Explique:
Explique como ocorre o processo de troca de massa em um equipamento de destilação no processo de separação de fluidos em uma indústria de alimentos.

Passo 1

Resumo do problema e o que precisamos
Você quer entender como, numa coluna de destilação típica de indústria de alimentos, ocorre a troca de massa entre vapor e líquido para separar misturas baseado na volatilidade dos componentes. Para isso vamos usar conceitos de equilíbrio vapor-líquido, teoria de vasos comunicantes, filme móvel e coeficientes globais de transferência de massa.

Passo 2

Geração de vapor e contato com o líquido
No fundo da coluna há um reboiler que transmite calor ao líquido, gerando vapor. Esse vapor sobe e encontra o líquido que escoa de cima para baixo em bandejas (ou enchimentos). A esse encontro refrigerado pela fase líquida damos o nome de zona de contato. É aí que a troca de massa acontece: componentes mais voláteis passam do líquido para o vapor, e os menos voláteis podem se condensar do vapor para o líquido.

Passo 3

Equilíbrio vapor-líquido e força motriz
Em cada ponto de contato existe um equilíbrio aproximado entre a concentração no vapor y_i e no líquido x_i, geralmente dado por y_i = K_i\,x_i, onde K_i é o coeficiente de volatilidade do componente i. A força motriz para a transferência é a diferença entre a concentração real e a concentração de equilíbrio:
\Delta y = y_i - y\quad\text{ou}\quad\Delta x = x - x_i.
Quanto maior esse \Delta, mais intenso o fluxo de transferência.

Passo 4

Resistências e teoria de filmes
O vapor e o líquido formam finas camadas – ou filmes – junto à interface. Cada filme impõe uma resistência à transferência. No lado gás a lei de Fick dá
N_i = k_G\,(y_i - y)
e no lado líquido
N_i = k_L\,(x - x_i),
onde k_G e k_L são os coeficientes de transferência de massa em fase gasosa e líquida, respectivamente. Como são “resistências em série”, definimos um coeficiente global K_y tal que
N_i = K_y\,(y_i - y).

Passo 5

Balanço de componentes em uma bandeja
Em cada bandeja ou estágio teórico fazemos o balanço de massa do componente i:
L\,x_{\text{in}} + V\,y_{\text{bot}} = L\,x_{\text{out}} + V\,y_{\text{top}},
onde L e V são as vazões molar do líquido e do vapor. Esse balanço mais a relação de equilíbrio y_i=K_i\,x_i permitem determinar as condições de alimentação e saída de cada prato.

Passo 6

Conceito de prato teórico e eficiência
Na prática a coluna tem bandejas que não alcançam 100 % do equilíbrio. Definimos uma eficiência de prato \eta que relaciona o número real de bandejas N_r ao número de pratos teóricos N_t:
N_r = \frac{N_t}{\eta}.
Mais eficiência significa menos bandejas para a mesma separação, otimizando tamanho e custo.

Passo 7

Aplicação na indústria de alimentos
Em alimentos o exemplo clássico é a concentração de álcool em bebidas ou remoção de aromas voláteis. As bandejas ou enchimentos de material alimentar resistente (inox, grafite) garantem o contato vapor-líquido sem contaminação. O refluxo, que é parte do destilado retornado ao topo, ajusta a pureza final controlando \Delta y e a altura efetiva da coluna.

Resposta

O processo de troca de massa numa coluna de destilação em indústria alimentícia ocorre pelo contato íntimo entre vapor ascendente e líquido descendente em bandejas ou enchimentos. A diferença de concentração entre fase real e fase de equilíbrio (força motriz) faz componentes mais voláteis passarem do líquido para o vapor, e menos voláteis conden­sarem do vapor para o líquido. Cada filme em torno da interface apresenta resistência à transferência, sendo modelados pelos coeficientes de transferência de massa k_G e k_L, combinados num coeficiente global K_y. Balanços molares em cada prato, junto à relação de equilíbrio y_i = K_i\,x_i, definem o grau de separação. A eficiência de prato corrige o número teórico de estágios para o real, e o refluxo controla a pureza de frações como álcool e aromas em alimentos.

Exercícios relacionados