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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA LABORATÓRIO DE ENGENHARIA QUÍMICA II Destilação Débora Miyuki Tamura RA: 60904 Fábio Oberg RA: 64660 Fernanda Arzani RA: 60844 Geovana C. Fachini RA: 64967 Isabela S. Ganassin RA: 61570 Nayara Gomes RA: 64258 Professor Valter Maringá, 2013 OBJETIVO Identificar e compreender a função de cada uma das partes constituintes da Torre de Destilação; estabelecer balanços de massa e de energia para o sistema estudado; aplicar o método de McCabe-Thiele (e/ou outro método) para a estimativa do número de pratos teóricos para o sistema estudado. MATERIAIS UTILIZADOS Conjunto Torre de Destilação: refervedor, coluna e condensador; Solução: mistura etanol / água; Densímetro; Provetas de 100,00 mL e 250,00 mL; Recipientes para coleta de Produto de Fundo e Produto de Topo; Reservatório de Alimentação; Cronômetro; Gelo; Balde; Álcool comercial; Termômetro. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Primeiramente, fez-se a mistura de quantidades de alcool com purezas diferentes em um reservatório de alimentação, feito isso, verificou-se a densidade da mistura e começou - se o processo de destilação, ajustou-se o rotâmetro para a vazão pedida e foi-se coletando o produto destilado e o produto de fundo, sempre verificando se estavam em equilibrio com a alimentação. Após conseguido o equilibrio desejado, pegou-se amostras do corpo de fundo e do destilado e mediu-se o grau alcoólico das mesmas, mas para isso, precisou-se refrigerar as amostras até que chegassem a 20 C°, anotou-se todos os dados obtidos, e esvaziou-se a coluna de destilação, que está demonstrada na figura 1. Figura 1: Fracionador de pratos. RESULTADOS E ANÁLISES Dados obtidos na literatura: Ρágua = 1 g/ml Ρetanol = 0,7904 g/ml Metanol = 46 g/mol Mágua = 18 g/mol Cp = 18Btu/lb.°F Tabela 1: Dados obtidos experimentalmente. Alimentação (F) Produto de Topo (D) Produto de Fundo (B) Refluxo (L) Vazão1 (ml/min) - 27,3 170 - Vazão2 (ml/min) - 26,1 170 - Vazão3 (ml/min) - 28,6 168 - Vazãomedia (ml/min) 200 29,3 169,3 200 Temperatura (°C) 78 29 73 29 Concentração (°GL) 30 92,2 10 92,2 No condensador a água entrou a 26°C e saiu a 40°C. Como a concentração em °GL se refere a: Foi necessário um valor de densidade da mistura etanol e água. Este valor é tabelado e varia conforme a concentração de etanol na água, sendo encontrados na tabela 2, juntamente com os valores utilizados nos cálculos, obtidos por interpolação linear. Tabela 2: Valores de densidade da mistura etanol e água. °GL Densidade a 20°C (interpolação tabela) Topo 92.2 0,78690 Fundo 10.0 0,98653 Alimentação 30.0 0,96387 A partir dos dados de densidade, calculou-se as frações mássicas de cada vazão como sendo: Para a alimentação (30°GL): m(etanol) = 30 (ml ).0,79074 (g/ml) = 23,7222 g m(solução) = 100(ml).0,963870(g/ml) = 96,387 g x(f) = 23,7222g/96,387g = 0,2461 Com a fração mássica, calculou-se as frações molares: Os valores obtidos para cada alimentação estão expostos na tabela 3. Tabela 3: Dados para a fração mássica, molar. Alimentação (F) Produto de Topo (D) Produto de Fundo (B) (L) Vazão média (ml/min) 200 27,3 169,3 200 Temperatura (°C) 78 29 73 29 metanol (g) 23,722 72,906 7,907 72,906 msolução (g) 96,387 78,690 98,653 78,690 xmássico 0,2461 0,9265 0,0801 0,9265 Msolução (g/mol) 21,171 41,280 18,923 41,280 xmolar 0,1133 0,8314 0,0329 0,8314 Como esperado, obteve-se uma maior quantidade de etanol na corrente de topo (92.2) e uma menor quantidade na corrente de fundo (10oGL). Esse era o resultado já esperado, uma vez que o etanol tem uma maior volatilidade em relação à água, e esse é mesmo o intuito do processo de destilação entre esses dois componentes. A partir das frações mássicas e molares de cada corrente, calcularam-se suas vazões mássicas molares. Para a alimentação fez-se a soma da vazão no produto de topo com o produto de fundo. Tabela 4: Valores de vazão mássica e molar. Alimentação (F) Produto de Topo (D) Produto de Fundo (B) (L) Vazão (ml/min) 200 27,3 169,3 200 Vazão mássica (g/min) 188,501 21,482 167,019 157,38 Vazão molar (mol/min) 9,346 0,520 8,826 3,8125 Para calcular o número de estágios teóricos, utilizando McCabe-Thiele, deve-se calcular a razão de refluxo a partir das vazões molares: Assim , Esse valor pode ser modificado para aumentar ou diminuir a quantidade de estágios necessários para a separação. Aumentando-o, diminui o número de estágios necessários, mas há uma menor vazão de produtos de topo, já diminuindo, pode-se chegar ao seu valor mínimo, onde é necessário um número infinito de estágios para que a separação ocorra. Também, foi necessário calcular a condição térmica da alimentação: Em que, Hv é a entalpia do vapor saturado na composição da alimentação; hL é a entalpia do líquido saturado na composição da alimentação; hF é a entalpia da corrente de alimentação. Tais valores foram obtidos em um diagrama de entalpia por fração molar. Assim para as condições dadas temos que : Hv = 21000 Btu/lbmol hl = 2700Btu/lbmol hf = 2500Btu/lbmol q=1,01 A alimentação portanto é feita como sendo líquido sub-resfriado (q>1). A reta de operação de retificação passa pelo ponto Assim: xD / RD+1= (0,9265) / (7,33+1) = 0,1112 Com os valores obtidos, foi possível traçar o diagrama de McCabe-Thiele para a coluna utilizada, representado na Figura 2: Figura 2: Diagrama de McCabe-Thiele. Com a Figura 2, podemos encontrar o número de estágios teóricos, logo: N (estágios teóricos) = 6 sendo que o prato de alimentação é o 6. Para o cálculo da eficiência, fazemos: η (eficiência) = número de pratos teóricos / número de pratos reais η = 0,33 ou 33% Como pode ser notado, há uma grande diferença entre o número de pratos teóricos e reais para se realizar essa separação, vendo que a eficiência é 33% neste caso. Esta diferença ocorre por vários fatores. Um dos principais destes, é o fato de que o método de McCabe-Thiele tem um grande número de simplificações para que seja prático de se utilizar, como por exemplo, a suposição de que as variações de entalpias são desprezíveis e que a entalpia molar de vaporização de ambos os componentes são iguais. Também deve-se levar em consideração que esse sistema não aproxima-se muito da Lei de Raoult, o que é desfavorável para a aplicação do método de McCabe-Thiele. Para calcular a energia gasta no condensador, faz-se um balanço de energia da corrente quente no condensador: Na qual HV1 é a entalpia da corrente de vapor que entra no condensador com composição yD = 0,8314 e hD é a corrente de líquido sub-resfriado que deixa o condensador com composição xD = 0,8314 e temperatura 26°C (78,8°F). Os valores de entalpia foram obtidos em um diagrama de entalpia por concentração, mostrado na figura 3: Figura 3: Diagrama de Entalpia por concentração. Assim: Como temos a vazão do condensador: Vazão 1 = 2331 g/min Vazão 2 = 2468 g/min Vazão 3 = 2491 g/min Vazão média = 2490,67 g/min O balanço de energia do condensador, desprezando as perdas de calor é dado por: Na primeira igualdade do balanço temos: Sendo a vazão média da água de resfriamento do condensador, Tsaída a temperatura de saída da água do condensador e Tentrada a temperatura da água na entrada do condensador. Pela segunda igualdade da equação temos: A diferença encontrada deve-se as perdas de calor para o ambiente, já que o equipamento não é totalmente isolado. CONCLUSÃO Ao término do experimento foi possível separar via destilação a mistura hidroalcoólica 30ºGL em duas misturas, uma mais concentrada em álcool à 92,2°GL e outra mais pobre em álcool à 10°GL com uma coluna de destilação contendo 15 pratos do tipo perfurado. O método de McCable-Thiele foi aplicado e foi possíveldeterminar a quantidade teórica de pratos da coluna no valor de 6 pratos, enquanto que a torre experimental apresentava 15. Durante o experimento, foi possível observar a função das principais partes da torre de destilação, como os pratos e os equilíbrios termodinâmicos, o condensador gerando o refluxo que desce como uma corrente líquida se enriquecendo no componente menos volátil e o refervedor gerando corrente de vapor que sobe se enriquecendo no componente mais volátil. Foi possível verificar balanços de massa e energia, embora os valores não fecharam absolutamente, o que demonstrou instabilidades no sistema e como os equilíbrios termodinâmicos em cada prato não são ideais. O calor perdido pelo vapor no condensador não foi diretamente para a água, pois a variação de sua energia interna foi pequena comparada à variação de energia entre a corrente de entrada e a corrente de saída do condensador. Isso indica que há problemas no condensador ou falta de isolamento. Pode-se concluir, portanto, que o experimento serviu de base para conhecer as partes da coluna e aplicar o método MaCabeThiele para determinação do número de pratos teóricos REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] McCabe, W. L; Smith, J. C; Harriott, P. Unit Operations of chemical Engineering. Seventh Edition, Mc Graw Hill – Higher Education, 2005. Section II – Chapter 3 – Fluid Flow Phenomena, Distillation, págs. 663 – 730. [2] “MÓDULO: DESTILAÇÃO”, roteiro da disciplina de “Laboratório de Engenharia Química II”, DEQ/CTC/UEM. – Diagramas de composição e entalpia para a mistura hidroalcoólica, 2012.
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