Concurso Petrobras Distribuidora, Profissional Junior (questão 32 de 2012). Numa coluna de destilação para separação de benzeno e tolueno, a alimentação é feita em temperatura no ponto de bolha da mistura do prato de alimentação. Nessa coluna de destilação, a corrente de alimentação que entra no prato:
a) vai, em sua totalidade, compor a corrente de líquido descendente do prato, sendo que o equilíbrio líquido-vapor fica inalterado.
b) vai, em sua totalidade, compor a corrente de líquido ascendente do prato, sendo que o equilíbrio líquido-vapor fica inalterado.
c) vai dividir-se em líquido e vapor, sendo que o equilíbrio líquido-vapor fica alterado pela adição de massas nas correntes de líquido e vapor na coluna.
d) condensa parte do vapor da corrente ascendente do prato, logo ocorre um deslocamento do equilíbrio líquido-vapor para formação de líquido.
e) vaporiza parte do líquido da corrente descendente do prato, logo ocorre um deslocamento do equilíbrio líquidovapor para formação de vapor.

Passo 1

O enunciado dá uma coluna de destilação separando benzeno e tolueno. A alimentação entra no prato de alimentação à temperatura do ponto de bolha da mistura naquele prato. A pergunta é: o que acontece com a corrente de alimentação ao entrar no prato — ela se junta totalmente ao líquido descendente, ao líquido ascendente, divide‑se em líquido e vapor, ou provoca condensação/vaporização? Informações relevantes extraídas do enunciado: F = vazão da alimentação; a alimentação está no ponto de bolha da mistura para a pressão/temperatura do prato (isto é, é um líquido saturado, na condição de começar a ferver).

Passo 2

Entendendo o que significa “ponto de bolha” e “líquido saturado” — explicação didática:
  • O ponto de bolha de uma mistura, à dada pressão, é a temperatura em que começa a aparecer vapor ao aquecer o líquido. Ou seja, ao atingirmos o ponto de bolha temos um líquido que está em equilíbrio com uma fração de vapor infinitesimal.
  • “Líquido saturado” aqui significa que a alimentação está na condição de líquido na temperatura do prato; ela não está subresfriada nem superaquecida como vapor. Em termos práticos no equilíbrio líquido‑vapor do prato, a alimentação não traz um vapor significativo que precise ser formado por “flash” ao entrar — ela já está essencialmente na fase líquida.

Passo 3

Definindo frações de fase de forma clara (para evitar confusão de convenções):
  • Seja F a vazão mássica da alimentação. Definimos a fração líquida da alimentação como q_L e a fração vaporal como q_V. Temos
q_L + q_V = 1.
  • Como a alimentação está no ponto de bolha (sendo líquido saturado), praticamente toda a massa está na fase líquida, isto é
q_L = 1,\qquad q_V = 0.
Isso significa que nenhum vapor significativo da alimentação entra no prato.

Passo 4

Balanço de massa no prato (forma simples e útil para prova) — explicação prática:
  • Considere as correntes que chegam ao prato: vapor ascendendo V_{in}, líquido descendente vindo de cima L_{in}, e a alimentação F que chega ao prato. As correntes que saem do prato são V_{out} (vapor que sobe) e L_{out} (líquido que desce).
  • Se a alimentação tem fração líquida q_L e fração vapor q_V, então, por conservação de massa, a adição da alimentação altera as correntes assim (somente a parte adicionada de cada fase):
L_{out}=L_{in}+q_L F,
V_{out}=V_{in}+q_V F.
  • Agora substituímos q_L=1 e q_V=0 (situação de ponto de bolha):
L_{out}=L_{in}+F,
V_{out}=V_{in}.
Ou seja: toda a alimentação entra na corrente líquida descendente do prato e a vazão de vapor ascendente não é alterada pela própria adição da alimentação.

Passo 5

Por que o equilíbrio líquido‑vapor do prato fica inalterado (explicação física e didática):
  • O equilíbrio em um prato depende principalmente da temperatura e composição das fases que estão trocando massa e do balanço energético local. Como a alimentação está na temperatura do ponto de bolha do prato e é um líquido saturado, ela já está em equilíbrio com o vapor daquele prato; portanto, ao entrar, não exige nem liberação de calor para condensar nem absorção de calor para vaporizar. Não há, portanto, um deslocamento do equilíbrio líquido‑vapor causado somente pela adição dessa alimentação.
  • Para contraste e fixar a ideia: se a alimentação fosse sub­resfriada (mais fria que o ponto de bolha), ela tenderia a condensar parte do vapor ascendente (situação parecida com a alternativa d). Se fosse vapor superaquecido (na condição de ponto de orvalho / vapor), tenderia a vaporizar líquido (situação parecida com a alternativa e). Se fosse uma mistura bifásica, dividiria‑se (alternativa c). Nenhuma dessas situações ocorre aqui porque estamos no ponto de bolha (líquido saturado).

Passo 6

Resumo prático para a prova (memorizável):
  • Alimentação no ponto de bolha = entra como líquido saturado → junta‑se totalmente ao líquido do prato; não altera a vazão de vapor do prato nem desloca o equilíbrio local. Portanto, o efeito prático é que a alimentação compõe inteiramente a corrente líquida descendente do prato, com o equilíbrio líquido‑vapor do prato permanecendo inalterado.

Resposta

a)

Exercícios relacionados