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Trabalho TMC: Coeficientes de transferncia de massa em colunas de enchimento

Resumo e objetivos O objectivo deste trabalho determinar experimentalmente os coeficientes de transferncia de massa por conveco numa coluna de enchimento, para a destilao a refluxo total da mistura ciclohexano(1)n-heptano(2). A partir das temperaturas do topo e cauda da coluna calculam-se as composies das correntes entrada e sada; os caudais calculam-se a partir da potncia da manta de aquecimento. Os coeficientes de transferncia de massa determinam-se recorrendo equao de projeto e lei de combinao de resistncias para transferncia interfacial de massa.

1 - Introduo

A transferncia de massa em contracorrente em colunas de enchimento a base de um grande nmero de processos de separao como, por exemplo, absoro, extrao lquido-lquido e destilao. O enchimento pretende criar uma elevada rea interfacial de contacto entre ambas as fases. No caso em estudo, dispe-se de uma coluna com esferas de vidro para destilar a mistura ciclo-hexano)n-heptano(2).

A eficincia de colunas de enchimento mede-se atravs da altura equivalente a um prato terico (HETP) ou da altura de uma unidade de transferncia (HTU). Neste trabalho adota-se a segunda abordagem, porque envolve explicitamente os coeficientes peliculares e globais de transferncia de massa que se pretendem determinar.

A equao de projeto para colunas de enchimento toma diferentes aspetos, consoante a fora diretriz usada. Escolhendo-se a fora diretriz pelicular do gs ( )yyi , ela escreve-se como

==

2

1

y

yi

o

yGG yy

dyaSk

VNHz . (1)

Coeficientes de transferncia de massa em colunas de enchimento

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Nesta equao, z a altura do enchimento, GH a altura da unidade de transferncia

do gs, GN o nmero de unidades de transferncia do gs, V o caudal molar do gs

na coluna, oyk o coeficiente pelicular de transferncia de massa do gs em

contradifuso equimolecular, a a rea interfacial por unidade de volume da coluna, S

a rea de seco reta da coluna, y a frao de soluto no gs, e os ndices i1,2,

identificam as condies entrada da coluna, sada da coluna e na interface.

Alternativamente, se se usar a fora diretriz global ( )yy * , representada pelo ndice OG , a equao de projeto :

==

2

1 *

y

yoy

OGOG yydy

aSKVNHz , (2)

onde oyK o coeficiente global de transferncia de massa do gs em contradifuso

equimolecular e *y a composio de equilbrio com o lquido em cada ponto da torre.

A relao existente entre os vrios coeficientes de transferncia de massa aparece usualmente como lei de combinao de resistncias. No caso de contradifuso equimolecular so:

akm

akaK oxoyoy+=

11. (3)

aKm

aK oxo

y

=

1 (4)

onde m representa o declive da linha de equilbrio, bmxy +=* , (no caso de uma destilao, m ser o declive local). oxK e oxk so, analogamente, os coeficientes global e pelicular em termos da fase lquida.

Neste trabalho laboratorial, a destilao da mistura ciclohexanon-heptano vai ser realizada a refluxo total. Efetuando-se um balano material coluna, conclui-se que os caudais de lquido e vapor so iguais, assim como as composies do lquido e vapor que se cruzam em cada ponto da coluna.

Os caudais molares podem ser calculados a partir da potncia da manta de aquecimento

e da entalpia molar de vaporizao da mistura ( )12,vH :

Coeficientes de transferncia de massa em colunas de enchimento

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v,12Hmanta da Potncia

=V

(5)

Admitindo que a mistura ideal, so apenas necessrios os calores latentes de vaporizao dos componentes puros temperatura do balo. Dispondo-se de um valor

tabelado a uma temperatura 1T , (por exemplo, a temperatura normal de ebulio), a entalpia molar de vaporizao a uma temperatura 2T pode ser prevista pela relao de

Watson (Reid et al., 1988),

38.0

1

21,2, 1

1

=c

cvv TT

TTHH , (6)

onde cT representa a temperatura crtica do componente em questo. Na ausncia de

valores experimentais, pode usar-se a equao de Riedel (Reid et al., 1988) para estimar a entalpia de vaporizao temperatura normal de ebulio.

As composies entrada e sada da coluna, 1y e 2y , podem ser obtidas a partir das

temperaturas de ebulio e condensao lidas nos termmetros. Na Tabela 1 esto as constantes necessrias para o clculo das temperaturas de ebulio e orvalho do sistema

ciclohexanon-heptano.

Tabela 1 Parmetros para o sistema ciclohexanon-heptano (Sieg, 1950).

Componente Equao de Antoine:

3

21 )(ln aKT

aa

PP

critica ++=

a1 a2 a3

ciclohexano 5.473055 -2794.585 -49.1085

n-heptano 5.986270 -2932.723 -55.6356

Constantes da Eq. Margules

0563.012 =A 0938.021 =A

Coeficientes de transferncia de massa em colunas de enchimento

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2 - Procedimento Experimental

1 Ligar lentamente a gua do condensador.

2 Fechar a vlvula do divisor de fluxo instalado no topo da coluna. A experincia vai ser realizada a refluxo total.

3 Ligar a manta no indicador de potncia 8. 4 Medir as temperaturas do topo e cauda at atingir o estado estacionrio. Registar os

valores finais.

5 Mudar a potncia para a posio 6 ou 7 (confirme com o docente). 6 Medir as temperaturas do topo e cauda at atingir o novo estado estacionrio. Registar os valores finais.

3 Tratamento dos Resultados

3.1 Determinao dos coeficientes volumtricos globais de transferncia de massa. Para as duas potncias da manta, tratar os dados da seguinte forma:

1 A partir das temperaturas de topo e cauda, calcular as composies 1x , 2x , 1y e 2y ,

recorrendo a clculos de equilbrio lquido-vapor.

2 Calcular o caudal molar de vapor na coluna ( )VL = , a partir da potncia da manta de aquecimento (equao 5). 3 Calcular OGN (Seader e Henley, 1998).

4 Medir a altura do enchimento, z . Calcular aK oy (equao 3.2) e aK ox (equao 3.4).

3.2 Determinao dos coeficientes peliculares de transferncia de massa. Efetuar os clculos apenas para a potncia 10. Este clculo implica um processo iterativo.

1 Arbitrar um valor de ak ox . Calcular o ako

y correspondente (equao 3).

2 Calcular GH .

3 Calcular GN (Seader e Henley, 1998). 4 Calcular GG NHz = .

5 Repetir o procedimento at o valor calculado coincidir com a altura real do enchimento da coluna.

Coeficientes de transferncia de massa em colunas de enchimento

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4 Referncias

Reid, R. C.; Prausnitz, J. M.; Poling, B. E. The Properties of Gases and Liquids; 4Ed.;

McGraw-Hill: Singapura, 1988. Seader, J.D.; Henley, E. J. Separation Processes Principles. John Wiley & Sons: USA,

1998. Sieg, L. Equilibrium vapour-liquid for the cyclohexane/heptane mixture at 1 atm. Chem.

Ing. Tech. 1950 22, 322.