Destilação

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UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ - UNIVALI 
 Escola Politécnica 
 Disciplina: Operações Unitárias Experimental 
 Prof° Dra. Franciélle Girardi Alves 
 
DESTILAÇÃO 
Lemos, Chayene¹ 
 Engenharia Química, Universidade do Vale do Itajaí, Itajaí, Brasil¹ 
 
RESUMO: A destilação fracionada, um processo de separação amplamente utilizado para 
misturas homogêneas com base na diferença de volatilidade entre seus componentes, foi 
investigada em um estudo experimental com uma mistura binária de etanol e água. O objetivo 
foi aplicar e validar os conceitos teóricos abordados em sala de aula, analisando as 
composições da mistura ao longo da coluna de destilação e determinando o número de 
estágios teóricos necessários para a separação. Os resultados obtidos indicaram a necessidade 
de 6 pratos teóricos para o sistema nas condições operadas. 
Palavras-chave: Destilação; composição; etanol; estágios; água; coluna. 
 
INTRODUÇÃO 
 
 A destilação é a operação unitária mais empregada nas indústrias química e petroquímica 
para a separação de componentes em misturas líquidas (MARTIN et al., 2013). A sua 
relevância reside na capacidade de separar misturas com base na diferença de volatilidade 
entre os componentes, sendo fundamental que a composição do vapor em equilíbrio com o 
líquido seja distinta (GEANKOPOLIS, 1993). Soluções como água-amônia e água-etanol, 
nas quais todos os componentes são consideravelmente voláteis, exemplificam sistemas 
ideais para a aplicação da destilação. 
 O projeto de uma unidade de destilação envolve uma variedade de parâmetros além do 
número de estágios, incluindo vazões e composições da alimentação, destilado e produto de 
base, pressão de operação, cargas térmicas do refervedor e do condensador, localização do 
estágio de alimentação, taxa de refluxo e relação entre altura e diâmetro da torre (GORAK et 
al., 2014). A otimização desses parâmetros é essencial para garantir a eficiência e o 
desempenho da coluna de destilação, atendendo às especificações do processo e minimizando 
custos operacionais (MARTIN et al., 2013). 
 Neste contexto, o presente estudo visa avaliar o desempenho de uma torre de destilação 
fracionada recheada com anéis de Raschig, utilizada para a separação da mistura binária 
etanol-água. Serão analisados os perfis de temperatura e composição ao longo da coluna, 
visando determinar a eficiência da separação e o número de pratos teóricos, comparando os 
resultados experimentais com valores teóricos obtidos pelo método de McCabe-Thiele. A 
partir dessa análise, será possível avaliar se o dimensionamento atual da torre é o ideal para o 
processo de separação da mistura etanol-água. 
RESULTADOS E DISCUSSÕES 
 Os experimentos foram realizados em uma coluna de destilação de 100 mm de altura e 50 
mm de diâmetro interno, equipada com sete estágios de destilação preenchidos com anéis de 
Raschig de 8mm operando com refluxo 0. A mistura etanol-água foi alimentada na coluna. O 
refervedor foi ligado a uma temperatura de aproximadamente 45 °C e as temperaturas foram 
monitoradas a cada 15 minutos ao decorrer do processo assegurando o controle das condições 
operacionais e gerando um perfil de temperatura, apresentado na Figura 1. 
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Figura 1. Perfis de temperatura para cada estágio da torre de destilação. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Autor,2024. 
 Pode-se verificar que o perfil de temperatura da coluna de destilação revela um gradiente 
térmico decrescente ao longo da coluna, desde o ponto 1 (topo) até o resíduo (fundo). Isso é 
consistente com o esperado para uma coluna de destilação fracionada, onde o componente 
mais volátil (etanol) se concentra no topo, a uma temperatura mais baixa (78°C), e o 
componente menos volátil (água) se concentra no fundo, a uma temperatura mais alta (90°C). 
Os pontos intermediários da coluna apresentam temperaturas crescentes em direção à base, 
indicando um aumento gradual na concentração de água. 
 Após um período de aproximadamente 45 minutos, as temperaturas em todos os pontos da 
coluna se estabilizam, indicando que o sistema atingiu o regime permanente de operação. 
Pequenas oscilações de temperatura são observadas nos pontos 3, 4 e 5, possivelmente devido 
a variações na taxa de refluxo ou na composição da alimentação. Portanto o perfil de 
temperatura da coluna de destilação é consistente com o esperado para a separação de uma 
mistura etanol-água, com o etanol sendo concentrado no topo e a água no fundo. A 
estabilização das temperaturas indica que o sistema atingiu o regime permanente, e as 
pequenas oscilações observadas podem ser atribuídas a fatores operacionais. 
 Através dos dados de vazão de fundo e destilado, obtidos experimentalmente, apresentados 
na Tabela 1, determinou-se a vazão de alimentação a partir da soma das vazões de fundo e 
destilado, conforme o princípio de balanço de massa (Equações 1 e 2). 
 Eq .1 
 
 Eq.2 
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Tabela 1 . Vazões volumétricas das correntes envolvidas na destilação. 
 
 
 
 
 Autor,2024. 
 Através da tabela 1, pode-se analisar que a vazão do fundo é consideravelmente maior 
que a vazão do destilado, o que sugere que a maior parte da mistura original permanece no 
fundo da coluna de destilação. Isso é esperado em um processo de destilação, onde o 
componente menos volátil (no caso, a água) tende a se concentrar no fundo, enquanto o 
componente mais volátil (etanol) é retirado como destilado (PERRY & CHILTON, 1980). 
 Posteriormente, utilizou-se a equação 3 e os dados obtidos na interpolação da tabela 3.112 
(PERRY,1980) para calcular as frações mássicas(%) de etanol e água em cada amostra. Os 
resultados estão dispostos na tabela 2. 
 
 Eq.3 
Onde, ρamostra: densidade da amostra; mamostra: massa da amostra; Vcoletado: volume 
da amostra coletado. 
 Tabela 2. Massa, volume, massa específica e porcentagem mássica de etanol encontrada em 
cada ponto de coleta. 
 
 
 
 Autor,2024. 
 Através dos dados dispostos na tabela 2, pode-se analisar que a amostra de alimentação, 
com uma porcentagem mássica de etanol de 8,88%, indicou que a mistura inicial é 
predominantemente água. Após o processo de destilação, a amostra do destilado apresentou 
uma porcentagem mássica de etanol de 85,00%, demonstrando a eficiência da separação do 
etanol, o componente mais volátil. Por outro lado, a amostra do fundo, com apenas 2,00% de 
etanol, confirma que a maior parte do etanol foi removida e que o fundo é 
predominantemente água. 
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 As amostras 2, 4 e 5 foram coletadas em diferentes pontos da coluna de destilação. A 
amostra 2 apresenta a maior porcentagem mássica de etanol (87%), seguida pela amostra 4 
(78%) e pela amostra 5 (70%). Essa tendência indica que a concentração de etanol aumenta à 
medida que nos aproximamos do topo da coluna, o que é esperado em um processo de 
destilação fracionada. Cabe ressaltar que, devidoà dificuldade de coleta durante o processo, 
apenas 3 amostras foram coletadas ao longo da coluna de destilação. 
 Por fim, os resultados demonstram que o processo de destilação foi eficiente na separação 
da mistura etanol-água, concentrando o etanol no destilado e a água no fundo. A presença de 
um gradiente de concentração de etanol ao longo da coluna confirma a efetividade da 
destilação fracionada na separação dos componentes da mistura. 
 Com os dados de porcentagem de etanol, também conhecida como fração mássica (ω), 
permitiu-se calcular a fração mássica de água em cada amostra através da Equação 4. Em 
seguida, aplicou-se a equação 5 para determinar as frações molares (x) de etanol e água em 
cada amostra utilizando a massa molar do componente (MM). Os resultados são apresentados 
na Tabela 3. 
 Eq.4 
 
 Eq.5 
 Tabela 3. Frações mássicas e molares de cada composto da mistura conforme o ponto de coleta. 
 
 
 
 
 Autor,2024. 
 A análise das frações mássicas e molares de etanol e água nas amostras coletadas durante 
o processo de destilação demonstra a eficiência da separação. A mistura inicial (alimentação) 
é predominantemente água (91,12% em massa e 0,9549 em fração molar). O destilado, 
coletado no topo da coluna, apresenta alta concentração de etanol (85% em massa e 0,7299 
em fração molar), enquanto o fundo é predominantemente água (2% em massa e 0,0105 em 
fração molar de etanol). As amostras intermediárias (2, 4 e 5) evidenciam um gradiente de 
concentração de etanol ao longo da coluna, com valores crescentes em direção ao topo, 
confirmando a efetividade da destilação fracionada na separação da mistura. 
 A partir das frações molares e das massas específicas obtidas, é possível converter as 
vazões volumétricas (Q) da alimentação, destilado e fundo em vazões molares (𝑛̇) utilizando 
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a Equação 6 e as massas molares médias 𝑀𝑀̅̅̅̅̅ calculadas pela Equação 7. Os resultados dessa 
conversão estão apresentados na Tabela 4. 
 Eq.6 
 Eq.7 
 Tabela 4. Vazões molares para alimentação, destilado e 
fundo obtidos a partir das vazões volumétricas. 
 
 
 
 Autor,2024. 
 Por fim, calculou-se a fração líquida remanescente (0,8999 ou 0,9) utilizando a equação 8. 
As frações da alimentação, fundo e destilado, previamente calculadas, foram aplicadas às 
equações 9 a 11 para determinar as coordenadas dos pontos do método de McCabe-Thiele. 
Ressalta-se que para os calcúlos utilizou-se a razão de refluxo igual a 0,001. Os dados 
experimentais do equilíbrio líquido-vapor (ELV) para o sistema binário água-etanol a 25°C e 
1 atm (COSTA et al., 2020) foram obtidos na literatura e utilizados para plotar a curva de 
equilíbrio do sistema (Figura 2) com o auxílio do Excel. 
 Eq.8 
 
 Eq.9 
 
 Eq.10 
 
 Eq.11 
onde: y: Fração molar do componente mais volátil na fase vapor ;x: Fração molar do 
componente mais volátil na fase líquida; RR: Razão de refluxo;L: Vazão molar do líquido; B: 
Vazão molar do produto de fundo. 
 
 
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 Figura 2. Diagrama McCabe-Thiele com a determinação dos pratos 
teóricos na coluna de destilação da mistura binária Etanol e água. 
 
 
 
 
 
 
 Autor,2024. 
 O diagrama de equilíbrio líquido-vapor (Figura 2) para a mistura etanol-água, juntamente 
com a linha de operação, permite analisar o processo de destilação fracionada em questão. 
Pode-se verificar a necessidade de aproximadamente 6 pratos teóricos o que indica que 
seriam necessários 6 estágios de equilíbrio ideais para alcançar a separação desejada entre 
etanol e água, sendo 5 na retificação e 1 no stripping. Cada prato teórico representa um 
estágio onde o vapor e o líquido entram em contato, ocorrendo transferência de massa e 
enriquecimento do vapor em etanol. 
 A linha de operação coincidindo com a diagonal do diagrama confirma que a destilação 
está operando em refluxo total (R = 0). Isso significa que todo o vapor que chega ao topo da 
coluna é condensado e retorna como líquido (refluxo) para a coluna, sem retirada de 
destilado. 
 Além disso, obteu-se 6 e na realidade possui-se 7 pratos teóricos na coluna. Visto isso, é 
importante ressaltar que a eficiência real de uma coluna de destilação nunca é igual à teórica. 
Fatores como o tipo de recheio, a vazão de vapor e a composição da mistura podem 
influenciar a eficiência real da coluna (GEANKOPOLIS, 1993). 
 A Altura Equivalente a um Prato Teórico (HETP) é um parâmetro também utilizado para 
avaliar a eficiência de uma coluna de destilação (HENLEY; SEADER, 1988). Ela representa 
a altura da coluna que equivale a um estágio de equilíbrio teórico, ou seja, a altura necessária 
para que ocorra a mesma transferência de massa e enriquecimento do vapor que ocorreria em 
um prato teórico ideal. 
 No entanto, a HETP é um parâmetro que só faz sentido em sistemas com refluxo. O 
refluxo é o líquido que retorna do topo da coluna para a parte inferior, proporcionando um 
contato mais íntimo entre o vapor e o líquido e aumentando a eficiência da separação. Em 
sistemas sem refluxo ou refluxo 0 não há líquido retornando para a coluna, e a HETP não 
pode ser calculada. 
 
 
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 CONCLUSÃO 
 Em suma, a análise pelo método de McCabe-Thiele sugere que o número de pratos na 
torre de destilação é adequado para a separação desejada, indicando que a coluna pode 
promover o contato necessário entre o vapor e o líquido, permitindo a transferência de massa 
e o enriquecimento do vapor em etanol. Contudo, a possível evaporação de etanol durante o 
resfriamento das amostras pode ter afetado os resultados, superestimando a eficiência da 
coluna. Apesar disso, o processo de destilação foi bem-sucedido, evidenciado pela redução da 
porcentagem mássica de etanol no fundo da colunae pelo aumento gradual da concentração 
de etanol nas amostras coletadas em cada prato, culminando em um destilado com maior teor 
de etanol, resultado esperado para este tipo de operação. 
 
REFERÊNCIAS 
(1) GEANKOPOLIS, C. J. Transport Processes and Unit Operations. 3. ed. Englewood 
Cliffs: Prentice Hall, 1993. 
(2) GORAK, A.; OLSZEWSKI, A. Distillation: Equipment and Processes. Academic 
Press, 2014. 
(3) HENLEY, E. J.; SEADER, J. D. Equilibrium-Stage Separation Operations in 
Chemical Engineering. Nova Iorque: John Wiley & Sons, 1988. 
(4) MARTIN, M.; KASHANI, A.; LIU, Y. Distillation Design and Control Using 
Aspen Simulation. 1. ed. Wiley, 2013. 
(5) PERRY, R. H.; CHILTON, C. H. Manual de Engenharia Química. 5. ed. Rio de 
Janeiro: Guanabara Dois, 1980. 
 
 
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