UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Escola de Engenharia de Lorena EEL Operações Unitárias Experimental II Destilação Diferencial (Água Etanol) Turma: EI10 Data: 25/06/2010 Alunos: Anderson Gomes Mortoni 5867632 André Cocenza 5792070 Bruno Zinani 000000 Caio Ribeiro 000000 José Francisco Ferreira Junior 5790850 Odair Fernando Cardoso 000000 Rafael Batista de Souza Mendes 5791600 Viviane Lima 5792403 Prof. Félix Monteiro Pereira
1. Objetivo Este experimento teve como objetivo a determinação da fração molar do destilado após a realização de uma destilação diferencial. Verificou-se que a influência de fatores como a descalibração do termômetro e a presença de substâncias no álcool comercial fazem com que o andamento do processo destoe do relatado na literatura consultada. Observou-se, também, que uma mistura binária de diferentes concentrações, em GL, quando misturadas entre si resulta em uma terceira concentração que será exatamente igual à média das concentrações das misturas iniciais. 2. Introdução Teórica A destilação é o método de separação baseado no fenômeno de equilíbrio líquido-vapor de misturas. Em termos práticos, quando temos duas ou mais substâncias misturadas em uma mistura líquida, a destilação pode ser um método adequado para purificá-las: basta que tenham volatilidades razoavelmente diferentes entre si. O uso da destilação como método de separação disseminou-se pela indústria química moderna. Pode-se encontrá-la em quase todos os processos químicos industriais em fase líquida onde for necessária uma purificação. Na destilação diferencial vaporiza-se o líquido e o vapor é removido à medida que se forma. O processo transcorre de forma incremental, em termos de temperatura e de vaporização alcançada, pois a cada instante ocorrem temperaturas diferentes, implicando em equilíbrios sucessivos com o líquido residual. A composição do líquido modifica-se com o tempo, pois o vapor formado é sempre mais rico no componente mais volátil do que o líquido de onde provem (desde que não haja azeotropismo). Este efeito provoca o continuado empobrecimento do líquido em relação ao componente mais volátil. A separação é pobre, pois não há refluxo nem estágios de equilíbrio adicionais (há apenas um). A figura a seguir ilustra um aparelho de destilação simples. 2
Balão de vidro ou de destilação: a solução a ser destilada é aquecida no balão de destilação. Aumentando-se a temperatura da solução, esta chega à ebulição, e o vapor é forçado a passar pelo condensador. Dentro do balão são acrescentadas algumas pérolas de porcelana que, devido à alta porosidade, fornecem uma grande superfície de contato para as microbolhas que se formam na solução, controlando-as, evitando um excesso de turbulência na ebulição. Evaporação: a figura a seguir representa um líquido em três condições diferentes: a. o líquido está a temperatura ambiente; 3
b. o líquido está em ebulição; c. o ar de dentro do recipiente foi retirado (pressão reduzida). Perceba que em (a) algumas moléculas do líquido estão no estado de vapor, porém estas não conseguem ultrapassar a barreira do ar atmosférico, ou seja, vencer a pressão atmosférica. Quando aquecemos o líquido, a pressão de sua fase de vapor se iguala à pressão atmosférica, e este entra em ebulição (b). O efeito é o mesmo se retirarmos parte das moléculas de ar do recipiente: o líquido entra, também, em ebulição (c), porem com uma menor pressão de vapor, e menor temperatura. Condensador: é um tubo de vidro cercado por um fluxo contínuo de água termostatizada. O vapor, vindo do balão, entra em contato com as paredes frias do condensador e condensa-se. O líquido é recolhido em um recipiente (erlenmeyer). Este líquido é chamado DESTILADO e o líquido remanescente no balão é chamado RESÍDUO de destilação. A composição do líquido varia, por isso também varia a composição do vapor em equilíbrio. A composição inicial do total da fase líquida (L) é x, e da fase vapor formada, y. Com o balanço global de massa na vaporização de uma quantidade infinitesimal de líquido tem-se: dl = dv Eq. (1) Sendo dv o número de mols formado na vaporização com a composição média y, o balanço de massa para o componente mais volátil dá: d ( Lx) = y. dv Eq. (2) x. dl + L. dx = y. dv Eq. (3) A combinação das equações (1) e (3) dá: x. dl + L. dx = y. dl Eq. (4) dl L = dx y x Eq. (5) Conhecida como equação de Rayleigh, e integrando sobre uma modificação finita de estado 1 (condições iniciais) até o estado 2 (condições no estado 0), tem-se: L x dx ln = Eq. (6) x L 0 0 y x Como L L 0 > L, ln < 1, portanto: L0 4
0 L ln L0 x dx = x y x Eq. (7) A integração dessa última equação pode ser obtida graficamente traçando a curva em função de x, e tomando a área no intervalo (x,x 0 ). 1 y x Caso particular: volatilidade aproximadamente constante. As relações de equilíbrio em sistemas binários (componentes A e B) são expressas freqüentemente utilizando a volatilidade relativa α : y AxB y A(1 xa) α AB= = Eq. (8) y x x (1 y ) B A A A Dessa forma, podemos integrar a Eq. (7) obtendo: AB L L = x x 0 0 1 α 1 x0 x 1 α 1 Eq. (9) Os destilados obtidos dessa forma não são 100% puros, apenas mais concentrados do que a mistura original. Para obter graus de pureza cada vez maiores, podem-se fazer sucessivas destilações do destilado. Como o processo é demorado e trabalhoso, utiliza-se em seu lugar a destilação fracionada. 3. Materiais Provetas de 250 e 2000mL; Termômetro; Funil; Balão de destilação; Tubo condensador; Densímetro; Reostato; Manta Aquecedora; Béquer de 1000mL; Pérolas de Porcelana. 4. Método 1. Utilizando o densímetro mediu-se a concentração em ºGL da água de torneira (pura) e em seguida do álcool comercial. Foram misturadas quantidades 5
desconhecidas de água e álcool e mediu-se o teor de álcool em ºGL da mistura formada; 2. Mediu-se a temperatura ambiente; 3. Montou-se o conjunto de destilação; 4. Colocou-se mistura (água + álcool) no destilador e ligou-se o reostato no nível 8; 5. Observou-se atentamente o aquecimento até a temperatura na qual caiu a primeira gota; 6. Após ter sido obtido um volume de 250mL do destilado, transferiu-se esse volume para outro recipiente e mediu-se a temperatura e o teor de álcool em ºGL; 7. A destilação foi então continuada até a retirada de mais 250mL do destilado, desligou-se o reostato e mediu-se a temperatura e o teor de álcool em ºGL deste novo volume; 8. Misturou-se as frações de destilado e mediu-se o teor de álcool da destilação. 5. Resultados Parte A Teor de álcool na água da torneira=0º GL Teor álcool no álcool comercial =94,5 ºGL Teor álcool no álcool na mistura a ser destilada =18 ºGL Considerando ρ H20 = 1,000 g/ml ρ Etanol = 0,789 g/ml MM H20= 18 g/mol MM Etanol = 46 g/mol Cálculo da fração molar Base: 1 L de mistura a ser destilada m Etanol = ρ xv= 0,789 x 180=142,02 g n Etanol = m/mm=142,02/46 = 8,09 mols m H20 = ρ xv= 1,000*x 820=820 g n H20 = m/mm=820/18 = 45,55 mols x Etanol = n Etanol /( n Etanol + n H20 )= 8,09/(8,09+45,55)= 0,15 x H20 = n H20 /( n Etanol + n H20 )= 45,55/(8,09+45,55)= 0,85 L 0 = n H20 + n Etanol =45,55 +8,09=53,64 Parte B Temperatura ambiente= 23ºC T 0 =82ºC 6
Parte C 1º corte 250 ml= T 1 =82ºC e CD 1 =62ºGL Cálculo da fração molar do destilado 100 ml de mistura-------------------62 ml de Etanol 250 ml de mistura--------------------x=155 ml de Etanol 250 ml de mistura= 155 ml de Etanol + X ml de H 2 0 X=95 ml de H 2 0 m Etanol = ρ xv= 0,789 *x 155=122,295 g n Etanol = m/mm=122,295/46 = 2,656 mols m H20 = ρ xv= 1,000*x 95=95 g n H20 = m/mm=95/18 = 5,277 mols x Etanol = n Etanol /( n Etanol + n H20 )= 2,656/(2,656+5,277)= 0,33 x H20 = n H20 /( n Etanol + n H20 )= 5,277/(2,656+5,277)= 0,67 D 1 = n H20 + n Etanol =2,656+5,277=7,93 mols Balanço global: L 0 =L 1 +D 1 L 1 = L 0 -D 1 =53,64-7,93=45,71 Balanço parcial L 0.x 0 = L 1.x 1 + D 1.x D1 53,64. 0,15=(45,71.x 1 ) + (7,93. 0,33) x 1 =0,119 Parte D 2º corte 250 ml= T 2 =85ºC e CD 1 =20ºGL Cálculo da fração molar do destilado 100 ml de mistura-------------------20 ml de Etanol 250 ml de mistura--------------------x=50 ml de Etanol 250 ml de mistura= 50 ml de Etanol + X ml de H 2 0 7
X=200 ml de H 2 0 m Etanol = ρ xv= 0,789 *x 50=39,45 g n Etanol = m/mm=39,45/46=0,8576 mols m H20 = ρ xv= 1,000*x 200=200 g n H20 = m/mm=200/18 = 11,11 mols x Etanol = n Etanol /( n Etanol + n H20 )= 0,8576/(0,8576+11,11)= 0,07 x H20 = n H20 /( n Etanol + n H20 )= 11,11/(0,8576+11,11)= 0,93 D 2 = n H20 + n Etanol =0,8576+11,11=11,9687 mols Balanço global: L 0 =L 2 +D t D t =D 1 + D 2 53,64= L 2 + (7,93 +11,97) L 2 =33,74 mols Balanço parcial L 1.x 1 = L 2.x 2 + D 2.x D2 45,71. 0,119=(33,74.x 2 ) + (11,97. 0,07) x 2 =0,1363 Parte E Cálculo da fração molar do destilado total CDt= 42ºGL V Etanol = (50+155)=205 ml V H20 =295 ml m Etanol =39,45+122,295=161,745 g m H20 =200 + 95 =295 g n Etanol = m/mm=161,745/46=3,516 mols n H20 = m/mm=295/18 = 16,389 mols x Etanol = n Etanol /( n Etanol + n H20 )= 3,516 /(3,516 +16,389)= 0,178 x H20 = n H20 /( n Etanol + n H20 )= 16,389 /(3,516 +16,389)= 0,822 8
Parte F O resíduo total é igual ao resíduo da parte 2. Sendo assim x t =x 2 =0,1363 Parte G Parte 1 Balanço material L 0 =L 1 +D 1 Eq. (10) Balanço parcial para o etanol L 0.x 0 = L 1.x 1 + D 1.x D1 Eq. (11) Parte 2 Balanço material L 1 =L 2 +D 2 Eq. (12) Balanço parcial para o etanol L 1.x 1 = L 2.x 2 + D 2.x D2 Eq. (13) Parte 1 + Parte 2 Balanço material L 0 =L 2 +D t Eq. (14) Balanço parcial para o etanol L 0.x 0 = L 2.x 2 + D t.x Dt Eq. (15) Cálculo das variáveis No primeiro corte temos: x 0 =0,15 x1= L 0 =53,64 L 1 =45,71 T 0 =82ºC T 1 =82ºC L x dx ln = =A x L 0 0 y x 9
Ln(53,64/45,71)=A=0,16 x y 1(y-x) A A 0,15 0,85 1,4286 0,14 0,86 1,3889 0,0139 0,0139 0,1 0,9 1,2500 0,0500 0,0639 0,05 0,95 1,1111 0,0556 0,1194 0,02 0,98 1,0417 0,0313 0,1507 0,01 0,99 1,0204 0,0102 0,1609 x t =0,01 Calculando erro experimental %Erro= x exp - x teorico. 100 = ((0,119-0,01)/ 0,119))*100=91,59% x exp Parte H Repetindo os mesmo procedimentos da parte G para o segundo corte x 0 =0,15 xt= L 0 =53,64 L t =33,74 T 0 =82ºC T 1 =85ºC L x dx ln = =A x L 0 0 y x Ln(53,64/33,74)=A=0,4636 x t =0 x y 1(y-x) A A 0,15 0,85 1,4286 0 0,14 0,86 1,3889 0,0139 0,0139 0,1 0,9 1,2500 0,0500 0,0639 0,05 0,95 1,1111 0,0556 0,1194 0,02 0,98 1,0417 0,0313 0,1507 0,01 0,99 1,0204 0,0102 0,1609 0,005 0,99 1,0152 0,0051 0,1660 0,0025 0,995 1,0076 0,0025 0,1685 0 0,9975 1,0025 0,0025 0,1710 Calculando erro experimental %Erro= x exp - x teorico. 100 = ((0,1363-0,0)/ 0,1363))*100=100% 10
6 - Conclusão A influência de fatores como a descalibração do termômetro e do densímetro para a temperatura ambiente no momento do experimento, bem como a presença de substâncias no álcool comercial (principalmente aldeído) corroboram para que os valores obtidos experimentalmente não convirjam para os valores relatados na literatura. Observou-se, também, que uma mistura binária de diferentes concentrações, em GL, quando misturadas entre si resulta em uma terceira concentração que será exatamente igual à média das concentrações das misturas iniciais. Devido aos erros descritos na secção anterior, a eficiência se demonstrou pouco satisfatória em relação aos cálculos teóricos, podendo esse fato ser atribuído ao fato de estarmos trabalhando com uma mistura azeotrópica e que, portanto torna a separação das fase mais complicada, caracterizando portanto mais um obstáculo na árdua tarefa de tornar o destilado mais concentrado da fase mais volátil (álcool). Após o primeiro corte, a fração do destilado era maior do que fração após o segundo corte.isso ocorre devido ao aumento na temperatura, e com isso, uma quantidade de água acaba sendo destilada junto com o álcool.observa que para se obter um destilado mais puro, não se deve continuar a destilação, mas sim, deve-se iniciar uma nova destilação a partir do destilado obtido anteriormente, isso faz com que a fração de água seja reduzida no destilado. 11
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