Destilação diferencial (água-etanol)

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

Escola de Engenharia de Lorena – EEL

Operações Unitárias Experimental II

Destilação Diferencial (Água – Etanol)

Turma: EI10

Data: 25/06/2010

Alunos:

Anderson Gomes Mortoni – 5867632

André Cocenza – 5792070

Bruno Zinani – 000000

Caio Ribeiro – 000000

José Francisco Ferreira Junior – 5790850

Odair Fernando Cardoso – 000000

Rafael Batista de Souza Mendes – 5791600

Viviane Lima – 5792403

Prof. Félix Monteiro Pereira

1. Objetivo

Este experimento teve como objetivo a determinação da fração molar do destilado após a realização de uma destilação diferencial. Verificou-se que a influência de fatores como a descalibração do termômetro e a presença de substâncias no álcool comercial fazem com que o andamento do processo destoe do relatado na literatura consultada. Observou-se, também, que uma mistura binária de diferentes concentrações, em °GL, quando misturadas entre si resulta em uma terceira concentração que será exatamente igual à média das concentrações das misturas iniciais.

2. Introdução Teórica

A destilação é o método de separação baseado no fenômeno de equilíbrio líquido-vapor de misturas. Em termos práticos, quando temos duas ou mais substâncias misturadas em uma mistura líquida, a destilação pode ser um método adequado para purificá-las: basta que tenham volatilidades razoavelmente diferentes entre si.

O uso da destilação como método de separação disseminou-se pela indústria química moderna. Pode-se encontrá-la em quase todos os processos químicos industriais em fase líquida onde for necessária uma purificação.

Na destilação diferencial vaporiza-se o líquido e o vapor é removido à medida que se forma. O processo transcorre de forma incremental, em termos de temperatura e de vaporização alcançada, pois a cada instante ocorrem temperaturas diferentes, implicando em equilíbrios sucessivos com o líquido residual. A composição do líquido modifica-se com o tempo, pois o vapor formado é sempre mais rico no componente mais volátil do que o líquido de onde provem (desde que não haja azeotropismo). Este efeito provoca o continuado empobrecimento do líquido em relação ao componente mais volátil. A separação é pobre, pois não há refluxo nem estágios de equilíbrio adicionais (há apenas um).

A figura a seguir ilustra um aparelho de destilação simples.

Balão de vidro ou de destilação: a solução a ser destilada é aquecida no balão de destilação. Aumentando-se a temperatura da solução, esta chega à ebulição, e o vapor é forçado a passar pelo condensador. Dentro do balão são acrescentadas algumas pérolas de porcelana que, devido à alta porosidade, fornecem uma grande superfície de contato para as microbolhas que se formam na solução, controlando-as, evitando um excesso de turbulência na ebulição.

Evaporação: a figura a seguir representa um líquido em três condições diferentes:

a. o líquido está a temperatura ambiente;

b. o líquido está em ebulição;

c. o ar de dentro do recipiente foi retirado (pressão reduzida).

Perceba que em (a) algumas moléculas do líquido estão no estado de vapor, porém estas não conseguem ultrapassar a barreira do ar atmosférico, ou seja, vencer a pressão atmosférica. Quando aquecemos o líquido, a pressão de sua fase de vapor se iguala à pressão atmosférica, e este entra em ebulição (b). O efeito é o mesmo se retirarmos parte das moléculas de ar do recipiente: o líquido entra, também, em ebulição (c), porem com uma menor pressão de vapor, e menor temperatura.

Condensador: é um tubo de vidro cercado por um fluxo contínuo de água termostatizada. O vapor, vindo do balão, entra em contato com as paredes frias do condensador e condensa-se. O líquido é recolhido em um recipiente (erlenmeyer). Este líquido é chamado DESTILADO e o líquido remanescente no balão é chamado RESÍDUO de destilação.

A composição do líquido varia, por isso também varia a composição do vapor em equilíbrio. A composição inicial do total da fase líquida (L) é x, e da fase vapor formada, y. Com o balanço global de massa na vaporização de uma quantidade infinitesimal de líquido tem-se:

Eq. (1)

Sendo dV o número de mols formado na vaporização com a composição média y, o balanço de massa para o componente mais volátil dá:

Eq. (2)

Eq. (3)

A combinação das equações (1) e (3) dá:

Eq. (4)

Eq. (5)

Conhecida como equação de Rayleigh, e integrando sobre uma modificação finita de estado 1 (condições iniciais) até o estado 2 (condições no estado 0), tem-se:

Eq. (6)

Como , , portanto:

Eq. (7)

A