Destilação.doc - 2004

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SUMÁRIO

1. Introdução .....................................................................................................................iii

2. Revisão Bibliográfica ....................................................................................................v2.1. DESTILAÇÃO SIMPLES ....................................................................................VI

2.2. DESTILAÇÃO FRACIONADA ...........................................................................VII

2.3. DESTILAÇÃO A VÁCUO (PRESSÃO REDUZIDA) ...........................................IX

2.4. DESTILAÇÃO POR ARRASTE DE VAPOR ......................................................IX

2.5. DIAGRAMA DO PONTO DE EBULIÇÃO ...........................................................IX

2.6. LEI DE RAOULT ................................................................................................XI

2.7. EQUACIONAMENTO PARA DESTILAÇÃO DE UMA MISTURA BINÁRIA .......XI

3. Material e Métodos .....................................................................................................xiii3.1. MATERIAL .......................................................................................................XIII

3.2. MÉTODOS:.....................................................................................................XIII

4. Resultados e Discussão ...............................................................................................xiv5. Conclusão ................................................................................................................... xxi6. Bibliografia .................................................................................................................xxi

ÍNDICE DE FIGURAS

i



Figura 1: Esquema de um aparato para destilação simples...........................................4

Figura 2: Aparato para destilação fracionada..................................................................5

Figura 3: Diagrama do ponto de ebulição para mistura benzeno – tolueno....................7

Figura 4: Aparato Experimental de Destilação..............................................................11

Figura 5: Diagrama de fases para benzeno..................................................................12

Figura 6: Temperatura em função das frações molares teóricas do benzeno..............13

Figura 7: Temperatura em função do tempo de destilação...........................................15

Figura 8: Frações molares do benzeno nas fases líquido e vapor em função do

tempo.............................................................................................................................15

Figura 9: 1/(YA-XA) em função de XA.............................................................................16

INDICE DE TABELAS

Tabela 1: Propriedades físicas, volume molar e volume utilizado de benzeno e

tolueno...........................................................................................................................12

Tabela 2: Valores teóricos utilizados para a elaboração do diagrama de fases...........12

Tabela 3: Frações molares do benzeno no topo e no fundo da coluna........................13

Tabela 4: Frações liquida e de vapor do tolueno..........................................................14

Tabela 5 - Valores utilizados para a calibração do picnômetro.....................................18

Tabela 6 - Resultados da massa específica do destilado e do resíduo.......................18

LEGENDA:

ii



XA: Fração molar da fase liquida do benzeno;

YA: Fração molar da fase vapor do benzeno;

XB: Fração molar da fase liquida do tolueno;

YB: Fração molar da fase liquida do tolueno;

ρ dest: massa especifica do tolueno em g/cm3;

ρ A: massa específica teórica do benzeno em g/cm3;

ρ B: massa específica teórica do tolueno em g/cm3;

mdest: massa do tolueno em g;

Vpic: volume do picnometro em cm3;

L1: fração em gmol da mistura alimentada inicialmente;

L2: fração em gmol restante no fundo;

1. Introdução

iii



A destilação é o processo de separação de dois líquidos, com diferentes pontos

de ebulição, envolvendo duas etapas, a de evaporação e a de condensação. Este tipo

de extração visa separar os componentes de uma fase líquida através de sua

vaporização parcial. Os vapores produzidos são normalmente mais ricos nos

componentes mais voláteis do que o líquido, o que possibilita a separação de frações

enriquecidas nos componentes desejados. O grau de enriquecimento pode ser pré-

fixado.

Embora a destilação seja esporadicamente considerada como operação para

se remover materiais voláteis encontrados em certos sólidos, o termo destilação é

normalmente indicado para as operações que visam separar os componentes de

misturas líquidas.

De um modo geral as destilações na prática industrial englobam misturas

multicomponentes, porém a compreensão dos princípios da destilação de misturas

binárias é praticamente importante sob o ponto de vista didático, pois ela constitui a

base de operações mais complexas. Assim, percebe-se a importância e a necessidade

de focalizar-se principalmente as misturas binárias como processo básico de

destilação.

Uma grande vantagem da destilação está em que não se precisa adicionar

nenhuma substância para efetivar a separação, pois muitos outros processos de

separação requerem a adição de outro componente que deverá ser removido numa

etapa posterior do processo separativo. A temperatura e o volume dos materiais em

ebulição dependem da pressão. As pressões elevadas podem ser usadas para

diminuir os volumes ou aumentar as temperaturas a fim de facilitar a condensação;

pode ser que se precisem de pressões baixas para abaixar o ponto de ebulição além

do ponto de decomposição térmica.

As aplicações da destilação têm a mais ampla diversidade. O oxigênio puro,

usado na fabricação do aço, nos foguetes e nas aplicações médicas, é produzido pela

destilação do ar que foi previamente liquefeito. O petróleo cru, é separado inicialmenteem diversas frações, os óleos em grandes colunas de destilação. Estas frações são

processadas posteriormente em produtos acabados e a destilação é freqüentemente

utilizada nas etapas intermediárias da obtenção dos produtos finais.

Os objetivos dessa prática foram a separação de dois componentes (benzeno e

tolueno) de uma mistura binária por destilação simples com uso de uma coluna de

fracionamento; encontrar as frações líquidas e de vapor destes componentes no

destilado, utilizando para isto as temperaturas no topo e no fundo da coluna de

destilação, com auxílio do diagrama de fase, como também encontrar estas fraçõespor meio da picnometria.

iv



2. Revisão Bibliográfica

Fundamentalmente a destilação se baseia na transferência de massa entreuma fase líquida e uma fase vapor. O requisito básico que se deve cumprir para a

separação de componentes por destilação é que a composição do vapor seja diferente

da composição do líquido com o qual está em equilíbrio. Se a composição do vapor for

a mesma que a do líquido, o processo de destilação não efetuará a separação.

O equipamento utilizado na destilação é basicamente o mesmo que se

emprega nas outras operações de transferência de massa como extração líquido-

líquido, umidificação e desumidificação. Em casos mais simples, o destilador é um

tanque aquecido, cuja saída coincide em um condensador, mas geralmente na

indústria, são utilizadas colunas de destilação que podem ser de pratos ou recheios.

Para o dimensionamento ideal de um equipamento de destilação, inúmeros

fatores são determinantes, como por exemplo os dados de velocidade no interior do

equipamento, no caso da destilação estes dados servem para obter o número de

estágios reais a partir do número de estágios teóricos, numa coluna de placas ou

bandejas, indicando o número de placas reais e no caso de uma coluna de

enchimento, é a própria altura do recheio.

As operações de destilação realizam-se em estágios, nos quais duas correntes

(um líquido e um vapor), entram em contato para produzir duas outras correntes, cujas

composições diferem das originais. De um modo geral o vapor que sai de um estágio

acha-se enriquecido nos componentes mais voláteis. O líquido, por sua vez sai com

menor quantidade de voláteis do que o líquido alimentado.

Nas operações ideais, os diversos estágios são teóricos ou de equilíbrio, isto é,

as duas correntes que deixam o estágio, estão em equilíbrio.

Como a separação dos constituintes está baseada nas diferenças de

volatilidade, uma fase vapor entra em contato com uma fase líquida e há transferência

de massa do líquido para o vapor e deste para aquele. O líquido e o vapor contêm, em

geral, os mesmos componentes, mas em quantidades relativas diferentes. O líquido

está em seu ponto de bolha e o vapor em equilíbrio, no seu ponto de orvalho. Há

transferência simultânea de massa do líquido pela vaporização, e do vapor pela

condensação. O efeito final é o aumento da concentração do componente mais volátil

no vapor e do componente menos volátil no líquido. A vaporização e a condensação

envolvem os calores latentes de vaporização dos componentes, e os efeitos térmicosdevem, por isso, entrar nos cálculos de destilação. Numa solução ideal (por exemplo,

v



uma solução de benzeno e tolueno), a volatilidade pode ser relacionada diretamente à

pressão dos componentes puros. Nas soluções não-ideais (por exemplo, uma mistura

de etanol e água), não existe uma relação simples. A destilação é amplamente usada

para separar misturas líquidas de componentes mais ou menos puros. Em virtude da

destilação envolver a vaporização e a condensação da mistura, são necessárias

grandes quantidades de energia.

Dentre as técnicas de separação, a destilação é a mais importante e mais

utilizada para a purificação de líquidos. Quatro são os processos fundamentais de

destilação: destilação simples, destilação fracionada, destilação a vácuo (pressão

reduzida) e destilação por arraste de vapor.

2.1. DESTILAÇÃO SIMPLES

É um processo que permite a separação de um líquido de uma substância não

volátil, ou de outros líquidos que possuem uma diferença no ponto de ebulição

aproximadamente maior do que 80ºC. É um método rápido de destilação, e deve ser

usado sempre que possível, além de ser uma técnica rápida, fácil e, se respeitado

seus limites, eficaz.

A solução a ser destilada é aquecida no balão de destilação. Aumentando-se a

temperatura da solução, esta chega a ebulição, e o vapor é forçado a passar pelo

condensador. Dentro do balão são adicionadas algumas pedrinhas de porcelana, que,

devido à alta porosidade fornecem uma grande superfície de contado para as

microbolhas que se formam na solução, controlando-as, evitando um excesso de

turbulência na ebulição. Se a destilação for de líquidos inflamáveis deve-se aquecer o

balão com um banho de vapor ou com uma manta elétrica.

O 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. O líquido é, então, recolhido no recipiente. Este líquido é

chamado destilado, e o líquido remanescente no balão é chamado resíduo de

destilação. Neste resíduo é que ficam as substâncias não voláteis.

Quando um líquido é aquecido, a formação de bolhas de vapor é facilitada pela

presença de ar dissolvido no líquido ou ar que tenha aderido ao vidro devido a

irregularidades, existentes na sua superfície.

As bolhas de ar servem de núcleo para a formação de bolhas maiores de

vapor, no ponto de ebulição, o líquido cederá vapor em quantidades relativamente

vi



grandes às bolhas de ar, fazendo-as aumentar de tamanho, até que finalmente sejam

expelidas.

Se houver uma fonte de bolhas de ar ou outros núcleos, no líquido, a ebulição

processar-se-á regularmente. Se, no entanto, o liquido não tiver praticamente ar

dissolvido e se as paredes do balão estiverem limpas e muito lisas, as bolhas de vapor

formar-se-ão com maior dificuldade e a temperatura do líquido poderá elevar-se

apreciavelmente acima do ponto de ebulição; diz-se então que o líquido está

sobreaquecido.

Quando nestas condições se forma uma bolha de vapor, esta aumenta

rapidamente de volume e liberta-se violentamente porque a tensão de vapor é então

muito superior à soma da pressão externa com a pressão hidrostática. O líquido não

"ferve" regularmente, e diz-se que a ebulição é tumultuosa.

A separação é tanto mais fácil quanto maiores forem as diferenças de

volatilidade dos diferentes componentes da mistura. É ainda possível a separação de

misturas cujos componentes tenham pontos de ebulição que difiram de 30 a 80 ºC por

meio de sucessivas destilações simples, em que se vão redestilando distintas frações

do destilado.

Na figura 1 pode-se observar a montagem de um equipamento para destilação

simples, constituído de condensador, balão de destilação, recipiente coletor

(erlenmeyer), termômetro, sistema de entrada e saída de água.

Figura 1: Esquema de um aparato para destilação simples

2.2. DESTILAÇÃO FRACIONADA

vii



É empregada quando a diferença entre os pontos de ebulição dos líquidos da

mistura é menor do que 80ºC. Um aparelho mais sofisticado e um pouco mais de

tempo são necessários.

A principal diferença no aparelho de destilação fracionada é a presença de uma

coluna de fracionamento. O objetivo desta coluna é criar várias regiões de equilíbrio

líquido-vapor, enriquecendo a fração do componente mais volátil da mistura na fase de

vapor, proporcionando uma grande superfície para que se realizem trocas de calor

entre os vapores ascendentes e o condensado descendente.

Quando o condensado em algum ponto da coluna recebe calor do vapor

ascendente, parte evapora-se de novo e o vapor formado é mais rico no componente

mais volátil. Simultaneamente quando o vapor cede calor ao condensado, parte do

mesmo condensa-se, sendo este condensado mais rico no componente de ponto de

ebulição mais elevado do que o vapor com o qual está em equilíbrio.

Quando este processo se repete muitas vezes, acaba-se produzindo vapor

puro do componente de menor ponto de ebulição, o qual passa através da tubulação

lateral para o refrigerante. O resíduo que fica no balão de destilação vai enriquecendo-

se no componente de maior ponto de ebulição.

Quando todo o componente de menor ponto de ebulição se separou da

mistura, a temperatura dos vapores que destilam eleva-se até o ponto de ebulição do

componente menos volátil.

Nas colunas de recheio o líquido e o vapor passam através de um enchimento

inerte, como anéis de Raschig, selas Berl, anéis Pall ou recheios estruturados, cuja

função é promover o contato eficiente das fases.

Figura 2: Aparato para destilação fracionada

viii



2.3. DESTILAÇÃO A VÁCUO (PRESSÃO REDUZIDA)

Muitas substâncias não se podem purificar por destilação à pressão normal,

porque se decompõem abaixo dos seus pontos de ebulição normais, enquanto outras

possuem pontos de ebulição tais que sua destilação é difícil. Freqüentemente, tais

líquidos ou sólidos podem destilar-se a pressão reduzida.

Um líquido começa a “ferver” à temperatura para a qual a sua tensão de vapor

se torna igual à pressão exterior. Portanto ao diminuir-se a pressão exterior o ponto de

ebulição do líquido diminui. A destilação a pressão inferior à atmosférica tem o nome

de destilação a pressão reduzida, e deste modo tem-se como destilar a maioria dos

líquidos orgânicos e muitos sólidos.

2.4. DESTILAÇÃO POR ARRASTE DE VAPOR

Às vezes, recorre-se a este tipo de destilação, para isolamento e purificação de

substâncias. Esta destilação é aplicável a líquidos, que geralmente são considerados

completamente imiscíveis ou que são miscíveis apenas em pequeno grau. Se uma

mistura de dois líquidos imiscíveis for destilada, o ponto de ebulição será a

temperatura à qual a soma das pressões de vapor é igual à atmosférica. Esta

temperatura será menor que o ponto de ebulição do componente mais volátil.

2.5. DIAGRAMA DO PONTO DE EBULIÇÃO

A separação de uma mistura binária por destilação pode ser representada em

um gráfico de duas dimensões, sendo que para a separação de misturas de

multicomponentes, é necessário que o gráfico seja n-dimensional.

Geralmente as relações de equilíbrio líquido-vapor para misturas binárias de

um composto A e B são expressas em um diagrama de ponto de ebulição, como

mostrado na figura 3. Esta figura representa as relações entre os pontos de ebulição

(aproximadamente 80ºC e 110ºC para benzeno e tolueno, respectivamente) e

composições de equilíbrio a pressão constante de todas as misturas do líquido, para

um sistema benzeno-tolueno. Em tal diagrama, as temperaturas são plotadas como

ordenadas e as composições como abscissas, sendo considerada a composição do

vapor como y e a composição do líquido como x.

ix



A linha superior é denominada linha de vapor saturado, e a inferior de líquido

saturado. A região onde as duas fases coexistem é a região situada entre as duas

linhas. Na figura 3, ao se começar com uma mistura de líquido frio com xA1 = 0,318 e

aquecer a mistura, esta começará a ferver a T1 = 98ºC e a composição do primeiro

vapor em equilíbrio será yA1 = 0,532. Ao se continuar fervendo, a composição xA se

moverá para esquerda desde que yA seja rico no componente A (no caso, o benzeno).

Figura 3: Diagrama do ponto de ebulição para mistura benzeno – tolueno

O diagrama do ponto de ebulição é típico para sistemas ideais que seguem a

Lei de Raoult como sistemas benzeno-tolueno, hexano-heptano e álcool etílico-álcool

metílico. Estas substâncias são geralmente similares umas em relação às outras.

Se um sistema líquido-vapor é considerado, onde a corrente V 2 é de vapor e L0

de líquido, sendo que as duas correntes estão em contato em um único estágio de

equilíbrio, o ponto de ebulição ou o diagrama de equilíbrio xy devem ser usados, pois

uma relação de equilíbrio similar a Lei de Henry não está disponível. Se os calores

sensíveis são pequenos e os latentes de ambos compostos (A e B) são iguais, então

quando 1 mol de A condensa, 1 mol de B evapora. Assim, o número total de moles de

vapor V2 entrando será igual a V1 saindo. Tem-se ainda que os moles de L0 = L1 e para

composição equimolar, V1 = V2.

Pelo balanço de massa do componente A, pode-se obter a fração molar de

vapor do composto A, quando se tiver conhecidos os valores das frações molares

líquidas através do diagrama de equilíbrio e os moles de entrada e saída:11112200 A A A A yV x L yV x L +=+ (1)

x



2.6. LEI DE RAOULT

O sistema benzeno-tolueno segue a Lei de Raoult, uma lei ideal que pode ser

definida para sistemas em equilíbrio líquido-vapor. Esta lei se aplica a poucas misturas

para todas as concentrações possíveis, estabelece que, para qualquer temperatura

constante, a pressão parcial de um componente de uma mistura é igual a fração molar

desse componente multiplicada pela sua pressão de vapor no estado puro a esta

temperatura. De acordo com esta lei, a pressão parcial do componente varia

linearmente de zero até a pressão de vapor completa enquanto sua fração molar varia

de zero a um, onde P1 é a pressão do componente mais volátil e P10 é a pressão de

vapor do componente puro a mesma temperatura.

X P P 0

11 = (2)Sabendo-se que em um estado de equilíbrio as relações independentes abaixo

são válidas, chega-se a Equação 3, onde P2 é a pressão do componente menos volátil

e P20 é a pressão de vapor do componente puro a mesma temperatura.

A A A x P y P =.

B B B x P y P =.

1=+ B A y y

1=+ B A x x

( ) X P P −= 10

22(3)

Se P representa a pressão total,

( )

X P

P

X P X P

X P P P P

T

0

1

0

2

0

1

0

1

21

1=

−+

=+= (4)

2.7. EQUACIONAMENTO PARA DESTILAÇÃO DE UMA MISTURA BINÁRIA

Na destilação de uma mistura binária, esta é fervida lentamente e os vapores

são recolhidos o mais rapidamente possível a um condensador, onde o condensado

ou destilado é coletado. A primeira porção de condensado recolhido é a mais rica no

componente mais volátil, denominado de componente “A”. À medida que a destilaçãoprossegue, o condensado torna-se menos rico de “A”.

xi



Originalmente, tem-se uma quantidade L1 mols de “A” e “B” com uma fração

molar líquida x1 de “A”. Em qualquer tempo, tem-se L mols de “A” com composição x,

gerando um vapor com composição y de “A”. Uma quantidade diferencial dL é

vaporizada. Para derivar uma equação que represente o processo, um balanço

material é feito para o componente “A”. A composição do líquido varia de x à (x – dx) e

a quantidade de líquido de L a (L – dL). O balanço material é escrito para “A”

igualando-se a quantidade original à quantidade restante no líquido mais a quantidade

vaporizada.

( )( ) ydLdL Ldx x xL +−−= (5)

Rearranjando a Equação 5, obtém-se:

x y

dx

L

dL

−

= (6)

Integrando a Equação 6, obtém-se a Equação 7, onde L1 é o número de moles

iniciais antes da destilação, L2 é o número de moles remanescentes, x1 e x2 são as

composições original e final do líquido, respectivamente. A integração da equação 7

pode ser feita graficamente pela plotagem de [1/(y – x)] em função de x, tomando-se a

área entre x1 e x2. A curva de equilíbrio da mistura (dados de temperatura e

composição do componente mais volátil no líquido e no vapor) fornece a relação entre

y e x.

∫ ∫ −==

1

2

1

22

1ln

x

x

L

Lx y

dx

L

L

L

dL(7)

A composição média (yav) de todo material destilado pode ser obtida pelo

balanço de massa, conforme Equação 8.

( )av y L L x L x L

212211−+= (8)

Para a determinação dos volumes de benzeno e tolueno utilizados na mistura

são necessários alguns dados teóricos destes componentes, como massa específica

(ρ ) e peso molecular (PM), para ser calculado o volume molar (VM), conformeEquação 9.

xii



ρ

PM VM = (9)

3. Material e Métodos

3.1. MATERIAL

− Balão de destilação;

− Mistura de benzeno e tolueno;

− Coluna de destilação;

− Recheio para a coluna de destilação;

− Isolamento para a coluna de destilação;

− Condensador de bolas;

− Proveta;

− Termômetros de mercúrio;

− Manta térmica;

− Picnômetro;

− Balança digital.

3.2. MÉTODOS:

Foi preparado uma mistura binária equimolar contendo 91 mL de benzeno e

109 mL de tolueno, resultando em um volume total de 200 mL. Esta mistura foi

colocada em um balão de destilação e este acoplado na coluna de destilação.

Após, ligou-se a manta elétrica, para aquecimento do balão e a água decirculação, aguardando até a mistura entrar em ebulição, anotando a temperatura da

mistura neste momento. Fixou-se uma vazão de 3 gotas de líquido refluxado para 1

gota de líquido destilado, anotando-se, com o auxílio de termômetros de mercúrio, as

temperaturas de topo e de fundo da coluna de destilação, com intervalos de tempo de

5 minutos. Esta vazão foi controlada com o auxílio de uma válvula localizada no tubo

de saída de destilado. No final da operação, que teve duração de 40 minutos, foi

recolhido, na proveta, e medido o volume de destilado. Foi medido também o volume

do resíduo, que permaneceu no balão.

xiii



Foi realizado um ensaio de picnometria, onde primeiramente foi calibrado o

picnômetro e em seguida foram anotados os pesos do picnômetro com benzeno e com

tolueno, a fim de calcular a massa específica do destilado e do resíduo, para posterior

cálculo das frações de líquido e de vapor do benzeno e tolueno.

Figura 4: Aparato Experimental de Destilação

4. Resultados e Discussão

Na Tabela 1 estão apresentados os dados utilizados para o cálculo do volume

molar de benzeno e tolueno e o volume ocupado por cada elemento na mistura.

Tabela 1: Propriedades físicas, volume molar e volume utilizado de benzeno e

tolueno

T ebulição

(°C)

PM

(g/mol)

ρ

(g/cm3)

VM

(cm3/mol)

Volume

(cm3)

Benzeno 80,1 78,11 0,879 88,86 91,03Tolueno 110,8 92,13 0,866 106,39 108,97Mistura 195,25 200,00

Na Tabela 2 estão apresentados os valores teóricos das frações molares do

benzeno nas fases líquida e vapor.

xiv



Tabela 2: Valores teóricos utilizados para a elaboração do diagrama de fases

Temperatura (ºC) XA YA

80,1 1,000 1,00085 0,780 0,900

90 0,581 0,77095 0,411 0,632100 0,258 0,456105 0,130 0,261

110,6 0 0Fonte: Geankoplis, 1993

Figura 5: Diagrama de fases para benzeno

xv

X a ( L )

Y a ( R )0 , 0 0 0 , 2 0 0 , 4 0 0 , 6 0 0 , 8 0 1 , 0 0

F r a ç õ e s m o l a r e s n a s f a s e s l í q u i d a s e v a p o r

0 , 0 0 0 , 2 0 0 , 4 0 0 , 6 0 0 , 8 0 1 , 0 0

7 5

8 0

8 5

9 0

9 5

1 0 0

1 0 5

1 1 0

1 1 5

º T



Figura 6: Temperatura em função das frações molares teóricas do benzeno

Na Tabela 3 são mostrados os valores das temperaturas no fundo e no topo da

coluna de destilação, encontradas durante os 40 minutos de destilação; e os valores

das frações molares da fase liquida e da fase vapor do benzeno.

Tabela 3: Frações molares do benzeno no topo e no fundo da coluna

Tempo (min)Temperatura

no fundo (ºC)XA

Temperatura

no topo (ºC)YA

0 97 0,35 78 15 98 0,32 81 0,98

10 100 0,26 83 0,9415 102 0,21 85 0,920 104 0,16 85 0,925 106 0,11 87 0,8530 107 0,08 90 0,7735 108 0,06 92 0,7140 109 0,04 93 0,69

Média 103,444 0,177 86 0,86Fonte: Aula Prática de Operações Unitárias

Utilizando os valores das frações liquida e de vapor do benzeno (tabela 3), por

diferença calculou-se as frações do tolueno (tabela 4):

xvi

X a = 3 , 5 5 3 3 - 0 , 0 3 2 6 * x

Y a = 3 , 6 6 6 8 - 0 , 0 3 2 5 * x

0 , 0 0 , 2 0 , 4 0 , 6 0 , 8 1 , 0 1 , 2 1 , 4 1 , 6 1 , 8 2 , 0

F r a ç õ e s m o l a r e s t e ó r i c a s d a f a s e l i q u i d a e d e v a p o r d o b e n z e n o

7 5

8 0

8 5

9 0

9 5

1 0 0

1 0 5

1 1 0

1 1 5

T e m p e r a t u r a ( º C )

X a ( L )

Y a ( R )



Tabela 4: Frações liquida e de vapor do tolueno

Fonte: Aula prática de operações unitárias

Com os valores da tabela 3, calculou-se as médias das frações de benzeno no

topo e no fundo da coluna de destilação, sendo YA = 0 ,86 e XA = 0,17,

respectivamente. Utilizando as temperaturas médias de 103,45ºC no fundo e 86ºC no

topo, calculou-se as frações encontrado-se YA = 0,87 e XA = 0,17. Observa-se que

para ambos os métodos os resultados são parecidos.

A figura 7 apresenta as temperaturas do fundo e do topo da coluna de

destilação em função do tempo para o benzeno e a figura 8 refere-se as frações

molares do benzeno na fase líquida e vapor em função do tempo.

Figura 7: Temperatura em função do tempo de destilação

Figura 8: Frações molares do benzeno nas fases líquido e vapor em função do tempo

xvii

XB YB

0,65 0

0,68 0,02

0,74 0,060,79 0,1

0,84 0,1

0,89 0,15

0,92 0,23

0,94 0,29

0,96 0,31

T F u n d o = 1 0 2 , 0 8 1 2 + 0 , 0 3 9 7 * x

T T o p o = 8 1 , 3 3 0 9 + 0 , 2 1 8 8 * x

0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0

T e m p o

7 5

8 0

8 5

9 0

9 5

1 0 0

1 0 5

1 1 0

1 1 5

º T

F u n d o e T o p o ( º C )

T F u n d o

T T o p o

F L = 0 , 3 4 2 - 0 , 0 0 8 3 * x

F V = 1 , 0 2 2 7 - 0 , 0 0 8 1 * x

0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5

T e m p o ( m i n )

0 , 0

0 , 1

0 , 2

0 , 3

0 , 4

0 , 5

0 , 6

0 , 7

0 , 8

0 , 9

1 , 0

1 , 1

1 , 2

1 , 3

1 , 4

1 , 5

F r a ç õ e s L i q u í d a e d e

V a p o r d o B e n z e n o

F L

F V



Na figura 7, pode ser observado que com o passar do tempo, a temperatura

tende a aumentar. O benzeno, que é o componente mais volátil (possui ponto de

ebulição menor que o tolueno, em torno de 80ºC) vaporiza-se primeiro, em quantidade

maior que o tolueno, o que torna o vapor gerado mais rico em benzeno do que o

líquido original. A temperatura aumenta até atingir a temperatura de ebulição do

tolueno que é aproximadamente 110ºC. Já na figura 8 observa-se que as frações

molares diminuem ao decorrer do tempo.

A figura 9 foi obtida através do inverso da diferença entre as frações molares

de benzeno no estado vapor e líquido em função da fração molar de líquido.

Figura 9: 1/(YA-XA) em função de XA

A equação obtida foi: 1/YA-XA = 1,4463+0,1166*x.

A equação encontrada é substituída na equação 7 , resolvida e por fim obtida a

área total, estimada em 0,453.

Com o valor de L1 e da área estimada através da figura 8 (0,453), encontrou-se

o valor de L2 (equação 7), que representa a quantidade em mols de mistura líquida

restante no balão de destilação.

xviii

1 / ( Y A - X A ) = 1 , 4 4 6 3 + 0 , 1 1 6 6 * x

0 , 0 0 0 , 0 5 0 , 1 0 0 , 1 5 0 , 2 0 0 , 2 5 0 , 3 0 0 , 3 5 0 , 4 0

X A

1 , 3 2

1 , 3 4

1 , 3 6

1 , 3 8

1 , 4 0

1 , 4 2

1 , 4 4

1 , 4 6

1 , 4 8

1 , 5 0

1 , 5 2

1 , 5 4

1 , 5 6

1 / ( Y A - X A )



L1 V

mbenzeno =ρ

m = 79,989g

021== ,º

M

mmolesn

V

mtolueno =ρ

m = 93,74g

021== ,ºM

mmolesn

área L

L=

2

1ln

L2 = 1,296

Através da equação 8 foi feito um balanço de massa para obter a composição

média do material destilado YaV.

aV Y L L X L X L )( −+=

2,04x0,5 = 1,296x0,177+(2,04 – 1,296)YA

YA = 1,06

A fração do destilado está muito alta, pois o que queríamos era uma fração

próxima de 0,5 ou menor. Este resultado de YA = 1,11 pode significar que pelo fato da

temperatura ter subido muito rapidamente durante a prática, o tolueno pode estar

presente.

Com o valor de XA, que é a média das frações molares de líquido, retirado da

tabela 3 e L2, calculou-se NA, que é a quantidade de benzeno que restou no balão. A

quantidade de moles de benzeno no início é expresso por NA0.

NA = L2 . XA = 1,296 . 0,177 = 0,229 mols

NA0 = L1 / 2 = 1,02 mols

O rendimento do processo de destilação, pode então ser determinado:

Rendimento = 100

0

0 x N

N N

A

A A

−= 77,51%

Portanto, houve 77,51% de remoção de benzeno original, para um tempo de

destilação de 40 minutos, o que representa um bom rendimento.

xix

L1 = 1,02405 + 1,01747 = 2,041



Foram calculadas as massas específicas para o destilado e resíduo através da

calibração do picnômetro com água. Dividiu-se tanto a massa de destilado quanto de

resíduo pelo volume de água no picnômetro à temperatura ambiente.

As tabelas 5 e 6 apresentam os resultados obtidos por picnometria.

Tabela 5 - Valores utilizados para a calibração do picnômetro

Tabela 6 - Resultados da massa específica do destilado e do resíduo

A composição molar do benzeno pelo método de picnometria pode ser

calculado utilizando-se as massas específicas do destilado e do resíduo como mostra

na tabela 6.Determinação experimental da composição do destilado:

( )

B

A

A

A

destilado

X X

ρ ρ ρ

−+=11

8660

1+

8790=

8580

1

,,,

A A X X

XA (destilado) = 0,647

xx

Destilado Residuo

Volume (mL) 76 106

Volume do pic (mL) 13,70 13,70

m pic (g) 17,56 17,56m pic+amost (g) 29,34 28,63

m amost (g) 11,78 11,07

ρda solç (g/mL) 0,85985 0,80803

m pic (g) 17,56

m pic+água (g) 31,26

m água (g) 13,7

ρágua a 20ºC 0,99823Volume do pic (mL) 13,72



XA (resíduo) = 1- XA (destilado) = 0,353

Pode-se comparar as frações molares de benzeno na fase líquida do destilado

(XA = 0,647) determinadas por picnometria com as obtidas por métodos gráficos (XA =

0,177). Dessa forma, observa-se que por picnometria há maior precisão, uma vez que

a mistura era equimolar (0,5 mols) o que não ocorreu pelos métodos gráficos,

apresentando fração menor.

5. Conclusão

Observou-se na separação de uma mistura líquida binária (benzeno-tolueno)

por meio da destilação, que no fundo a mistura ficou mais rica no menos volátil

(tolueno) e mais pobre no mais volátil (benzeno). A obtenção das frações molares por

picnometria apresentou maior precisão do que por métodos gráficos, utilizando o

diagrama de fases.

6. Bibliografia

BENNETT, C. O.; MYERS, J. E.; Fenômenos de Transporte. Quantidade de

Movimento, Calor e Massa; Ed.McGraw-Hill; São Paulo; SP; 1978.

FOUST, A.; WENZEL, L.; CLUMP, C.; MAUS, L.; ANDERSEN, L.; Princípios

das Operações Unitárias. 2ª edição; Editora LTC; Rio de Janeiro.

GEANKOPLIS, C. J.; Transport Process and Unit Operations; 3ª edition; Ed.

Prentice Hall International Editions; 1993.

INCROPERA, P. F.; DEWITT, P. D.; Fundamentos de Transferência de calor e

de massa; 4ª Ed. Livros Técnicos e Científicos; 1980.

PERRY, R.; GREEN, D.; Perry’s Chemical Engineering Handbook. 6ª edição;

Editora McGraw Hill; 1984.

GOMIDE R.; Operações Unitárias – Separações Mecânicas 3ºvol, Edição do

Autor, São Paulo, SP, 1980.

xxi

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