Destilação: Operação de Separação de Líquidos

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UNIVERSIDADE Tecnológica FEDERAL do Paraná
CAMPUS cAMPO MOURÃO
Curso superior de TECNOLoGIA DE ALIMENTOS
Michele da Silva
Francielli
Rosa
DESTILAÇÃO
cAMPO MOURÃO 
2017
Michele da Silva
Francielli
Rosa
 DESTILAÇÃO
Trabalho apresentado da disciplina operações unitárias do curso de tecnologia de alimentos, do Campus Campo Mourão, da UTFPR.
Professor: Miguel Angel Aparicio Rodriguez
CAMPO MOURão
2017
INTRODUÇÃO
A destilação é uma operação que permite a separação de misturas de líquidos em seus componentes puros ou próximos da pureza, por meio de evaporação e condensação dos componentes em questão. Na destilação, portanto, pode-se afirmar que o agente de separação é o calor, pois o vapor formado tem composição diferente da mistura original. O processo de destilação é muito utilizado na indústria química, como por exemplo, na obtenção de álcool retificado de uma mistura de fermentação. É um processo caracterizado pela mudança de estado físico, em que uma substância, inicialmente no estado físico, em que uma substância, inicialmente no estado líquido, é aquecida até atingir a temperatura de ebulição, transformando-se em vapor, e novamente resfriada até que toda a massa retorne ao estado líquido.
Ao fornecer calor a uma mistura líquida, promovemos a sua vaporização parcial, e então obtemos duas fases, uma líquida e outra de vapor, que têm composições diferentes. A diferença de composição das duas fases resulta da diferença de volatilidade dos vários componentes da mistura líquida inicial. Quanto maior for essa diferença entre volatilidades maior será a diferença de composição entre a fase líquida e vapor.
As aplicações industriais do processo de destilação são várias, sendo a mais conhecida a da separação de mistura de hidrocarbonetos na indústria petroquímica em particular na refinação do petróleo. Outra aplicação importante da destilação é a produção de álcool e bebidas alcoólicas (LINDEMANN; SCHIMIDIT, 2010).
O uso da destilação como método de separação disseminou-se pela indústria química moderna. Pode-se encontrar em quase todos os processos químicos industriais em fase líquida onde for necessária uma purificação (LINDEMANN; SCHIMIDIT, 2010).
Dentre as vantagens e desvantagens o uso do processo de destilação para separação de misturas pode levar em consideração que o processo demanda bastante energia, e ainda no caso de destilação fracionada são necessários outros métodos de separação para purificar a substância desejada. Uma vantagem, é que não necessita de nenhum agente para auxiliar na separação, tal como absorvente, por exemplo, (LINDEMANN; SCHIMIDIT, 2010).
Existem ainda diversos tipos de destilação, e os mais comuns e aplicados industrialmente são a destilação simples fracionada, entretanto, existem ainda a destilação a vácuo e a destilação por arraste de vapor. A destilação simples implica que dois componentes possam ser separados eficientemente por destilação simples (LINDEMANN; SCHIMIDIT, 2010).
 OPERAÇÃO DE DESTILAÇÃO 
Destilação é uma operação unitária com o objetivo de separação ou fracionar, utilizando calor de vaporização, para separação de duas misturas. A operação de destilação é bastante utilizada em indústrias químicas, mas também utilizada na indústria de álcool e açúcar (ROSSI, 2010).
		
Figura 1. Esquema de uma coluna de destilação.
Fonte: Rossi, 2010.
	O destilado é normalmente uma mistura líquida e o resíduo é sempre uma mistura líquida. O equipamento onde ocorre a destilação é uma torre, ou coluna, cujo interior é dotado de pratos ou bandejas, empacotadas ou recheios (ROSSI, 2010).
 DESTILAÇÃO DESCONTÍNUA OU SIMPLES
A destilação simples é a separação de uma mistura liquida dos seus componentes por meio de fervura seguida da condensação do vapor. Os vários componentes condensam a diferentes temperaturas, o que permite que sejam separados uns dos outros. A destilação simples é uma técnica usada na separação de um liquido volátil de uma substância não volátil. COELHO. F.K (2010).
No caso de misturas líquidas homogêneas (soluções ideais), a pressão total do vapor, a uma determinada temperatura, é igual à soma das pressões parciais de todos os componentes (Lei de Raoult), a composição de vapor da mistura em relação a cada componente depende também das pressões parciais, segundo a Lei de Dalton, revela que, para uma mistura ideal, o componente mais volátil tem maior fração molar na fase vapor do que na fase líquida em qualquer temperatura. 
Uma vez alcançado o equilíbrio na solução, a pressão de vapor total da solução é:
e a pressão de vapor individual ou pressão parcial de cada componente é
Onde:
(P-i) puro ou Pi é a pressão de vapor do componente puro;b Xi é a fração molar do componente na solução.
Figura 2. Aparelhagem Destilação simples
Fonte: Rossi, 2010
A destilação simples ou descontínua trabalha em único estagio batelada. Conforme é possível observar na figura abaixo, a carga de líquido é introduzida em um vaso provido de aquecimento, entrando em ebulição.
Figura 3. Esquema modelo destilação simples industrial 
Fonte: ROITMAN, 2002.
Os vapores são retirados pelo topo através do condensador, onde são liquefeitos e coletados em outros recipientes. A primeira porção do destilado será a mais rica em componentes mais voláteis. À medida que prossegue a vaporização, o produto vaporizado torna-se mais volátil e o líquido residual torna-se menos volátil, pois o percentual de componentes leves no líquido residual vai sendo esgotado. O destilado, que é o vapor condensado, poderá ser coletado em porções separadas denominadas de cortes. Estes podem produzir uma série de produtos destilados com vários graus de pureza. ROITMAN. V (2002).
DESTILAÇÃO SIMPLES E FRACIONADA
Quando se destila uma mistura líquida homogênea ideal, as primeiras frações do destilado apresentam composição mais rica no componente mais volátil do que da mistura original. COELHO. F.K (2010)
No decorrer da destilação, o ponto de ebulição da mistura sofre uma elevação gradual, uma vez que a composição do vapor se torna cada vez mais rica no componente menos volátil.
 Destilação simples: é usada para separar misturas homogêneas do tipo sólido-líquido, como uma mistura de água e sal. 
Destilação fracionada: É usada para separar misturas de dois ou mais líquidos miscíveis entre si e que não são azeotrópicas, isto é, misturas de composição bem definida que possuem um ponto de ebulição constante como se fossem substâncias puras. Um exemplo de mistura assim é a formada por aproximadamente 96% de etanol e 4% de água. Se essa mistura fosse colocada para destilar, tanto o álcool quanto a água passariam para o estado de vapor em 78,1ºC sem que houvesse separação. 
A destilação fracionada é usada em processos industriais importantes, como na produção de bebidas alcoólicas destiladas, no refino do petróleo para a obtenção de seus derivados, na obtenção da cafeína e na obtenção dos principais componentes do ar. 
A destilação fracionada é o tipo de destilação mais utilizada em indústrias de grande porte. A destilação em batelada abordada anteriormente é realizada de forma imperfeita ou incompleta. Na destilação fracionada, é possível a separação em várias frações, em uma mesma coluna. A destilação fracionada é uma operação de separação de misturas por intermédio de vaporizações e condensações sucessivas, que torna possível o enriquecimento da parte vaporizada, com as substâncias mais voláteis. Estas vaporizações e condensações sucessivas são efetuadas em equipamentos específicos, denominados de torres ou colunas de destilação. ROITMAN. V (2002).
O processo, em linhas gerais, funciona como esquematizado na figura a seguir: 
Figura 4. Esquema destilação fracionada industrial
Fonte: ROITMAN, 2002.
A mistura a ser destilada é introduzida no, ponto F, denominado ponto de alimentação. No seu interior, a misturaencontrará aquecimento do refervedor. O refervedor, é um trocador de calor no qual, aquecerá a mistura até atingir sua temperatura de ebulição. Neste ponto, a mistura emitirá vapores que irão circular em sentido ascendente na coluna. Os vapores ascendentes atingirão o topo da coluna e irão para um condensador, e deixarão a coluna como produto de destilação, D. O processo, resume-se, então, em alimentar a coluna de destilação com a mistura que se quer separar, F, no ponto médio da coluna; fazer a circulação ascendente do vapor em contracorrente com o líquido descendente da coluna, com remoção do destilado, D, no topo da torre e do líquido residual, W, no fundo da coluna. ROITMAN,2002.
Figura 5. Aparelhagem para destilação fracionada. 
Fonte: Ebah, 2016.
APLICAÇÃO
No processo industrial da cachaça a destilação é conduzida nas colunas de destilação. Trata-se de um cilindro de aço inoxidável com diâmetro variável em função de sua produtividade horária, e altura que varia entre quatro e cinco metros, provido internamente com bandejas contendo as chaminés, as calotas e os sifões. Coloca-se o vinho da cana em sua parte superior, de modo contínuo, de onde vai descendo de bandeja a bandeja, nas quais ocorre a vaporização do álcool devido ao aquecimento do sistema por vapor de água ou outras fontes. Na base da coluna sai o vinhoto, resíduo praticamente isento de álcool. No topo emanam os vapores contendo álcool e demais substâncias voláteis, que são conduzidos através de um condensador, onde sofrem uma condensação parcial, de modo que uma fração do condensado constitui parte do destilado final, enquanto a outra retorna ao interior da coluna. O sistema dispõe de um condensador auxiliar para liquefazer os vapores que não se condensaram anteriormente. Os destilados alcoólicos provenientes dos dois condensadores passam juntos pela resfriadeira e saem do equipamento. 
Figura 6. Esquema de um aparelho de destilação do tipo coluna. 
Fonte: SBQ, 2003.
Destilação por Arraste de Vapor
Empregada para destilar substâncias que se decompõem nas proximidades de seus pontos de ebulição e que são insolúveis em água ou nos seus vapores de arraste. Esta operação baseia-se no fato de que, numa mistura de líquidos imiscíveis, o ponto de ebulição será a temperatura na qual a soma das pressões parciais dos vapores é igual à da atmosfera, o que constitui uma decorrência da lei das pressões parciais de Dalton. Se, em geral, o arraste se faz com vapor d’água, a destilação, à pressão atmosférica, resultará na separação do componente de ponto de ebulição mais alto, a uma temperatura inferior a 100ºC. Por outro lado, quando uma mistura de dois líquidos imiscíveis é destilada, o ponto de ebulição da mistura permanece constante até que um dos componentes tenha sido separado, já que a pressão total do vapor independe das quantidades relativas dos componentes. A temperatura, a partir daí, eleva-se rapidamente, até atingir o ponto de ebulição do líquido remanescente. O vapor que se separa de tal mistura contém os componentes na mesma proporção, em volume, que suas pressões de vapor relativas. Por meio de cálculos simples e aplicando as leis dos gases, podemos estabelecer a proporção dos vapores em função de seus pesos moleculares e das suas pressões parciais.
A destilação por arraste de vapor envolve duas substâncias imiscíveis: a água e a mistura a ser destilada. De acordo com a lei de Dalton, a pressão total de vapor acima de uma mistura de duas fases é igual a soma da pressão de vapor dos i componentes puros individuais: 
A Técnica A destilação por arraste de vapor envolve duas substâncias imiscíveis: a água e a mistura a ser destilada. De acordo com a lei de Dalton, a pressão total de vapor acima de uma mistura de duas fases é igual à soma da pressão de vapor de dois componentes puros individuais.
Pt=P1 + P2 + ... + Pi
Figura 7.Principais características do ponto de ebulição de uma mistura numa destilação por arraste de vapor
O p.e. de uma mistura imiscível corresponde à temperatura na qual a soma das pressões individuais de cada componente se iguala à pressão atmosférica;
O p.e. da mistura é menor do que o ponto de ebulição de qualquer componente puro. Isto ocorre porque compostos que são insolúveis em água tem uma variação positiva muito grande da lei de Raout.
O p.e. da mistura é constante enquanto ambos os componentes estiverem presentes.
O Vapor de H2O passa pelo balão que tem a amostra a ser destilada; neste balão, encontram-se a amostra e água condensada, na fase líquida, e, na fase de vapor, pela lei de Dalton, encontram-se a água e os componentes da amostra exercendo suas respectivas pressões de vapor em função da temperatura. No condensador, o vapor irá se condensar para um líquido de duas fases: a fase aquosa e a fase orgânica, imiscíveis. 
Figura 8. Fase Líquida e fase a vapor de Dalton
DESTILAÇÃO A PRESSÃO REDUZIDA 
A destilação a pressão reduzida, também denominada de destilação a vácuo é uma técnica utilizada quando o composto a ser destilado possui alto ponto de ebulição (> 200ºC) ou quando o composto se decompõe antes de entrar em ebulição. Também é utilizada na química de produtos naturais para remover o solvente sem aquecer muito o sistema, o que causaria a decomposição de muitos produtos naturais. O princípio da destilação a vácuo é simples: como a temperatura de ebulição é dependente da pressão externa utiliza-se uma bomba de vácuo para reduzir a pressão. Ao se igualar a pressão externa à pressão de vapor do líquido, este entra em ebulição. Quanto mais baixa a pressão menor a temperatura de ebulição. A correlação entre pressão e ponto de ebulição pode ser obtida num nomógrafo . Para utilizar o nomógrafo basta usar uma régua e ligar a temperatura de ebulição a 760 mmHg (coluna B) a pressão utilizada (coluna C). Ao estender a reta até a coluna A, o ponto de intersecção será a temperatura de ebulição na pressão desejada. 
A vidraria para a destilação a vácuo pode ser a mesma para a destilação 5 leva a um manômetro e uma bomba de vácuo. Alguns cuidados a mais de segurança são também necessários. Primeiramente deve-se sempre utilizar óculos de segurança, pois o sistema corre o risco de implodir. Caso utilize pressão inferior a 0,1 mmHg ou temperatura superior a 200ºC é necessário realizar todo o procedimento na capela, para sua proteção. Ao montar a aparelhagem deve-se observar a presença de trincas ou rachaduras, pois vidraria rachada pode quebrar com o vácuo. Também é necessário engraxar todas as juntas com pequena quantidade de graxa de silicone, para melhor vedação evitando a perda de vácuo. Por reduzir a temperatura de ebulição, a destilação a pressão reduzida também reduz a diferença entre as temperaturas de ebulição de dois líquidos, não sendo uma técnica aconselhável para a separação de líquidos. 
Lei de Raout e Dalton
Lei de Raoult: pressão parcial de vapor de um componente em uma solução líquida (mistura homogênea – líquidos totalmente miscíveis, por exemplo, água e etanol) é proporcional à fração molar daquele componente multiplicado pela sua pressão de vapor quando puro. 
P1 = X1 . P1* 
P1= pressão de vapor na solução 
P1* = pressão de vapor do solvente puro 
X1 = fração molar do solvente na solução 
Lei de Dalton: Quando 2 ou mais gases que não reagem quimicamente entre si são misturados à temperatura constante, cada gás exerce a mesma pressão que exerceria se estivesse sozinho, e a soma dessas pressões é igual a pressão total exercida pelo sistema: P t = P A + P B 
EXERCÍCIO: O abaixamento da pressão de vapor do solvente em soluções não eletrolíticas pode ser estudado pela Lei de Raoult: P1= X1.P2, onde P2 é a pressão de vapor do solvente na solução, P2 é a pressão de vapor do solvente puro à mesma temperatura e X1 é a fração molar do solvente. Qual a variação da pressão de vapor do solvente (em módulo) de uma solução que possui 18g de glicose em 90g da água a 40ºC?
Dados: Considere que a pressão de vapor da águaa 40ºC = 55,3 mmHg; massa molar da glicose = 180 g/mol; massa molar da água = 18 g/mol.
a) 3,4 mmHg
b) 54,2 mmHg
c) 2,4 mmHg
d) 1,1 mmHg
Resposta: letra D
Os dados fornecidos são:
m1 = 18 g
m2 = 90 g
p2 = 55,3 mmHg
M1 = 180g/mol
M2 = 18g/mol
Δp = ?
Cálculo do Δp com a fórmula:
Δp = Kt.W
p2
Δp = Kt.m1
p2 M1.m2
 Δp = 0,018.18
55,3 180.0,09
Δp = 55,3.0,018.18
16,2
 
Δp = 17,91
16,2
Δp = 1,10 mmHg
CONCLUSÃO
	A destilação é o método utilizado para separar diferentes componentes de uma mistura, essencialmente através da evaporação. Esse método é utilizado em muitas indústrias, mas ele apresenta especial importância na indústria alimentícia. Os principais usos da destilação na indústria de alimentos são para a concentração de óleos essenciais, aromas e bebidas alcoólicas, e na desodorizarão de óleos e gorduras. Existem diversos tipos de processos de destilação para ser usado, dependendo de qual componente da mistura final é desejado.
REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
COELHO, Kyldson Fonseca. Destilação. São Luís, 2010. <http://www.ebah.com.br/content/ABAAAA1K0AD/destilacao>
LINDEMANN, Caroline; SCHMIDT, Vanessa Wendt. DESTILAÇÃO. Rio Grande, 2010. <http://www.ebah.com.br/content/ABAAABZUkAA/operacoes-unitarias-destilacao-vanessa-carol> 
PINHEIRO, Paulo C.; LEAL, Murili C.; ARAÚJO, Denilson A. Origem, produção e composição química da cachaça. Disponível em: <http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc18/18-A01.pdf> 2003.
 ROITMAN, Valter. CURSO DE FORMAÇÃO DE OPERADORES DE REFINARIA OPERAÇÕES UNITÁRIAS. Curitiba: PETROBRAS: UnicenP, 2002.
O Instituto de ciência e tecnologia alimentícia da Nova Zelândia: Destilação. Disponível em: <http://www.nzifst.org.nz/unitoperations/conteqseparation12.htm#steam>
http://www.ebah.com.br/destilacao-simples-e-fracionada-pdf-a15499.html. 30/10/2017