Relatório Prática 8 - EQUILÍBRIO LÍQUIDO-VAPOR DO SISTEMA ETANOL ÁGUA À PRESSÃO CONSTANTE: PDF

Preview

Summary

EQUILÍBRIO LÍQUIDO-VAPOR DO SISTEMA ETANOL ÁGUA À PRESSÃO CONSTANTE: Um engenheiro químico lida, constantemente, com processos de separação, com a finalidade de separar e purificar de um componente de interesse a partir de uma mistura mais complexa. Nesse sentido, é fundamental compreender o comport...

Description

EQUILÍBRIO LÍQUIDO-VAPOR DO SISTEMA ETANOL ÁGUA À PRESSÃO CONSTANTE RESUMO: Um engenheiro químico lida, constantemente, com processos de separação, com a finalidade de separar e purificar de um componente de interesse a partir de uma mistura mais complexa. Nesse sentido, é fundamental compreender o comportamento de misturas e o equilíbrio que se estabelece entre as fases de um sistema, visando uma maior compreensão das operações unitárias envolvidas em determinados processos. PALAVRAS-CHAVE: Destilação; Equilíbrio de Fases; Fração Molar; Ponto de Bolha; Ponto de Orvalho; Termodinâmica.

1 INTRODUÇÃO

De forma geral, tem-se que as reações químicas ocorrem em larga escala no ambiente industrial. Isso, devido a frequente necessidade de obtenção de uma substância através de outras. Entretanto, os processos físicos estão dentre o intercalar de um processo químico e outro, e muitas vezes são utilizados quando se torna necessário a separação de uma ou mais substâncias que estão presentes em uma mistura de gases ou de líquidos, ou ainda, de um sistema que possua tanto gases como líquidos. Logo, devido a existência de situações que envolvam a coexistência de diferentes substâncias em diferentes fases, torna-se relevante o estudo de como essas substâncias se comportam quando as fases estão em equilíbrio, e ainda, como ocorre o fluxo de matéria de uma fase para a outra até que esse equilíbrio seja alcançado. De acordo com Smith et al. (2007), o equilíbrio líquido-vapor é dado quando há a coexistência da fase líquida com a fase vapor no sistema em estudo. Nesse caso, ou seja, quando o equilíbrio líquido-vapor é estabelecido, tem-se que a fugacidade de uma mesma espécie i igual nas fases líquida e vapor. Isso, de modo que a fugacidade da espécie i em fase vapor é dada como função do coeficiente de fugacidade da espécie i, da composição de i na

fase vapor, e ainda, da pressão do sistema. Em contrapartida, a fugacidade da espécie i em solução é uma função do coeficiente de atividade de i, da composição de i na fase liquida e da fugacidade da espécie pura i. Seguindo os conceitos de Smith et al. (2007), existem dois parâmetros importantes a serem analisados quando se diz respeito ao equilíbrio líquidovapor, sendo eles o ponto de bolha e o ponto de orvalho. O ponto de bolha é definido como o momento em que a uma determinada pressão, devido ao aumento da temperatura do liquido, a primeira bolha de gás é formada. Já o ponto de orvalho ocorre quando através da contínua redução da temperatura do sistema contendo gás, a primeira gota é formada. Dessa forma, tendo um sistema em equilíbrio liquido vapor formado por etanol e água, buscou-se obter as frações de água e etanol nas fases líquida e gás por intermédio de resultados obtidos em um experimento anterior. Além disso, procurou-se construir uma curva de ponto de orvalho levando em consideração uma equação de estado. 2 MATERIAIS E MÉTODOS

Adicionou-se 500 mL de etanol anidro no balão de três bocas, medidos na proveta e colocados na manta de aquecimento. O aquecimento foi iniciado e a água de circulação foi ligada para o condensador. Assim que foi atingida a temperatura de ebulição do líquido, retirou-se uma alíquota de 50 mL do interior do balão e 50 mL do condensado e, em seguida, adicionou-se 100 mL de água destilada para manter o volume de líquido constante no interior do balão e continuou-se com o aquecimento da nova mistura diluída em água. Assim que foi atingida a temperatura de ebulição da mistura, retirou-se uma alíquota de 50 mL do interior do balão e 50 mL do condensado e, rapidamente, foram tapadas (Figura 1), acondicionando-as em gelo por 5 minutos. Novamente foram adicionados 100 mL de água destilada e, no total, foram tomadas dez amostras de líquido em ebulição e dez amostras do condensado, acondicionando-as em um banho termostático a 20 ºC. A massa de cada uma das alíquotas foi medida pelo método do picnômetro.

Figura 1 - Alíquota tapada do líquido Para a obtenção do volume de água, fez-se necessário estabelecer uma relação entre o volume da mistura e a fração de água (Equação 1). 3 2 Vmis = −0,0254 ∗ xágua + 0,09065 ∗ xágua − 0,31146xágua + 1,24577

(1)

Em que: Vmis: volume final da solução de etanol e água [mL g -1]; Xágua: fração de água na solução []. Também foi necessário analisar a não idealidade da mistura água-etanol por meio de modelos de Gibbs em excesso. O modelo usado nesse processo foi o de Margules de dois parâmetros (Equação 2). 𝐺 𝐸 = 𝑋á𝑔𝑢𝑎 𝑋𝑒𝑡 [𝐴 + 𝐵(𝑋á𝑔𝑢𝑎 − 𝑋𝑒𝑡 )]

Em que: GE = Energia de Gibbs em Excesso [J mol -1]; A = Parâmetro da equação de Margules [J mol -1]; B = Parâmetro da equação de Margules [J mol -2]. 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO

(2)

Na Tabela 1 são apresentados os dados referentes às medidas de volume dos picnômetros usados na prática. Tabela 1 - Determinação do volume dos picnômetros usados em prática. Picnômetro

mpic (g)

mágua+pic (g)

mágua (g)

Vpic (mL)

1

18,9848

28,8384

9,8536

9,8734

2

18,7563

28,5021

9,7458

9,7654

3

18,9889

28,7039

9,715

9,7345

4

18,6343

28,9192

10,2849

10,3055

5

19,2270

28,6666

9,4396

9,4585

6

11,1709

21,3861

10,2152

10,2357

7

11,5306

21,7261

10,1955

10,2161

Legenda: mpic = massa do picnômetro; mágua+pic = massa do picnômetro cheio de água; mágua = massa de água contida no picnômetro; Vpic = volume do picnômetro. Na prática a temperatura da água e do picnômetro era 21,0 ºC, de modo que a massa específica da água utilizada no cálculo do volume do picnômetro foi de 0,997992 g mL-1, de acordo com Smith et al. (2007). Vale ressaltar que a análise de incertezas para essa prática é muito complexa, pois todos os dados serão obtidos através de regressões e ajustes. Por esse motivo, todas as incertezas foram omitidas. A Tabela 2 traz os dados referentes às temperaturas de ebulição das misturas e os volumes específicos das alíquotas do líquido e vapor retiradas.

Tabela 2 - Massas e volumes das misturas etanol e água de acordo com a fase. Líquido

Vapor

T (ºC)

Pic

mmist (g)

Vmist (ml g-1)

Pic

mmist (g)

Vmist (ml g-1)

76

1

7,8688

1,2548

3

7,7348

1,2585

77

6

8,7760

1,1663

5

7,8108

1,2110

79

2

8,8141

1,1079

7

8,5523

1,1945

81

4

9,6360

1,0695

3

8,2455

1,1806

Legenda: T = temperatura; Pic = picnômetro usado; mmist = massa da mistura água e etanol; Vmist = volume da mistura água e etanol. Utilizando a equação encontrada na prática anterior, que relaciona o volume da mistura com a fração de água (Equação 1), foi possível estimar a quantidade de água em cada uma das fases. Esses dados estão mostrados na Tabela 3. Tabela 3 - Fração molar de água em cada uma das fases. T (ºC)

Xágua

Yágua

76

0,0985

0,0706

77

0,5884

0,3770

79

0,7928

0,4620

81

0,8961

0,5271

Legenda: T = temperatura; Xágua = fração molar de água no líquido; Yágua = fração de água no vapor. Na Figura 2 tem-se os dados de temperatura e frações molares exibidos em um gráfico.

Figura 2 - Temperatura versus composição do sistema.

A análise dos dados apresentados na Figura 2 foi feita com o auxílio do software OrginPro ® 8. Com a adição de água ao sistema, observou-se que houve um aumento na temperatura de ebulição da mistura. Isso está relacionado ao fato de que a pressão de vapor da água é menor que a do etanol e, por isso, essa necessita de mais energia para entrar em ebulição. Esse é um fato importante em processos de destilação, pois quanto maior for a fração de água restante na mistura, mais energia terá que ser cedida para proceder com a separação. No estudo da não idealidade da solução líquida nas composições analisadas, foi possível determinar os parâmetros da equação de Margules de dois parâmetros. Com o auxílio do software ThermoSolver®, foi determinado que A = 12,471·T e B = 49,884·T (A e B são função da temperatura). Considerando também que a fase vapor não era ideal, foram obtidos os coeficientes de fugacidade para a água e etanol em mistura de acordo com a composição e temperatura. Utilizou-se a equação de Peng-Robinson e o software ThermoSolver®.

Tabela 4 - Coeficiente de fugacidade em mistura da água e etanol.  ∅á𝒈𝒖𝒂

 ∅𝒆𝒕𝒂𝒏𝒐𝒍

76

0,9919

0,9784

77

0,9909

0,9787

79

0,9905

0,9789

81

0,9907

0,9791

T (ºC)

 á𝑔𝑢𝑎 = coeficiente de fugacidade da água; ∅𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = Legenda: T = temperatura; ∅ coeficiente de fugacidade do etanol. Apesar da prática ter sido realizada em condições de baixas pressões (aproximadamente 1 atm), observa-se desvios da idealidade nos coeficientes encontrados (para gás ideal,  ∅ = 1). No cálculo das temperaturas de bolha e orvalho da mistura, é necessária a análise da não idealidade da mistura. Com os dados mostrados nas tabelas 3 e 4, com o auxílio de uma tabela eletrônica e da Apostila de Termodinâmica (SATO, 2017) foi possível a elaboração da Figura 3, a qual indica as curvas das temperaturas de bolha e orvalho.

Figura 3 - Curvas de ponto de bolha e orvalho para o sistema etanol e água.

Quando comparados a dados teóricos, os resultados obtidos na Figura 3 apresentam grandes desvios, evidenciando os erros cometidos em prática e até mesmo as dificuldades do método usado na obtenção desses dados. Uma curva teórica é mostrada na Figura 4.

Figura 4 - Diagrama T x y para o sistema etanol/água à pressão atmosférica, com previsões obtidas pelo modelo UNIFAC e vapor ideal. Fonte: Portal de Engenharia Química (2017). Os resultados medidos em prática afastaram-se muito dos dados teóricos. O comportamento das curvas não tem semelhanças e as temperaturas se diferem muito. Por esse motivo, mostra-se essencial a utilização de ferramentas adequadas na obtenção e no tratamento de dados termodinâmicos.

4 CONCLUSÃO

A partir do experimento realizado, foi possível analisar, em um primeiro momento, a relação existente entre a composição da mistura e sua temperatura de ebulição. Esta relação se dá de modo que, quanto maior for a

fração molar do componente de menor pressão de vapor, maior será a temperatura de ebulição da mistura, o que pode ser observado nos dados obtidos no experimento. Foi possível analisar, também, as temperaturas de bolha e de orvalho da mistura, relacionando-as com sua composição. Os dados obtidos não foram satisfatórios, uma vez que destoam consideravelmente dos valores teóricos utilizados para comparação. Este fato evidencia a ocorrência de erros experimentais e a imprecisão no método utilizado para realizar as medidas. Visando um estudo mais completo sobre o equilíbrio líquido-vapor, poderiam ter sido realizadas análises considerando a influência da natureza dos constituintes da mistura nas temperaturas de bolha e de orvalho, bem como na temperatura de ebulição da mistura. Além disso, pode-se analisar a influência da pressão sobre estes mesmos parâmetros.

REFERÊNCIAS SMITH, J. M.; VAN NESS, H. C.; ABBOTT, M. M. Introdução à Termodinâmica da Engenharia Química. 7. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2007. 625 p....