A Coluna de Destilação Contínua

Coluna de Destilação Contínua

Flávia Bernardes de Oliveira Silva*, Franciele Velho Ferreira, Jéssica Fernandes, Lucas Augusto Ferreira de OIiveira. 

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Resumo

Com o intuito de separar os componentes de uma mistura homogênea de ácido acético e água, realizou-se uma destilação fracionada em uma coluna com 10 pratos perfurados. A partir da coleta de amostras determinou-se a composição das soluções de alimentação, de topo e de fundo através de titulações realizadas com NaOH (3,95M). Pelo Método de McCabe-Thiele, traçou-se as linhas de operação da coluna para a essa mistura, possibilitando a determinação do número de pratos teóricos e a eficiência da separação.

Palavras-chave: Coluna de destilação, mistura binária, composição, linhas de operação, números de pratos.

Introdução

Normalmente, quando se fala em mudança de composição de soluções e misturas, pensa-se em reações químicas. Entretanto, há um grande número de operações unitárias em engenharia química que se relacionam a essas mudanças por meio de separação de uma mistura em diferentes componentes, na qual não ocorrem reações, uma delas é a destilação.

A separação de misturas por destilação é uma das operações unitárias mais antigas que se conhece. (2) O processo de destilação é muito utilizado em toda a indústria química, como por exemplo, na obtenção de álcool retificado de uma mistura de fermentação, ou ainda, na indústria petrolífera para a separação das frações contidas no petróleo bruto, como gás combustível, GLP, nafta, querosene, diesel, gasóleo, óleo combustível. (4)

A destilação depende da distribuição das substâncias de uma mistura entre as fases líquida e gás, aplicada a casos onde todos os componentes estão presentes em todas as fases. Ao invés de introduzir uma nova substância na mistura de maneira a promover a segunda fase, a nova fase é criada, baseando-se nos fenômenos líquido-vapor, a partir da solução original por vaporização ou condensação. Na destilação, portanto, pode-se afirmar que o agente de separação é o calor, pois o vapor formado tem composição diferente da mistura original (4).  

A separação em uma coluna de destilação só é possível devido à volatilidade relativa de um componente com relação ao outro. Geralmente, salvo raras exceções, a fração mais volátil em uma mistura é aquela que em estado puro possui maior pressão de vapor, ou seja, tem maior tendência a evaporar. Como exemplo, tem-se que, devido ao critério massa molar, o metano é mais volátil do que o etano, que por sua vez é mais volátil que o propano, que por sua vez é mais volátil que o butano e assim por diante; então a separação destes é possível utilizando-se o agente calor e equipamentos adequados, denominadas colunas ou torres de destilação para processos contínuos ou destiladores para processos descontínuos ou em batelada (3).

Quando uma mistura líquida de dois componentes voláteis é aquecida, o vapor produzido terá uma maior concentração no componente mais volátil (de menor ponto de bolha) do que o líquido em que estava presente. De outra forma, se o vapor é resfriado, o componente menos volátil (de maior ponto de bolha) tem a tendência em condensar em uma proporção maior do que o componente mais volátil.

Uma coluna de destilação pode ser classificada quanto ao regime operacional. Assim, dividem-se em dois grupos: batelada e contínuo; Na destilação contínua a alimentação, usualmente pré-aquecida até certo grau, é ininterruptamente introduzida no aparato de destilação e separada em destilado e produto de fundo, ambos removidos continuamente do processo. Depois de a vazão e a composição desses dois produtos se estabelecerem (entrarem em regime permanente), assim como outras condições pré-determinadas, elas não devem se modificar durante o curso adicional da operação, teoricamente. (5)

Experimental

Procedimento realizado

A coluna de destilação contínua do Laboratório de Engenharia Química UFSJ/CAP foi operada a pressão atmosférica e as temperaturas ao longo da mesma estão dispostas na Tabela 1. As vazões foram mantidas constantes durante todo o processo, sendo a vazão de alimentação da solução binária (água/ ácido acético) de 46,05 cm3/min, a vazão do topo de 9,00 cm3/min, e a vazão do fundo de 37,05 cm3/min. As vazões de alimentação e de fundo foram obtidas através da equação característica obtida na calibração dos rotâmetros e a vazão de topo foi determinada manualmente com o auxílio de uma proveta e um cronômetro.

Tabela 1. Temperaturas de operação da coluna

Identificação	Temperatura (ºC)
T1 - Alimentação	32
T2 - Produto de fundo	95
T3 - produto de topo	101
T4 - Prato	101
T5 - Prato	102
T6 - Prato	105
T7 - Prato	104
T8 - Prato	104
T9 - Prato	104
T10 - Prato	103
T11 - Alimentação após aquecimento	60
T12 - Refluxo	78

Princípio de Funcionamento

A partir da Figura 1, pode-se observar o esquema de uma coluna de destilação. A alimentação F consiste na mistura a ser separada e pode ser introduzida em um ou mais pontos da coluna. Devido à diferença de densidade entre as fases, o liquido percorrerá a coluna de cima para baixo enquanto o vapor possuirá um fluxo ascendente entrando em contato com o líquido em cada prato. O líquido que atinge o fundo é aquecido e parcialmente vaporizado num trocador de calor denominado refervedor e enviado de volta a coluna para manter o fluxo ascendente de vapor, sendo que a parte não vaporizada é retirada como produto de fundo. O vapor que chega ao topo é resfriado e parcialmente ou totalmente condensado em um condensador, sendo que parte do líquido retorna a coluna como refluxo mantendo o fluxo descendente de líquido dentro da mesma e o restante é retirado como destilado ou produto de topo.[pic 1][pic 2]

Essa divisão de fluxos promove o contato em contracorrente das correntes líquida e vapor em todos os pratos ao longo da coluna. Dessa maneira, os componentes leves (menor temperatura de ebulição) tenderão a se concentrar na fase vapor, enquanto os pesados (maior temperatura de ebulição) tenderão a se concentrar na fase líquida. Tem-se como resultado o fluxo de vapor tornando-se mais concentrado nos componentes mais voláteis (leves) enquanto sobe a coluna, ao passo que o líquido vai ficando mais concentrado nos componentes menos voláteis (pesados) ao longo do seu fluxo descendente. (2)

A partir das considerações acima, pode-se determinar o balanço de massa global da destilação. A Equação 1 relaciona as vazões na alimentação (F), no topo (D) e no fundo (B).

                         (1)[pic 3]

                (2)[pic 4]

Método de McCabe e Thiele

Em 1925, McCabe e Thiele desenvolveram um método gráfico para determinação do número de pratos teóricos de uma coluna de destilação. O método é utilizado somente para cálculo de destilação de misturas binárias como no caso em estudo. Para tanto deve-se conhecer as linhas de operação da Dessorção (LOD), da alimentação (LOA) e da retificação (LOR). Deve-se ainda saber a fração molar do componente mais volátil da mistura tanto na alimentação, como no produto de fundo como no destilado e ração de refluxo (RD). Assim, de acordo com o diagrama isobárico da mistura de interesse, plota-se a fração molar de vapor versus fração molar de líquido do componente mais volátil, referente às três linhas de operação e traça-se os pratos teóricos, como pode-se ver na Figura 2. Essas linhas são dadas em função dos balanços de massa global, no condensador e no refervedor. (3)