Aula de destilação

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Profª Carolina Guedes Fioravante Rezende
IT394- Princípio das operações unitárias
Introdução à destilação
Objetivo do curso:
Estudar os fundamentos e aplicações do processo de destilação
Bibliografia recomendada 
Notas de aula
Seader, J. D., & Henley, E. J. (2005). Separation process principles. Chichester: John Wiley.
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É proibida a reprodução de toda ou parte desta aula (gravada ou material escrito) sem a permissão expressa da docente Carolina Guedes Fioravante Rezende –professora adjunta do departamento de de engenharia química da UFRRJ
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Operações De Separação Por Transferência De Massa Ou Calor e Massa
 Na indústria há inúmeras etapas onde se formam misturas homogêneas;
 Nestes casos, uma separação puramente mecânica não será suficiente; 
Deve-se então levar em consideração métodos térmicos ou combinações de etapas térmicas / mecânicas, para efetuar uma separação em seus compostos puros.
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Operações De Separação Por Transferência De Massa Ou Calor e Massa
Algumas aplicações :
Unidade de absorção para 
separação de Ar- Linde
Unidade de Destilação Atmosférica (UDA) da Refinaria Abreu e Lima (Rnest)-Petrobras
Unidade de extração para a recuperação de ácido acético – De Dieltrich
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Operações De Separação Por Transferência De Massa Ou Calor e Massa
 A escolha do tipo ideal de operação unitária dependerá:
natureza química e física das substâncias envolvidas, 
o grau de pureza do produto final, 
o volume da mistura, 
os custos de investimento
 custos operacionais
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Destilação
A destilação é um método de separação ou purificação de componentes de uma mistura com base na diferença de volatilidade dos componentes da mistura. 
A purificação ocorre pela vaporização parcial da mistura que ira gerar uma corrente rica no componente mais volátil e uma corrente rica no componente menos volátil
A aplicação da destilação depende da compreensão do equilíbrio líquido-vapor das misturas de interesse. 
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Destilação: equipamentos e modo de operação
O contato entre as fases líquida e vapor pode ser conduzido de diferentes formas.
Destilação diferencial ou em batelada. Ex alambique. Esse tipo de operação só é indicado para misturas de componentes com grande diferença de volatilidade ou quando não é necessária pureza ou concentração elevada do componente mais leve no destilado. Quando se deseja uma pureza mais elevada, deve usar uma coluna de destilação de refluxo parcial 
 operam em estado transiente e a composição do destilado muda continuamente durante o processo. As primeiras porções de destilado são mais ricas nos componentes mais voláteis
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Destilação: equipamentos e modo de operação
Coluna de destilação em batelada com refluxo parcial: Nesse equipamento, o líquido é aquecido e a fase vapor gerada sobe pela coluna por diferença de pressão. Nesse trajeto, o vapor atravessa pratos ou bandejas que contêm uma camada de líquido retido sobre os mesmos, favorecendo a transferência de calor e massa entre as fases. 
O vapor que chega ao topo da coluna se condensa e uma parte desse condensado é reintroduzida na coluna, compondo uma corrente denominada refluxo
O refluxo e os múltiplos contatos entre as fases nos pratos propiciam uma melhor separação entre os componentes e consequentemente uma maior pureza do produto de topo.
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Destilação: equipamentos e modo de operação
Destilação contínua: operações em grande escala.
Nesta coluna, a mistura é alimentada próxima ao meio da coluna, dividindo a coluna em duas seções: a de enriquecimento, localizada acima da alimentação, e a de esgotamento, situada abaixo da alimentação;
 São retiradas do equipamento: o destilado ou produto de topo, que deve ser rico no componente mais volátil, e o produto de fundo que deve conter preferencialmente o componente pesado.
Na seção de esgotamento, os componentes voláteis devem ser retirados do líquido para garantir que o produto de fundo contenha a menor quantidade possível desses compostos. Na seção de enriquecimento, os voláteis devem se concentrar na fase vapor para atingir a pureza de produto de topo desejada.
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Destilação: equipamentos e modo de operação
Destilação contínua:
 separação de uma mistura em uma coluna de destilação contínua depende: 1) da volatilidade relativa de seus componentes, 2) do número de estágios e 3) razão de refluxo. A razão de refluxo é definida como a relação entre a vazão de líquido que retorna à coluna e a vazão de destilado.
Cada prato da coluna representa um estágio de equilíbrio líquido-vapor
Vaporização e condensações sucessivas
https://www.youtube.com/watch?v=I70jgRpf80o
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Destilação contínua
ar em equilíbrio é promovido fisicamente através dos chamados “pratos” da coluna de destilação (coluna de pratos) ou através de uma dada altura de enchimento (coluna de enchimento).
Os pratos podem ser de vários tipos: perfurados, de campânula, de válvulas, etc. O enchimento, por sua vez, também pode ter diversas configurações (anéis de Raschig e Pall, Berl Saddle, etc.). O objectivo último é sempre o de promover um bom contacto entre as fases com uma queda de pressão mínima [2].
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Destilação: equilíbrio líquido -vapor
 processos que envolvem o contato direto entre as fases líquida e vapor como a destilação, há a necessidade do conhecimento do equilíbrio entre essas fases. 
Para que haja o equilíbrio, deve haver igualdade das fugacidades
Onde i é o componente, L é a fase liquida e V é a fase vapor
A fugacidade do componente líquido é dada por:
em que xi é a fração molar do componente i na fase líquida, γi é o coeficiente de atividade do componente i, variável que reflete o desvio do comportamento ideal de uma mistura na fase líquida,       
A fugacidade do componente vapor é dada por:
em que Φi é o coeficiente de fugacidade do componente i, uma variável que reflete o desvio do comportamento de gás ideal da fase vapor, yi é a fração molar do componente i na fase vapor e P é a pressão total do sistema 
Dessa forma a equação base que rege o equilíbrio de fases é dada por:
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Destilação: equilíbrio líquido -vapor
Usualmente as misturas apresentam desvios da idealidade, a lei de Raoult não descreve o comportamento dessas misturas. 
Esse desvio é calculado pelo coeficiente de atividades – fase líquida ou coeficiente de fugacidade para fase vapor
Usualmente, para baixas pressões a fase vapor pode ser modelada como ideal.
Mistura ideal
Mistura não ideal
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Destilação: equilíbrio líquido -vapor
Usualmente as misturas apresentam desvios da idealidade, a lei de Raoult não descreve o comportamento dessas misturas. 
Esse desvio é calculado pelo coeficiente de atividades – fase líquida ou coeficiente de fugacidade para fase vapor
Usualmente, para baixas pressões a fase vapor pode ser modelada como ideal.
Mistura ideal
Mistura não ideal
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Destilação: equilíbrio líquido -vapor
Modelos para o cálculo do coeficiente de atividade:
Modelo
Equação
Parâmetros
Margules
Van Laar
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Destilação: equilíbrio líquido -vapor
Modelos para o cálculo do coeficiente de atividade:
Modelo
Equação
Parâmetros
Wilson
NRTL
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Destilação: equilíbrio líquido -vapor
 o grau de separação em uma coluna de destilação é dada pela constante de equilíbrio
 Para a separação de misturas, a diferença de volatilidade entre dois componentes pode ser avaliada pela volatilidade relativa do componente leve em relação ao componente pesado
Quanto maior a volatilidade relativa, maior será a facilidade de separação entre esses dois componentes por destilação. 
Quando o valor da volatilidade relativa é próximo à unidade, a separação por destilação convencional precisará de uma coluna com um número elevado de estágios e/ou uma razão de refluxo elevada, o que, sob o ponto de vista econômico, nem sempre é viável. 
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Projeto de coluna de destilação contínua –método de McCabe-Thiele
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Balanço de massa as alimentação:
F
D
R
Onde:
F: vazão da alimentação
D: Vazão de destilado
R: Vazão de fundo 
Zf
composição da alimentação do componente mais leve
xD : Composição do destilado do componente mais leve
xB: composição do fundo do componente mais leve
Balanço de mols global
Balanço de mols por componente
(1)
(2)
Subst. (1) em (2):
Ou:
Balanço de massa na retificação (Topo)- Construção da linha de operação da retificação
Considerações a respeito do método:
1) Ambos componentes tem entalpias d e vaporização constantes 
2) A coluna é adiabática 
3) A pressão na coluna é constante
4 ) Vazões molares são constante ao longo da coluna: Vn+1=V e Ln=L
Balanço de mols
(3)
Ou:
(4)
Então a eq (4) fica:
Razão de refluxo: R = L / D
Balanço do refluxo:
(5)
(6)
(7)
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Dessa forma o coef. angula pode ser escrito em função da razão de refluxo:
De modo singular:
De modo singular:
(8)
Linha de 45º
Curva de equilíbrio
xD
Linha de operação da retificação inclinação= L/V= R/(R+1)
x, componente mais leve
y, componente mais leve
Balanço de massa na retificação (Topo) - Construção da linha de operação da retificação
Balanço de mols
(9)
Ou:
(10)
Razão de produto de fundo: VB = V / B
Balanço do refervedor:
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Balanço de massa no esgotamento (Fundo): Construção da linha de operação do esgotamento
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Balanço de massa no esgotamento (Fundo): Construção da linha de operação do esgotamento
Linha de 45º
Curva de equilíbrio
Linha de operação da esgotamento inclinação= L/V= (VB+1)/VB
x, componente mais leve
y, componente mais leve
xB
Balanço de massa na alimentação- Construção da linha q
Em que o valor q é dado por:
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Condensa parte do vapor que está subindo, por isso V<
Vaporiza parte do líquido que estava descendo, por isso <L 
Balanço de massa na alimentação- Construção da linha q
Em que o valor q é dado por:
	Condição da alimentação	q
	Liq. Subresfriado	>1
	Liq saurado	1
	Liq + Vapor	0<q<1
	Vapor saturado	0
	Vapor superaquecido	<0
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Fração da fase líquida
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Linha de 45º
Curva de equilíbrio
xD
L.O retificação
x, componente mais leve
y, componente mais leve
zF
xB
Balanço de massa na alimentação- Construção da linha q
L.O esgotamento
L.O 
Alimentação
q/(q-1)
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Determinação do número de estágios de equilíbrio
1) traçar a linha de equilíbrio y-x e a çinha de 45º
2) Marcar as composições xD, xB e zF 
3) traçar a linha q
4) Razão de refluxo
Linha de 45º
Curva de equilíbrio
xD
x, componente mais leve
y, componente mais leve
zF
xB
1
2
3
4
5
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Determinação do número de estágios de equilíbrio
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Exemplo
y, metanol
x, metanol
Determinar o numero de estágios de uma coluna usada para destilar uma mistura metanol-água 36%. O produto deve er o tero de metanol de 94% e no produto de fundo apenas 2%. A razão de refluxo é de 2,5 e para cada mol de alimentação, 0,5 mol permanece na fase líquida dentro da coluna.
zF = 0,36
xD = 0,94
xB = 0,02
R= 2,5
q=0,5
Curva de equilíbrio
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Exemplo: Solução
L. O. Reifficação
y=0,27
x=0
Com xD= 0,94 e R = 2,5 teremos:
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Exemplo: Solução
L. O Alimentação
Com xF= 0,36 e q = 0,5 teremos:
y=0,72
x=0
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Exemplo: Solução
Para determinar a terceira linha de operação:
No ponto de interseção:
= 0,71x+0,27
Ponto de interseção
X=0,26
Y=0,46
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Exemplo: Solução
Determinação dos estágios
1
2
3
4
5
6
Prato ideal de alimentação
Prato 4