Aula_23_Destil_2017

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Aula 23
Processos de separação 
Vapor - Líquido
Notas de Aula:
Profa. Dra. Camila Gambini Pereira
Operações Unitárias III 
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11.1. RELAÇÕES DE EQUILÍBRIO LÍQUIDO – VAPOR.
11.1A. Regra das fases e Lei de Raoult.
F = C – P + 2
Considere o ELV para o sistema NH3 / H2O.
Binário
ELV
a
a
C = 2
P = 2
F = 2 – 2 + 2 = 2
Igualdade das Fugacidades
II
i
I
i ff ˆˆ =
o
iiii fxPy gf =ˆ
Operações Unitárias III 
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Em geral, as 4 variáveis envolvidas no processo são:
T
P
y A
x A
Note: y A + y B = 1 
x A + x B = 1
Temos dois graus de liberdade:
Se P for fixado
Apenas uma outra
variável pode ser
escolhida.
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Operações Unitárias III 
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Para misturas líquidas ideais
A
vap
AA xPp =
Lei de Raoult
(11.1-1)
Exemplos:
Benzeno – tolueno
Hexano – heptano
Metanol – etanol
ggggi = 1
Quando o comportamento da fase vapor obedece ao
comportamento dos gases ideais, podemos escrever:
Obs. Substâncias com estrutura química semelhantes entre si.
o
iiii fxPy gf =ˆ
Operações Unitárias III 
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11.1B. Diagramas do Ponto de Bolha e Diagramas x y .
VAPOR
LIQUIDO
110,6
80,1
T (
°
C)
Líquido saturado
(Ponto de bolha)
Vapor saturado
(Ponto de orvalho)
Sistema: benzeno(A) / tolueno(B)
Ptotal = 101,32 kPa = 1 bar
Tsa t1 bar,tolueno = 110,6 °C
= 383,8 K
Tsa t1 bar,benzeno = 80,1 °C
= 353,3 K
x A , y A
0 1,0
Operações Unitárias III 
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Exemplo: benzeno(A) / tolueno(B)
Exemplo 11.1-1. Mistura líquida com x A 1 = 0,318 a T = 60 °C.
Aquecendo a mistura, ele começa a ferver a 98 ° C (371,2 K).
A composição da 1° gota de vapor será y A 1 = 0,532
Figura 11.1-1. Diagrama do ponto de bolha para o sistema benzeno(A)/tolueno (B)
80
90
100
110
120
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
Frações molares do benzeno, xA e yA
Te
m
pe
ra
tu
ra
, °
C
Liquido saturado Vapor saturado
xA = 0,318 yA = 0.532
yA = 0,532T = 98°C
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Operações Unitárias III 
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Em geral para alguns método gráficos para projeto de
destiladores use o gráfico:
Diagramas x y .
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
Fração molar no líquido, xA
Fr
aç
ão
 m
ol
ar
 n
o 
va
po
r, 
yA
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11.3. DESTILAÇÃO
É uma operação unitária que objetiva separar os 
componentes de uma mistura líquida através da 
diferença de volatilidade desses componentes.
Temperatura
Pressão
Conc. da mistura
Vapor
Líquido
rico no componente
mais volátil
rico no componente
menos volátil
D
E
S
T
I
L
A
D
O
R
Operações Unitárias III 
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P
P
P
P
x
y
x
y
AB
B
vap
BB
A
vap
AA
B
B
A
A
f
g
f
g
a == (11.3-1)
Para os sistemas que seguem a Lei de Raoult:
vap
B
vap
AB P
P
A=a (11.3-3)
11.3B. Volatilidade relativa para ELV.
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Operações Unitárias III 
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APLICAÇÕES em indústrias:
- Farmacêutica (produção de medicamentos)
- Petroquímica e Química em geral
- Álcool Carburante
- Álcool Potável
- Destilação alcoólica (produção de bebidas)
- Destilação de Óleos Essenciais e Aromas
- Destilação de Ácidos Graxos
Operações Unitárias III 
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Classificação pelo tipo de mistura:
destilação simples aquela baseada nas diferenças de volatilidade 
relativa dos componentes. Alguns autores designam "simples" a 
destilação que se baseia apenas em fornecimento/retirada de energia 
[uso de agente energético de separação]
destilação complexa a que utiliza recursos adicionais, além dos 
citados na "simples", tais como: adição de agentes mássicos de 
separação (solventes, por exemplo), alteração de pressão de operação 
em regiões da coluna, uso de reagentes e catalisadores para provocar 
reação (destilação reativa). Veja exemplos de misturas complexas: 
mistura azeotrópica e destilação extrativa.
Operações Unitárias III 
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11.3C. Métodos de Destilação.
Dois métodos principais:
Líquido ferve a Vapor condensa
Estágio único
Líquido ferve a Vapor condensa a Destilado
a
Refluxo
aa a aaa
Destilação fracionada com refluxo, ou retificação
F Equilíbrio em estágio único ou flash
F Batelada
F Destilação a vapor (óleos essenciais)
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Operações Unitárias III 
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1. Destilação Flash ou em equilíbrioúnico.
Figura 11.3-1. Destilação flash ou em equilíbrio
vapor
líquido
Balanço de massa:
F x F = V y + L x
(11.3-5)
(11.3-6)
Semelhante ao Exemplo 11.2-1
Global: F = L + V
Soluto:
F
x F
V, y
L, x
Operações Unitárias III 
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2. Destilação em batelada ou diferencial.
L, x
(variam com o tempo)
V, y
(variam com o tempo)
Análise: Balanço de massa para um intervalo de tempo DDDDt
Operações Unitárias III 
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3. Destilação a vapor simples.
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Operações Unitárias III 
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1 – Recheio
2 – Grade de suporte
3 – Coletores de líquido
4 – Tubo de alimentação
5 – Distribuidores de líquido
COLUNAS DE RECHEIO
Produto de fundo
Refluxo do condensador
Alimentação
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3. Destilação em batelada ou diferencial.
Balanço de massa para um intervalo de tempo DDDDt
Soluto: Massa no balão = massa inicial – massa do destilado
L, x
(variam com o tempo)
V, y
(variam com o tempo)
Cálculo...
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(11.3-7)
Massa inicial @@@@ x L
Massa no balão @@@@ (x - DDDDx ) (L - DDDDL)
(x - DDDDx ) (L - DDDDL) = x L - y DDDDL
Variação da massa em DDDDt
Variação de composição no tempo DDDDt
Massa de destilado @@@@ y DDDDL
Substituindo temos:
Fazendo: DDDDt ®®®® 0, temos DDDDL ®®®®dL
(x - dx ) (L - dL) = x L - y dL
x L – x dL – Ldx + dx dL = x L - y dL (11.3-8)
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Operações Unitárias III 
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Desprezando-se dx dL, temos
– Ldx = – y dL + x dL = (– y + x )dL
ou
Ldx = (y - x )dL
Logo:
dL
L
dx
(y - x )=
Integrando temos:
dx
(y - x )
dL
L =ò òL2L1 =lnL1
L2
x 1
x 2
Equação de Rayleich
(11.3-10)
(11.3-9)
(11.3-8)
Operações Unitárias III 
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A composição média do destilado pode ser obtida do balanço de
massa escrita entre o início e o final do processo:
L1 x 1 = L2 x 2 + (L1 - L2) y médio (11.3-11)
A Eq. (11.3-10) resolve-se numericamente ou graficamente.
Exemplo: Destilação Diferencial simples.
Exemplo 11.3-2. Cem moles de uma mistura com 50 % (molar) de n-
pentano e 50 % (molar) de n-heptano será destilada
em condições diferenciais a 101,32 kPa até que 40
moles da mistura tenham sido destilados. Qual será
a composição média do vapor e qual será a
composição do líquido residual? Os dados de
equilíbrio para o sistema está na tabela abaixo.
x 1,000 0,867 0,594 0,398 0,254 0,145 0,059 0
y 1,000 0,984 0,925 0,836 0,701 0,521 0,271 0
Operações Unitárias III 
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0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
x
y
Figura 11.3-3a.Diagrama de equilíbrio do n-pentano / n-heptano a 
101,3 kPa.
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Operações Unitárias III 
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x 2 = ?
Solução:
L1 = 100 moles x 1 = 0,50
Como V = 40 moles
Então: L2 = 60 moles x 2 = ?
Substituindo na Eq.11.3-10
Dados:
òò -==
2
1
2
1 1
2ln
x
x
L
L xy
dx
L
L
L
dL
(11.3-10)
ò = -=-=
2
1 5,0
510,0
100
60ln
x
x xy
dx
(11.3-12)ò = -=-=
2
1 5,0
510,0
x
x xy
dxA
Operações Unitárias III 
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Para fazer a integração da Eq. 11.3-12, um gráfico de
[1/(y-x) vs. x] pode ser construído:
0
1
2
3
4
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
x
1/(
y-x
)
1/(y-x) = F(x) = 12.274.x2 - 8.2069.x + 3.5729
Figura 11.3-3b.Integração gráfica para o Exemplo 11.3-2.
Operações Unitárias III24
Como 1/(y-x) = F(x), na Eq. 11.3-12 temos:
[12.274 * x 2 - 8.2069 * x + 3.5729 ] dxòA = 
x 1 =0,5
x 2
?
5,0
23 2
1
5729,3
2
2069,8
3
274,12
=
=
ú
û
ù
ê
ë
é
×-×-×=
x
x
xxxA
510,027204,15729,3
2
2069,8
3
274,12 2
2
2
3
2 -=-ú
û
ù
ê
ë
é
×-×-×= xxxA
Portanto:
M
9
Operações Unitárias III 
25
0
1
2
3
4
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
x
1/(
y-x
)
27204,15729,3
2
2069,8
3
274,12 2
2
2
3
2 -ú
û
ù
ê
ë
é
×-×-×= xxxA
0.2 0,583173 -0.68883
0.3 0,813026 -0.458979
0.4 1,034453 -0.237551
x2 M A
Assim:
0.277 0,761797 - 0.51021
x2 M A
M
x1 = 0,5x2 = 0,277
No gráfico:
Operações Unitárias III 
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A composição média do destilado ymédio pode ser obtida da
Eq. 11.3-11
(11.3-11)( ) médioyLLxLxL ×-+×=× 212211
médioy×-×=× 40277,06050,0100
40
62,1650 -
=médioy
835,0=médioy
Operações Unitárias III 
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Confirmando: usando o valor de ymédio
òòò -=-==
2
1
2
1
2
1 1
2ln
x
x
médio
x
x
L
L xy
dx
xy
dx
L
L
L
dL
òò -=-=
2
1
2
1 835,0
ln
1
2 x
x
x
x
médio x
dx
xy
dx
L
L
50,0835,0
277,0835,0ln
835,0
835,0lnln
1
2
1
2
-
-
-=
-
-
-=
x
x
L
L 510,0ln
1
2 -=
L
LÞ