TA 831 - Operações Unitárias III
Transferência de Massa
Prof. Dr. Antonio José de Almeida Meirelles
PED: Paulo César Torres Mayanga
Destilação diferencial:
Produção de bebidas
alcoólicas artesanais e
óleos vegetais refinados
em batelada
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Destilação Diferencial: Aplicações na Produção de Bebidas e Óleos Vegetais, Slides de Engenharia Química
Transferência de Massa por absorção, esgotamento, difusão, convecção, destilação, extração e secagem.
Tipologia: Slides
2019
1 / 27
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TA 831 - Operações Unitárias III
Transferência de Massa
Prof. Dr. Antonio José de Almeida Meirelles
PED: Paulo César Torres Mayanga
Destilação diferencial:
Produção de bebidas
alcoólicas artesanais e
óleos vegetais refinados
em batelada
- Destilação : é um processo de purificação,
onde se deseja separar compostos de
volatilidade diferente.
Fornecer calor.
Condições favoráveis a volatilização
dos compostos de interesse.
Condensação de uma corrente pura
destes compostos.
- Diferencial: analisar o processo de
destilação dividindo-o em pequenos
intervalos de tempo.
- O processo diferencial é, na verdade,
delineado como uma seqüência de
estados estacionários.
- A destilação diferencial é uma destilação
em batelada sem refluxo. O refluxo está
presente em equipamentos em batelada
com estágios.
T (ºC)
t (min)
P=cte
Destilação diferencial X Destilação contínua
Sem refluxo
Sem corrente de alimentação
Fonte de Energia Térmica
Composição do líquido x(t), fração molar
Composição do vapor y(t), fração molar
Vapor V(t), kmols/h
Líquido S (t), kmol
Destilado D(t), kmol
QB
Condensador total
Destilação
diferencial
Destilado
Condensador total
N
Destilação
Contínua
Destilado
Alimentação
Refluxo
A destilação da aguardente pode ser dividida em 3 etapas distintas:
- cabeça: corresponde a 10% do volume total de destilado. É altamente
tóxica, uma vez que um dos seus compostos é o metanol. T<78,4 ºC
- coração: De 78,4 a 100 ºC, são evaporados os compostos principais
da aguardente – álcool etílico e alguns compostos menores.
- cauda: É formada por compostos voláteis cujo ponto de ebulição é
superior a 100 ºC e apresenta um baixo teor alcoólico.
- A destilação de aguardente de cana é
multicomponente, uma vez que o mosto
fermentado é formado por uma
infinidade de compostos diferentes (já
foram identificados pelo menos 300). No
entanto, estes compostos estão
presentes em quantidades muito
pequenas.
- O Equilíbrio líquido-vapor tem um
desvio significativo da idealidade.
Multiplicando ambos os lados por dt :
S dx x dS y V dt
Si Si V i
Sabemos também que:
dS V dt
S dx x dS y dS S (^) i Si Vi Então:
Rearranjando a equação: S
dS
y x
dx
Vi S i
S i
A composição do vapor formado está relacionada à composição do
líquido por uma relação de equilíbrio.
No equilíbrio líquido-vapor, temos:
Balanço de
massa
global
vp
i i i i
y P x P
P
P y k x k
vp
i i
i i i i
onde
Vapor
V(t), yV
Liquido
S(t), xS
QB
Destilado,
yD
ki é conhecido como coeficiente de distribuição
1 o componente estámais concentradonafase líquida
1 o componente estámais concentradonafase vapor
k i
k i
x
y k
i
i
i
i
i
a é conhecido como volatilidade relativa
j j
i i
j
i ij y x
y x
k
k a
Qto > a ij , maior a facilidade de separação da mistura
Considerando uma mistura binária A e B onde a volatilidade relativa aAB é
constante , podemos expressar yA em função de aAB pela relação a seguir:
1 a - 1
a
A AB
AB A
A
x
x y
Substituindo esta expressão em:
S
dS
y x
dx
Vi S i
S i
i=A
Misturas próximas
ao comportamento
ideal B
B
A
A
A B A B
x
y
x
y
y y x x a
1 ; 1 ; AB
obtida manipulando as relações
Procedimento de cálculo:
Dada a quantidade e a composição da alimentação, dados de equilíbrio líquido-vapor para a
mistura, a taxa de vaporização V e a pressão do sistema:
- Determinar S usando a relação S(x) obtida anteriormente para decréscimos estabelecidos
em xSA.
- Calcular o tempo requerido pelo processo para concentrar a mistura de S 0 para S(t) ou
seja de xSA0 para xSA (t).
Determinar yVA (t) correspondente as concentrações xSA (t).
Determinar T pelo diagrama de equilíbrio (que relaciona T com y e x).
6) Calcular a quantidade de destilado formada e sua composição média.
Destilação diferencial
0
0 0 1
1 ln ln 1
1 exp
SA
SA
SA
SA
x
x
x
x S S a a
V
S S t t
0 - ( )
1 - 1
SA AB
AB SA VA
x
x
y
a
a
D S 0 - Sf
f
S f S
D
S S
S x S x x
A Af A
-
média
0
Destilação diferencial – Exemplo 1 de cálculo
S(t) =?
t=?
yVA(t)=?
T(t)=?
D=? e ( xDA)média após 1,5 h
Supondo uma mistura de ácidos graxos saturados (ácido cáprico C 10 H 20 O 2 e ácido
esteárico C 18 H 36 O 2 ) que se deseja separar. A carga inicial é de 25 kmols sendo
formada por 50% de cada composto. A taxa de evaporação V é constante e igual a
10 kmol/h.
Composição Inicial xA=0,50; xB=0,
Volatilidade Relativa 17,
S 0 (carga inicial) 25 kmols
V (taxa de evaporação) 10 kmol/h
Como calcular a volatilidade relativa neste caso?
- Mistura ideal ác. cáprico (1) – ác. esteárico (2)
P (T)
P (T)
y x
y x α
vp
B
vp
A
B B
A A
AB
17,67mmHg
301,29mmHg
(240 C)
(240 C)
o
o
vp
B
vp
A
P
P
aAB 17,
Vapor
V(t), yV
Kmols/h
Liquido
S(t),kmols, xS
QB
Destilado,
D, kmols ,
yD
180
190
200
210
220
230
240
250
260
270
280
290
xA, yA
T (ºC)
x
y
Decréscimo
de y
Decréscimo
de x
xA yA T(º C)
0,0000 0,0000 282,
0,0100 0,0964 280,
0,0500 0,3882 269,
0,1000 0,6061 257,
0,2000 0,8086 240,
0,3000 0,8919 229,
0,4000 0,9335 220,
0,5000 0,9574 214,
0,6000 0,9726 209,
0,7000 0,9829 205,
0,8000 0,9903 201,
0,9000 0,9958 198,
1,0000 1,0000 195,
S(t) =?
t=?
yVA(t)=?
T(t)=?
D=? e ( xDA)média após 2,46 h
Supondo um álcool alimentício que será utilizado na produção de bebidas. O
metanol é um composto indesejado e deve ter sua concentração reduzida a níveis
reduzidos. Supondo uma carga inicial de 25 kmols da mistura metanol (6%)–etanol
(94%). A taxa de evaporação V é constante e igual a 10 kmol/h. A presença de
água pode ser desconsiderada.
Destilação diferencial – 2 de cálculo
Composição Inicial xA=0,06; xB=0,
Volatilidade Relativa 1,
S 0 (carga inicial) 25 kmols
V (taxa de evaporação) 10 kmol/h
Como calcular a volatilidade relativa neste caso?
- Mistura ideal metanol(1) – etanol(2)
P (T)
P (T)
y x
y x α
vp
B
vp
A
B B
A A
AB
66608
112784
P ,
P ,
vp
B
vp
A
(75 C)
(75 C)
o
o
aAB 1 , 69
Vapor
V(t), yV
Kmols/h
Liquido
S(t),kmols, xS
QB
Destilado,
D, kmols ,
yD
Planilha de Cálculo de Destilação de Cachaça em Alambique (Mistura Etanol-Água a Pressão de 1 atm)
Cinicial (GL) 10.00 xS1i 0.0332 Dados de entrada são todos os indicados em AMARELO Autor: Antonio J. A. Meirelles
Cfinal (GL) 0.20 xS1f 0.0006 Estes dados incluem Concentrações iniciais e finais de Álcool, Discip.: Operações Unitárias III
Carga Inicial (L) 1000.00 Si (kmol) 51.63 (Etanol), o volume da carga inicial e a taxa de evaporação (V) Faculd. de Eng. de Alimentos
Cinicial (% massa) 8.08 V (kmol/h) 10.00 Resultados Principais indicados em VERMELHO UNICAMP Cfinal (%massa) (^) 0.16 N
o. (^) Passos 20 Em VERDE resultados intermediários Carga Inicial (Kg) 977.31 xSi 1.63E-
tempo (h) xS1 (t) yv1 (t) 1/(yV1-xS1) S (kmol) D*yV1(t) (kmol) xD1, medio (t) Cmédia (GL) D (kmol) D (Litros)
0.000 0.0332 0.2535 4.5391 51.63 0.0000 0.2535 52.33 0.00 0. 0.039 0.0316 0.2451 4.6829 51.24 0.0948 0.2451 51.21 0.39 10. 0.078 0.0300 0.2365 4.8431 50.84 0.0937 0.2407 50.61 0.78 21. 0.119 0.0283 0.2275 5.0224 50.44 0.0927 0.2362 49.99 1.19 32. 0.161 0.0267 0.2181 5.2242 50.02 0.0915 0.2315 49.33 1.61 44. 0.204 0.0251 0.2085 5.4531 49.58 0.0904 0.2266 48.64 2.04 55. 0.249 0.0235 0.1984 5.7145 49.13 0.0892 0.2215 47.91 2.49 67. 0.296 0.0218 0.1880 6.0158 48.66 0.0880 0.2162 47.14 2.96 79. 0.345 0.0202 0.1773 6.3667 48.18 0.0867 0.2107 46.32 3.45 91. 0.396 0.0186 0.1660 6.7803 47.66 0.0853 0.2049 45.44 3.96 104. 0.451 0.0169 0.1544 7.2745 47.12 0.0839 0.1988 44.51 4.51 117. 0.509 0.0153 0.1423 7.8753 46.54 0.0823 0.1924 43.50 5.09 131. 0.571 0.0137 0.1297 8.6207 45.92 0.0806 0.1856 42.41 5.71 145. 0.638 0.0120 0.1165 9.5696 45.24 0.0788 0.1783 41.21 6.38 160. 0.713 0.0104 0.1028 10.8175 44.50 0.0767 0.1704 39.89 7.13 177. 0.797 0.0088 0.0886 12.5312 43.66 0.0743 0.1618 38.41 7.97 195. 0.894 0.0071 0.0737 15.0298 42.69 0.0715 0.1522 36.72 8.94 215. 1.011 0.0055 0.0581 19.0098 41.52 0.0679 0.1413 34.72 10.11 239. 1.161 0.0039 0.0418 26.3385 40.01 0.0631 0.1284 32.26 11.61 269. 1.385 0.0023 0.0248 44.2958 37.77 0.0556 0.1117 28.89 13.85 312. 1.957 0.0006 0.0070 156.7971 32.06 0.0400 0.0811 22.19 19.57 416.
0
10
20
30
40
50
60
0,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,
Tempo de Destilação (horas)
Concentração (
o
GL)