Universidade Federal de São João Del Rei Campus Alto Paraopeba
Laboratório de Engenharia de Bioprocessos II
Experimento 4 – Coluna Coluna de destilação contínua
Alunas: Elizabeth Ramos Janaina Lima Jéssica Nayara Joanna Mara Thamara Coutinho
Prof. Dr. Enio Nazaré de Oliveira Junior
Ouro Branco Fevereiro - 2013
1. Introdução 1.1. Destilação O processo de destilação é muito utilizado em toda a indústria química, como por exemplo, na obtenção de álcool retificado de uma mistura de fermentação, ou ainda, na indústria petrolífera para a separação das frações contidas no petróleo bruto, como gás combustível, GLP, nafta, querosene, diesel, gasóleo, óleo combustível [1]. A destilação é um dos processos de separação mais tradicionais para a separação de misturas de líquidos em seus componentes puros ou próximos da pureza, por meio de evaporação e condensação dos componentes em questão. Portanto, pode-se afirmar que o agente de separação é o calor, pois o vapor formado tem composição diferente da mistura original [1]. O método se baseia na diferença entre as volatilidades dos componentes da mistura e na característica geral do equilíbrio entre as fases líquido-vapor, a de ser comum a diferença de composição entre as mesmas [2,3]. Em geral, um líquido e um vapor em equilíbrio contém os mesmos componentes, mas em quantidades relativas diferentes: o vapor é mais rico que o líquido quanto aos componentes mais voláteis [2]. A fração mais volátil é aquela que tem a maior pressão de vapor, ou seja, maior tendência a evaporar. Quanto menor a massa molar, mais volátil é um composto dentro de uma mesma função orgânica (metano mais volátil que o etano que é mais volátil que o propano) [4]. Em uma instalação de destilação, os principais componentes são: refervedor, condensador, coluna de destilação e o recheio (ou pratos) [ 5]. O refervedor tem a função de vaporizar os componentes, funcionando como um trocador de calor. A sua escolha deve levar em conta algumas considerações, como: coeficiente de troca de calor elevado, baixo custo, a superfície de troca térmica deve ser mantida limpa prevenindo incrustações de produtos degradados e apresentar baixo tempo de residência (no caso de produtos termolábeis) [5]. O condensador tem a função de condensar o vapor que deixa o topo da coluna e promover o refluxo de líquido necessário para a separação. O condensador pode liquefazer completamente o vapor, sendo que uma parte do condensado retorna para a
coluna e a outra é removida como destilado; ou liquefazer apenas uma parte do vapor [5]. Existem algumas misturas que apresentam características que dificultam ou, até mesmo, impedem a total separação de seus componentes. São os casos dos sistemas, cujos pontos de ebulição são muito próximos ou possuem pontos de azeótropo, como a mistura água-etanol, por exemplo. Para estas misturas, a total separação dos componentes requer a adição de uma terceira substância na coluna de destilação, capaz de alterar o comportamento do equilíbrio líquido-vapor da mistura. Normalmente, a substância adicionada é um solvente e este tipo de destilação é denominado destilação extrativa ou azeotrópica, a depender da volatilidade do mesmo. Alguns sais também podem modificar o equilíbrio líquido-vapor de misturas, pela formação de complexos com os elementos a serem separados. Diferentemente dos solventes, os sais não são vaporizados no processo de destilação e, por isso, diminuem o consumo de energia na destilação, motivando seu uso em substituição aos solventes. Para o processo de destilação, em que se emprega um sal como agente separador, dá-se o nome de destilação extrativa salina [6].
1.2. Destilação fracionada A destilação fracionada é uma operação de separação de misturas por intermédio de vaporizações e condensações sucessivas [1]. Em modo geral, o funcionamento das colunas de destilação pode ser representado como o esquema da Figura 1.
Figura 1 – Esquema de uma coluna de destilação fracionada (Fonte [1]).
A substância a ser separada em frações é introduzida um ponto médio da coluna, ponto F. Devido à diferença de densidade entre fases de vapor e de líquido, o líquido flui para baixo na coluna, enquanto o vapor flui para cima da coluna, entrando em contato com o líquido em cada estágio [7]. Ao atingir o fundo da coluna, o líquido é parcialmente vaporizado em um refervedor, sendo enviado de volta para cima da coluna. A parte restante do líquido de fundo é retirada como produto de fundo. O vapor circulará em sentido ascendente na coluna, em contracorrente com a mistura da alimentação da coluna. Ao atingir o topo, o vapor é arrefecido e condensado no condensador. Parte do condensado é devolvido para a coluna como refluxo para proporcionar excesso de líquido. O restante da corrente de topo é retirada como destilado, ou produto de topo. Os componentes mais leves (de baixo ponto de ebulição) tendem a concentrar-se na fase de vapor, enquanto os componentes mais pesados (maior ponto de ebulição) tendem a se concentrar na fase líquida [1, 7]. A separação total alcançada entre o destilado e o fundo depende principalmente das volatilidades relativas dos componentes, do número de estágios, bem como a proporção entre a taxa de fluxo fase líquida para a taxa de fluxo em fase de vapor [7]. O balanço de massa para esse processo deve ser feito em várias seções da coluna, conforme a Figura 2.
Figura 2 – Seções da coluna de destilação de acordo com o balanço de massa (Fonte [1]).
A equação 1 representa o balanço de massa para a seção I. F=D+W
(1)
Em que, F = vazão mássica de alimentação; D = vazão mássica de produto de topo; W = vazão mássica de produto de fundo.
O balanço de massa para a seção II está representado pela equação 2. (2)
Vm = Lm + D Em que, Vm = vazão mássica de vapor na seção de absorção; Lm = vazão mássica de líquido na seção de absorção.
Para a seção III, o balanço de massa está representado pela equação (3). Ln = Vn + W
(3)
Em que, Ln = vazão mássica de líquido na seção de esgotamento Vn = vazão mássica de vapor na seção de esgotamento.
No condensador, o balanço de massa é dado pela equação (4). (4)
V=L+D Em que, V = vazão mássica de vapor no topo.
Os principais balanços de energia para esse processo são: balanço global (equação (5)) e balanço no condensador (equação (6)). F.
F+
Qr = D .
D+
W.
Em que, qF = calor contido na carga; Qr = calor introduzido pelo refervedor; qD = calor contido no produto de topo; qW = calor contido no produto de fundo; QC = calor retirado pelo condensador. L + D = QC /
v – L
W +
QC
(5)
(6)
Em que, (qv – qL) = Calor de condensação do vapor de topo da coluna de desti lação.
2. Objetivos O experimento permite analisar a separação de líquidos, com volatilidades diferentes em uma mesma mistura, utilizando uma coluna de destilação. Além disso, encontrar as frações molares de água na alimentação, no topo e no fundo e comparar com o diagrama binário água/ác. acético.
3. Materiais e metódos Para realização do experimento foi utilizada uma unidade de destilação contínua, como mostra a Figura 3. A mistura a ser destilada foi água / ácido acético. Durante o experimento foram feitas titulações para determinar a concentração do ácido no produto de topo, de fundo e de alimentação.
Figura 3 – Unidade de destilação contínua. 1) Coluna de destilação com pratos perfurados; 2) aquecedor do refluxo; 3) rotâmetro do refluxo (L); 4) condensador de topo (água); 5) amostra do produto de topo (x D); 6) acumulador; 7) bomba de refluxo; 8) rotâmetro do produto de topo (D); 9) tanque do produto de topo; 10) amostra do produto de fundo de quente (x b, q); 11) trocador, ( produto de fundo x água); 12) rotâmetro de alimentação (F); 13) rotâmetro do produto de fundo (B); 14) amostra do produto de fundo frio (x B); 15) bomba de alimentação; 16) tanque da alimentação, binário a ser separado; 17) amostra de alimetnação, z F; 18) tanque de produto de fundo; 19) trocador (produto de fundo x alimentação); 20) refervedor; 21) aquecedor da alimentação.
4. Resultados e Discussão A tabela 1 apresenta os dados para os cálculos das frações molares de água na alimentação, no topo e no fundo, respectivamente, x f , xd e x b.
Tabela 1- Dados do experimento Dado
Valor
Unidade
Mamostra*
10,25
g
N (NaOH)
3,96
mol/L
Vf(NaOH)
38,00
L
Vd(NaOH)
30,90
L
Vb(NaOH)
42,35
L
Eq(MMac. acético)
60,00
g/mol
*A massa da amostra foi calculada através da razão do volume da amostra (10mL) pela média das densidades da água e do ác. Acético (1,049g/mL e 1g/mL).
Os cálculos foram realizados com o auxílio do software Excel.
1. Cálculo de xf
2. Cálculo de xd
3. Cálculo de xb
A partir dos valores obtidos das frações molares foi verificado no diagrama binário ácido acético/água se os resultados obtidos na titulação de x F (alimentação), xB (base) e xD (destilado) correspondem aos do diagrama, mostrado na figura 4. As temperaturas Tf, Td e Tb foram respectivamente, 32, 105 e 99˚C correspondente às frações molares 0,33; 0,57 e 0,07. Observando o gráfico da figura 4, pode-se notar que os valores coletados durante a titulação corresponderam parcialmente com o diagrama binário água/ácido acético. A única fração molar que mais se
aproximou do diagrama foi a do destilado (de topo), o qual está destacada na figura 4. Possivelmente, pode ter ocorrido um erro na medição das temperaturas de fundo e de alimentação, justificando essa discrepância. Contudo, as frações molares estão coerentes com o esperado de uma titulação água/ácido acético. A água é o composto mais volátil, portanto, era de esperar uma maior fração de água no topo e uma menor fração da mesma no fundo, o que foi confirmado nos valores obtidos (0,57 % no topo e 0,07% no fundo). Além disso, foi apontado graficamente os pontos da alimentação, de destilação e de fundo na curva de equilíbrio, ilustrada na figura 5.
Figura 4- Diagrama binária água/ác. acético
Figura 5- Curva de equilíbrio água/ác. acético
5. Conclusão
Conclui-se que a obtenção de água a partir da destilação fracionada da mistura água/ácido acético foi consideravelmente boa. Esses dois compostos apresentam uma pequena diferença de volatilidade e isso pode ter sido considerado como dificuldade na obtenção de um bom resultado. Apesar de não ter sido calculado o número de pratos teóricos, pode-se dizer que 10 pratos foram suficientes para uma boa separação, onde a fração molar de água, composto mais volátil, foi de 0,57% no topo e de 0,07% no fundo.
6. Referências Bibliográficas [1]Disponível em: , Acessado em 01/02/2013. [2] POIANI, L.M. Simulação estática e dinâmica de colunas de destilação, aplicada à sistemas multicomponente a base de etanol e água. 1985. 204 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química). Universidade Estadual de Campinas, Campinas, São Paulo. [3] BRASIL, A. B. Análise de parâmetros operacionais para o projeto de colunas de destilação multicomponente em batelada. 1993. 113 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química). Universidade Estadual de Campinas, Campinas, São Paulo. [4] Disponível em: , acessado em 03/02/2013. [5] LOPES, M.M. Estudo comparativo da destilação em batelada operando com refluxo constante e com composição do destilado constante. 2008. 155 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia). Universidade de São Paulo, São Paulo, São Paulo. [6]Disponível em: , acessado em 03/02/2013. [7] PERRY, R. H.; GREEN, D. W.; MALONEY, J. O. Perry’s ChemicalEngineer’s Handbook . 7a ed., New York: McGraw-Hill. 1997.
