qualquer.

12 DESTILAÇÃO DIFERENCIAL Balanço de Massa no Processo Entra - Sai = Acumula 0 - ydv = d(lx) Pelo balanço de massa temos: dl = -dv Para o mais volátil temos: ydl= Ldx+ xdl ( y xdl ) = Ldx Separando as variáveis, temos: L L o dl = L x x 0 dx equação de Rayleigh ( y x)

13 DESTILAÇÃO DIFERENCIAL Como: y y A B xa = αab, Relação de equilíbrio em sistema binários x B Isolando o y, temos: y x αx = α y= 1 y 1 x 1 + ( α 1) x y V y L + V L x

14 DESTILAÇÃO DIFERENCIAL Portanto, temos: dl dx dl dx = = L αx L L x αx x x 1 + ( α 1) x 1 + ( α 1) x o 0 1 α α 1 L x 1 xo = Para Para mistura mistura binária binária com relação com ao relação Lo xo 1 x ao mais volátil mais volátil 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. L x

15 DESTILAÇÃO DIFERENCIAL F = D+ B (Balanço geral) Fx = Dx + Bx F D B (Balanço com relação ao mais volátil) 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 t 0 até t qualquer. xd... Fração molar do componente mais volátil no destilado D final.

16 MISTURAS AZEOTRÓPICAS 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.

17 MISTURAS AZEOTRÓPICAS Diagrama X Y de uma mistura azeotrópica

18 MISTURAS AZEOTRÓPICAS O comportamento azeotrópico de uma mistura ocorre devido às interações não ideais, isto é, desvios da Lei de Raoult, entre moléculas de duas ou mais espécies.

19 MISTURAS AZEOTRÓPICAS (a) Sistema não azeotrópico (Exemplo: Metanol- Água)

20 MISTURAS AZEOTRÓPICAS (b) Azeótropo de mínimo m (Exemplo: Etanol- Água)

21 MISTURAS AZEOTRÓPICAS (c) Azeótropo de máximo m (Exemplo: Acetona- Clorofórmio) rmio)

22 MISTURAS AZEOTRÓPICAS Azeótropo de mínimo m e Azeótropo de MáximoM

23 MISTURAS AZEOTRÓPICAS Azeótropo de mínimo m e Azeótropo de MáximoM O diagrama 1 representa uma mistura ideal de A e B, sem formação de azeótropo tropo, 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 formação de azeótropo tropo.

24 MISTURAS AZEOTRÓPICAS Azeótropo de mínimo m e Azeótropo de MáximoM O diagrama 2 representa uma mistura binária de C e D que forma um azeótropo de mínimom nimo. Veja que a temperatura no azeótropo é menor do que as temperaturas de ebulição de C e de D quando puros. Diagrama 2: Azeótropo de MÍNIMO. M

25 MISTURAS AZEOTRÓPICAS Azeótropo de mínimo m e Azeótropo de MáximoM O diagrama 3 representa uma mistura binária E e F que forma um azeótropo de máximom ximo. A temperatura no azeótropo é maior do que as temperaturas de ebulição de E e F quando puros. Diagrama 3: Azeótropo de MÁXIMO. M

26 MISTURAS AZEOTRÓPICAS (d) Azeótropo heterogêneo (Exemplo: n-butanol n - Água)

27 MISTURAS AZEOTRÓPICAS (e) Sistema não-azeotr azeotrópico heterogêneo (Exemplo: Óxido de Propileno - Água)

28 MISTURAS AZEOTRÓPICAS Azeótropo Homogêneo e Azeótropo Heterogêneo Azeótropo 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. Azeótropo Homogêneo: não há separação das fases líquidas, quando este é condensado. Há completa miscibilidade, tornando a separação mais difícil.

29 OBSERVAÇÃO MISTURAS AZEOTRÓPICAS A MAIOR PARTE DOS AZEÓTROPOS SÃO AZEÓTROPOS DE MÍNIMO, FORMADO GERALMENTE POR SUBSTÂNCIAS IMISCÍVEIS.

30 EXERCÍCIO: 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.

31 FORMULÁRIO RIO 1 α 1 1 X α 0 = L X Lo X 0 1 X 0 A AB, 0 PB α = P y a 1 x a α =. 1 ya xa α ab, P a ya x b y a 1 x a = = =. Pb xa yb xa 1 ya F = D+ F D B Fx = Dx + Bx B

32 EXERCÍCIO CIO 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.

33 EXERCÍCIO CIO 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.

34 EXERCÍCIO CIO 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?

35 EXERCÍCIO CIO 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 α B,T = 2,4. a) A concentração do benzeno no balão b) A concentração do benzeno no destilado.

36 EXPERIMENTO DE DESTILAÇÃO 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 (C 0 ) e calcule a fração molar (x 0 ), 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 (T amb = ºC) e a temperatura na qual cai a primeira fração de líquido destilado (T 0 = ºC).

37 EXPERIMENTO DE DESTILAÇÃO DIFERENCIAL 4) Após ser obtido um volume V D1 = 250 ml no destilado, retire todo o líquido do destilado e meça: a temperatura T 1 = ºC, o teor de álcool C D1 = ºGL e calcule a fração molar x D1 = dessa primeira fração do destilado. Reserve a primeira fração de destilado em outro frasco. 5) Repetir o passo (4) e meça: volume V D2 = 250 ml de destilado; a temperatura T 2 = ºC, o teor de álcool C D2 = ºGL e calcule a fração molar de etanol x D2 = no destilado. 6) Misture as frações de destilado dos itens (4) e (5) e meça o teor de etanol da destilação: C Dt = ºGL e calcule a fração molar x Dt = de todo o destilado.

38 EXPERIMENTO DE DESTILAÇÃO DIFERENCIAL 7) Calcule a fração molar no resíduo x t =. 8) Faça os balanços de massa global e para o etanol e calcule: a carga (L 1 ), a fração molar em L 1 (x 1 ) e a concentração em ºGL (C 1 ) na primeira retirada de destilado (item 4) e a carga L 2 = L t. 9) Considerando a mesma fração molar da mistura inicial (x 0 ) e a mesma carga inicial L 0 e final L t, 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.

39 EXPERIMENTO DE DESTILAÇÃO DIFERENCIAL