A Construção de Uma Torre de Destilação

1.INTRODUÇÃO

A destilação é um processo muito utilizado na indústria química, para separar substâncias, como o etanol e água, que será o assunto principal deste projeto.

A desvantagem do processo de destilação é o alto consumo de energia durante a operação, já a vantagem dar-se a por não haver necessidade de incorporar substância para efetuar a separação (CREMASCO, 2014).

O projeto refere-se a uma torre de destilação, onde o fluxo do líquido é dividido em duas correntes, que por sua vez entram em contato com uma única fase ascendente de vapor, o contato entre o vapor e o líquido faz com que a separação seja relativamente fácil, sendo assim necessário um tempo de contato pequeno para que ocorra a transferência de massa do líquido para o vapor. Segundo (FOUST, 1982)

“Na destilação, uma fase vapor entra em contato com uma fase liquida, e há transferência de massa do liquido para o vapor e deste para aquele. O liquido está no seu ponto de bolha e o vapor em equilíbrio no seu ponto de orvalho. Há transferência simultânea de massa do liquido pela vaporização, e do vapor pela condensação. O efeito final é o aumento da concentração do componente mais volátil na fase vapor, e do menos volátil na fase liquida”.

Para dimensionar uma torre avalia seus aspectos construtivos como, altura, diâmetro e número de estágio, além dos cálculos de transferência de massa, dessa forma o projeto em si é baseado nos componentes da mistura a ser separada. A estabilidade e controle da torre baseiam-se em dados termodinâmicos envolvidos no processo de separação como a relação de equilíbrio líquido-vapor da mistura (ATIKINS; JONES; 2012; MATOS, 2015).

2.OBJETIVOS

2.1. Objetivo geral

Construir uma coluna de destilação para separar uma mistura binaria (etanol e água).

2.2. Objetivos específicos

Calcular o balanço de massa e energia para a mistura binária;

Calcular o número de pratos teóricos da coluna de destilação;

Calcular a eficiência da coluna de destilação.

3. REVISÃO DA LITERATURA

3.1. Destilação

Destilação é uma operação unitária utilizado na indústria química para separar substâncias, sua desvantagem é o alto consumo de energia, por sua vez não é necessário a adição de substância química para efetuar a separação (McCABE, 2004).

A separação só e possível se existir diferença de volatilidade dos constituintes, ou seja, ponto de ebulição diferentes, o líquido e o vapor no geral tem o mesmo componente, o líquido está no seu ponto de bolha e o vapor em equilíbrio no ponto de orvalho. Ocorre transferência de massa simultânea do líquido pela vaporização e do vapor pela condensação, ocasionando o aumento da concentração no componente mais volátil no vapor, e do menos volátil no liquido (BRUCE; JOHN; JOHN, 2001).

Em cálculos de destilação deve ser empregado, os valores térmicos como o calor latente de vaporização dos componentes, o volume e a temperatura do componente em ebulição, em pressão elevada reduz o volume e aumenta a temperatura a fim de facilitar a condensação (ONES, RODRÍGUEZ, ZUMALACARREGUI, LEÓN, 2010).

A Figura 1 demonstra o diagrama de equilíbrio composição liquido-vapor do sistema (etanol e água) sob pressão atmosférica.

Figura 1: Diagrama de equilíbrio (etanol e água).

Fonte: Ones; Rodríguez; Zumalacárregui.; León (2010).

3.2. Destilação binária

É uma mistura A+B, onde normalmente são encontrados mais de dois componentes na alimentação da coluna, no entanto se houver dois componentes que constituem mais de 90% da mistura a separação ocorrerá como uma destilação binária (FOUST, 1982).

Existem alguns fatores que influenciam durante a destilação binária no escoamento do líquido e do vapor, tais como, o calor de vaporização da mistura, o calor da mistura no vapor e no líquido, o aumento do calor sensível com o aumento da temperatura na coluna e as perdas térmicas através das paredes da coluna, e podemos dizer que estamos diante de uma destilação pseudo - binária. Muitos sistemas binários têm taxa de escoamento interno constante de liquido e vapor suficiente, que torna possível o cálculo simplificado conhecido como Mc cabe - Thiele (PETLYUK, 2004).

“Quando dois solventes (b e c), numa extração líquido-líquido, são completamente insolúveis nas concentrações do soluto (a) que estão sendo analisadas, os dados podem ser apresentados como concentração (y a) de a numa fase V em equilíbrio com a concentração (x a) de a numa fase L. Em virtude dos componentes b e c serem mutuamente insolúveis, não é necessário um diagrama ternário e os dados de equilíbrio completos podem ser dos solventes b e c, o soluto a divide-se simplesmente entre as duas fases solventes, de forma semelhante à da divisão dos componentes mais volátil a entre a fase liquida e vapor de uma destilação. O fluxo da massa do refinado (L) diminui com a transferência do soluto inicialmente na fase extrato (V), e o fluxo da fase extrato aumenta (Equação 1) ”.

Yn+1=L'/V'+(V^' Y1-L^' X0)/V (1)

Onde:

L’= massa do componente inerte do refinado (b) não incluindo o soluto (a)

V’= massa do solvente do extrato (c) não incluindo o soluto (a)

Y n + 1 = massa do soluto (a) por unidade de massa do solvente (c)

X n = massa do soluto (a) por unidade de massa do inerte (b)

(FOUST, 1982).

3.3. Destilação azeotrópica

Na destilação azeotrópica um terceiro componente é adicionado, denominado componente de arraste, do qual tem a função de