Destilação - 2BIM

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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.