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.
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.
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.
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 e no líquido
, geralmente dado por
, onde
é o coeficiente de volatilidade do componente
. A força motriz para a transferência é a diferença entre a concentração real e a concentração de equilíbrio:
Em cada ponto de contato existe um equilíbrio aproximado entre a concentração no vapor
Quanto maior esse
, 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
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
e no lado líquido
onde
e
são os coeficientes de transferência de massa em fase gasosa e líquida, respectivamente. Como são “resistências em série”, definimos um coeficiente global
tal que
Passo 5
Balanço de componentes em uma bandeja
Em cada bandeja ou estágio teórico fazemos o balanço de massa do componente :
Em cada bandeja ou estágio teórico fazemos o balanço de massa do componente
onde
e
são as vazões molar do líquido e do vapor. Esse balanço mais a relação de equilíbrio
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 que relaciona o número real de bandejas
ao número de pratos teóricos
:
Na prática a coluna tem bandejas que não alcançam 100 % do equilíbrio. Definimos uma eficiência de prato
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 e a altura efetiva da coluna.
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
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
e
, combinados num coeficiente global
. Balanços molares em cada prato, junto à relação de equilíbrio
, 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.