Para o sistema a seguir, a curva de equilibrio é dada por
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A alimentação é uma mistura líquido vapor (
), a alimentação contém uma fração do mais volátil de 0,55. Deseja-se obter um destilado com composição xD= 0,95 e um fundo com composição xB = 0,05, ambas composições para a espécie mais volátil.
Por McCabe-Thiele, marque o refluxo mínimo. Quais a correspondências no gráfico entalpia-composição no método de Ponchon-Savarit
A alimentação é uma mistura líquido vapor (
Por McCabe-Thiele, marque o refluxo mínimo. Quais a correspondências no gráfico entalpia-composição no método de Ponchon-Savarit
Passo 1
Beleza, vamos dar uma olhada no que a questão está pedindo. Temos um sistema de destilação onde a curva de equilíbrio está dada por:
A alimentação é uma mistura líquido-vapor com $ q = 0,5 $ e contém uma fração do componente mais volátil de $ x_F = 0,55 $. Queremos obter um destilado com $ x_D = 0,95 $ e um fundo com $ x_B = 0,05 $, ambos referentes ao componente mais volátil.
O objetivo é determinar, usando o método de McCabe-Thiele, a razão de refluxo mínima ($ R_{min} $) e identificar as correspondências no gráfico entalpia-composição segundo o método de Ponchon-Savarit.
Para resolver isso, vamos precisar entender os conceitos de curvas de equilíbrio, método de McCabe-Thiele para destilação, razão de refluxo e o método de Ponchon-Savarit para análise termodinâmica.
Passo 2
Primeiro, vamos entender o método de McCabe-Thiele. Esse método é uma técnica gráfica usada para determinar o número de etapas necessárias em uma coluna de destilação e a razão de refluxo. A curva de equilíbrio $ y = f(x) $ nos mostra a relação entre a composição do líquido e do vapor em equilíbrio.
Aqui, nossa curva de equilíbrio é dada por:
Vamos também desenhar a linha diagonal de alimentação, que é simplesmente $ y = x $.
Passo 3
Para encontrar a razão de refluxo mínima ($ R_{min} $), precisamos identificar a tangência entre a curva de equilíbrio e uma linha que representa a operação de destilação no refluxo mínimo. Nesse ponto de tangência, a linha de operação coincide com a curva de equilíbrio, e não há mais degraus no diagrama de McCabe-Thiele.
A razão de refluxo mínima ocorre quando a linha de operação passa pela alimentação na condição de $ q = 0,5 $.
Passo 4
Vamos determinar o ponto de alimentação. Com $ q = 0,5 $, a linha de alimentação é dada por:
Substituindo $ q = 0,5 $ e $ x_F = 0,55 $:
Essa é a linha de alimentación no diagrama de McCabe-Thiele.
Passo 5
No refluxo mínimo, a linha de operação também é tangente à curva de equilíbrio. Para encontrar essa tangência, igualamos a derivada da curva de equilíbrio à inclinação da linha de operação no refluxo mínimo.
A derivada da curva de equilíbrio $ y = \frac{3,8 \cdot x}{1 + 2,8 \cdot x} $ em relação a $ x $ é:
No refluxo mínimo, a inclinação da linha de operação é igual à inclinação da curva de equilíbrio no ponto de tangência:
Substituindo a derivada:
Precisamos encontrar o valor de $ x $ onde essa igualdade é satisfeita.
Passo 6
Vamos resolver para $ R_{min} $:
Para encontrar $ x $, podemos usar a condição de tangência, onde $ y = x $ na linha de refluxo mínimo. Substituindo $ y = x $ na curva de equilíbrio:
Agora, substituindo $ x \approx 0,7143 $ na equação para $ R_{min} + 1 $:
Portanto:
No entanto, como a razão de refluxo não pode ser negativa, isso indica que houve um erro nos cálculos. Vamos revisar:
Recalculando a substituição:
Resposta
A razão de refluxo mínima ($ R_{min} $) é aproximadamente 1,37. No diagrama entalpia-composição segundo o método de Ponchon-Savarit, as correspondências ao refluxo mínimo representam a condição onde as curvas de entalpia para o destilado e o fundo são tangentes, refletindo o equilíbrio termodinâmico na operação de refluxo mínimo.