Extração líquido-líquido, Exercícios de Destilação

Baixe Extração líquido-líquido e outras Exercícios em PDF para Destilação, somente na Docsity! Extração líquido-líquido Introdução Extração-líquido-líquido ( ou extração por solvente) refere-se a uma operação na qual dois componentes de uma mistura líquida são separados pelo contato com um solvente insolúvel o qual dissolverá preferencialmente um ou mais componentes. Nesta operação, a separação dos componentes depende da diferença da distribuição dos componentes entre os líquidos imiscíveis. A solução de alimentação representa uma fase e o solvente a ser usado para efetuar a operação representa a segunda fase. A transferência de massa do soluto líquido ocorre da solução de alimentação para a fase solvente. Tanto a destilação quanto a extração líquido-líquido são usadas para a separação de uma líquida. Para a separação por destilação também é necessário haver duas fases, ou seja, a fase líquida e a fase vapor. O solvente usado na extração líquido-líquido é análogo ao calor usado na destilação. Tabela 1: Comparação entre destilação e extração Extração líquido-líquido Destilação 1. Extração líquido-líquido é uma operação na qual os constituintes de uma mistura líquida são separados pelo uso de um solvente líquido insolúvel. 1. Os constituintes de uma mistura líquida são separados pelo uso de energia térmica. 2. A extração utiliza as diferenças de solubilidade dos componentes para efetuar as separações 2. Utiliza as diferenças de pressão de vapor dos componentes para efetuar a separação 3. A seletividade é usada para medir o grau de separação 3. A volatilidade relativa é usada para medir o grau de separação 4. Uma nova fase insolúvel é criada pela adição de um solvente a mistura original 4.Uma nova fase é criada pela adição de calor 5. As fases são difíceis de serem misturadas e de serem separadas 5. A mistura e a separação das fases são fáceis e rápidas 6. A extração não produz produtos puros e necessita de processos suplementares. 6. Pode fornecer produtos praticamente puros 7. Oferece mais flexibilidade na escolhas das condições de operação 7. Menos flexibilidade na escolha dos prâmetros de operação 8. Requer energia mecânica para a mistura e a separação 8. Requer energia térmica 9. Não necessita de aquecimento ou resfriamento 9. Necessita de condições para o aquecimento e resfriamento 10. É sempre uma escolha secundária na separação de misturas líquidas 10. Normalmente é a primeira escolha para a separação dos componentes de uma mistura líquida Quando a separação por destilação ou por extração forem possíveis a escolha usualmente é a destilação, apesar da necessidade de aquecimento e resfriamento. Quando a extração é usada o solvente deve ser recuperado para reuso e a extração é seguida então por uma destilação para recuperar o solvente. As duas operações combinadas são mais complexas e mais caras que uma destilação. A extração dos componentes através da extração é uma alternativa atrativa quando a separação por destilação é difícil. As etapas básicas de uma operação de extração são: 1. Contato da alimentação com o solvente adicionado 2. Separação das fases resultantes 3. Remoção e recuperação do solvente de cada fase Diferentes modelos de coeficientes de atividade, como UNIFAC, UNIQUAC (universal quasichemical), e NRTL, podem ser usados para determinar as frações molares. Estes três modelos são aplicáveis a equilíbrios líquido-líquido e a escolha de qual modelo aplicar dependerá de quais propriedades estão disponíveis. Para um sistema multi-componente a equação do modelo UNIQUAC para o coeficiente de atividade da fase líquida é: As atividades combinatória e residual são baseadas na teoria mecânica estatística a qual descreve como a composição local resultam das diferenças de tamanho e de energia entre as moléculas na mistura. Quando escolher a extração • quando grandes volumes de água devem ser removidos para completar uma separação. O alto valor do calor latente de vaporização da água pode fazer deste processo um grande consumidor de energia • quando dois ou mais líquidos formam um azeótropo e a concentração final não possa ser obtida por destilação • quando um ou mais componentes são considerados termicamente sensíveis ou instáveis. Nestes casos a extração é atrativa e sempre a preferencial. Por exemplo: a separação de ácido acético de soluções aquosas diluídas é normalmente mais econômica por extração do que por destilação. A destilação pode ser feita mas o uso da extração como primeira etapa diminui de forma considerável a quantidade de água a ser vaporizada. Modos de operação: contra-corrente Como descrito acima, a operação em corrente-cruzada é mais usada para baixas capacidades, vários produtos e em processos em batelada. Para operação em volumes maiores a operação em contra-corrente é sempre usada. As operações em contra- corrente são capazes de promover um uso mais eficaz do solvente. Nestas operações são usados colunas ou misturadores-sedimentadores. A operação em contra-corrente conserva a força motriz da separação de fases e por isso permite a obtenção de melhores rendimentos. As equações para a extração em contra-corrente são mais complexas com o aumento do número de estágios. Pode ser mostrado que para a operação de um estágio “n”, a concentração do rafinado seria Xr = Xf * (mS/F – 1)/ ( [mS/F] n+1 -1) A quantidade de solvente requerida para qualquer concentração de rafinado Xr poderia ser determinada pela interação da equação acima. Para mS/F = 1, a equação torna-se Xr = Xf / (n + 1) O termo adimensional mS/F, incluído em todas as equações acima, é chamado de fator de extração e é um parâmetro importante no projeto de processos de extração. Para um dado número de estágios, quanto maior for o fator E, maior será a razão de redução e portanto melhor será a extração. Sistemas com E menor que 1,3 não são economicamente viáveis. Condições operacionais Os parâmetros operacionais abaixo são normalmente requeridos para a operação de extração: – temperatura de operação – pressão de operação – tempo de residência – vazão da alimentação – composição – temperatura de entrada de vapor e temperatura de saída de vapor Como em muitos processos de separação, a pressão e a temperatura tem um papel importante no rendimento do processos de separação. Para se obter uma boa separação da alimentação, a vaporização deve ser evitada pois o processo será afetado se um ou mais componentes sofrer vaporização. Além disso, a temperatura deve ser alta o suficiente para que sejam solúveis um no outro. Temperaturas moderadas podem facilitar a seleção do solvente adequado. Com essas regras em mente, vários processos de extração podem ser operados a temperatura e pressão ambientes, ou próximas destas, o que é uma vantagem chave para a operação de extração. A temperatura pode ser usada também como uma variável para alterar a seletividade. Temperaturas elevadas são usadas as vezes para manter baixas viscosidades minimizando os problemas de transporte de massa. Outros parâmetros a serem considerados são a seletividade, a solubilidade mútua, a precipitação de sólidos e a pressão de vapor. Em muitas aplicações, um processo de separação suave é necessário pois altas temperaturas podem degradar o produto (indústria farmacêutica). Para estas aplicações, a extração é ideal pois a única temperatura necessária é a requerida para solubilizar os produtos. O desafio nestes casos é encontrar um solvente adequado para a extração. As pressões de operação tem um efeito desprezível no rendimento da extração e assim muitas extrações ocorrem a pressão atmosférica a menos que as pressões de vapor exijam condições diferentes. O tempo de residência é um parâmetro importante em processos de extração reativas ( separação de metais, extração de formaldeido de vapores aquosos) e em processos envolvendo componentes sensíveis, como antibióticos e vitaminas. Seleção do solvente Qualquer que seja o solvente escolhido ele não possuirá todas as propriedades consideradas ideais para a extração e assim um compromisso é usualmente necessário para escolher o melhor solvente. A escolha do solvente deve levar em conta a seletividade, a recuperabilidade, os coeficientes de distribuição e a densidade. – seletividade: a razão das concentração do soluto e solvente no extrato e no rafinado. É uma medida da efetividade da extração para separar os constituintes da alimentação. A seletividade deve ser maior que um pois se for igual a 1 a separação por extração não é possível. β = (Xa/Xb)E / (Xa/Xb)R onde Xa e Xb são as frações em massa ou molares de A e B nas duas fases E e R. – recuperabilidade: como o solvente deve ser recuperado para reuso, a formação de azeótropo com o soluto extraído não é desejável. Para minimizar os custos de recuperação, a volatilidade relativa deve ser alta. O calor latente de vaporização do solvente deve ser o mais baixo possível. – densidade: a diferença de densidade entre os líquidos deve ser a maior possível para facilitar a separação física deles. – tensão interfacial: deve ser alta para que a coalescência das gotas ocorra mais facilmente – o solvente deve ser preferencialmente barato, não-tóxico e não inflamável. O solvente deve ter baixa viscosidade, temperatura de fusão e pressão de vapor, para facilitar o manuseio e a estocagem. O solvente deve ser inerte estável frente aos demais componentes. B » Light phase Lo ' . Light Se UT ayer Es Dispersion Cross section Industrial mixer-settlers A) Davy MocKee mixer- settler; By IMI turbine pump-mix unit Colunas Colunas de contato são práticas para muitos sistemas de extração líquido-líquido. Os empacotamentos, as bandejas ou sprays, são geralmente usados para aumentar a área de contato entre os líquidos. Isto permite também uma maior caminho de fluxo. A escolha do material do empacotamento é necessário selecionar o material que ficará em contato contínuo com a fese contínua. Em extratores de coluna a fase de menor viscosidade é geralmente escolhida como fase contínua. A fase com maior vazão pode ser dispersa para criar maior área superficial ou maior turbulência. Isto é feito selecionadno-se um material apropriado com as características desejáveis de molhabilidade. Em geral, fases aquosas molham superfícies metálicas e fases orgânicas molham superfícies não-metálicas. Mudanças nos fluxos e propriedades físicas ao longo do extrator devem ser consideradas. Colunas de pratos Colunas de pratos são extratores de múltiplos estágios e de contra-corrente onde a mistura axial da fase contínua é confinada a região entre os pratos e a dispersão em cada prato resultando em transferência de massa efetiva. Estas colunas são efetivas especialmente para sistemas que apresentam baixa tensão superficial, com respeito a sua capacidade de manusear líquidos e eficiência de extração. As perfurações nos pratos são e aproximadamente 1,5 a 4,5 mm de diâmetro e o espaçamento entre os pratos são de 150 a 600 mm. Geralmente o arranjo dos pratos e tubo para fluxo dos fluidos são os mesmos que para separadores gás-líquido, exceto que “represas” não são necessárias. O líquido leve é introduzido na parte inferior e passa através da perfuração nos pratos na forma de gotas finas. As gotículas sobem através do líquido pesado que forma a fase contínua e é alimentada no topo. A coalescência das gotas leva a formação de uma camada abaixo do prato superior e são formadas novas gotas através do prato acima. A fase pesada é alimentada no topo e passa através de cada prato e flui para baixo através dos condutores. Torres empacotadas As torres empacotadas são arranjadas de tal forma que a fase leve é dispersa. A torre é uma carcaça cilíndrica preenchida com peças que são suportadas por bandejas. O líquido pesado é alimentado no topo e o líquido leva na base. Uma grande parte do espaço disponível é ocupado pela fase contínua que flui no sentido descendente. O espaço restante é preenchido com gotas do líquido leve que sobe através da fase contínua e finalmente coalesce para formar uma interface líquido-líquido no topo. O empacotamento permite a obtenção de grandes áreas interfaciais para o contato entre as fases o que permite que as gotas coalesçam e sejam reformadas. As velocidades de transferência de massa em torres empacotadas são altas quando comparadas com as torres de “spray” porque diminuem a recirculação da fase contínua. A desvantagem destas colunas é que não podem ser usadas para líquidos contendo sólidos, suspensões ou líquidos muito viscosos. Contator de disco rotatório O contator de disco rotatório é um extrator de contra-corrente agitado mecanicamente. A agitação é feita por um disco rotativo que gira a uma velocidade muito maior que a usada em turbinas de impelidores. O contator de disco consiste de uma coluna que é dividida em um certo número de compartimentos formados por uma série de anéis. Cada compartimento contem um rotor horizontal centralizado que cria um alto grau de turbulência dentro da coluna. O diâmetro do rotor é pouco menor que a abertura dos anéis estacionários. Normalmente o diâmetro do disco é 33-66% do diâmetro da coluna. O disco dispersa o líquido e força-o em direção as paredes externas onde os anéis criam zonas “calmas” onde as duas fases podem se separar. As vantagens deste tipo de extrator são uma capacidade razoável, baixo custo de operação e alta eficiência. A principal desvantagem é que líquidos corrosivos podem danificar as partes internas móveis. Coluna pulsada Uma bomba alternativa é um dispositivo mecânico que fornece o seu conteúdo de forma pulsada em intervalos freqüentes. O rápido movimento alternado de relativamente baixas amplitudes, é sobreposto ao fluxo usual de fases líquidas. Assim, diafragmas feitos de aço recoberto com Teflon ou outra bomba alternativa, podem ser usadas. Uma coluna pulsada de placas tipo peneira é uma coluna vertical com um grande número de placas perfuradas (1,5 – 3,0 mm de diâmetro). A pulsação faz com que o líquido leve seja disperso na fase pesada em uma fase do ciclo e que o líquido pesado seja borrifado no líquido leve na fase seguinte. A coluna não tem partes móveis, tem baixa mistura axial e alta eficiência de extração. Uma coluna pulsada requer normalmente 1/3 menos estágios teóricos do que uma coluna não pulsada. Uma coluna pulsada pode conter ainda um sistema empacotado. Estas colunas aumentam tanto a turbulência como as áreas interfaciais quando comparadas com outros tipos de colunas. Este tipo de coluna é muito usado para o processamento de líquidos radiativos. Exemplo Calcular a quantidade de solvente requerido para reduzir a concentração do pesticida-A de 10% para 1% em 10000kg/h de um fluxo aquoso usando dicloro-etileno como solvente. O coeficiente de partição para o sistema é 1. Concentração da alimentação (base livre de soluto): Xf = 0.1/(1-0.1) = 0.111 Especificação do rafinado: Xr = 0.01/(1-0.01) Xf/Xr = 11 Requerimento de DCE 1 estágio: S = 10*1000/1 = 10000 kg/h para operação em corrente-cruzada: 2 estágios: S = 2*1000/1 [(11)1/2  1 ] = 4632 kg/h 4 estágios: S = 4*1000/1 [(11)1/4  1 ] = 3284 kg/h para operação em contra-corrente: 2 estágios: 2701 kg/h 4 estágios: 1402 kg/h Critérios para projeto A função básica de um equipamento de extração é misturar duas fases, formar e manter gotas de uma fase dispersa e subseqüentemente separar as fases. Os fatores descritos a seguir devem ser considerados no projeto e na seleção de equipamentos de extração. Mistura A operação de mistura requerida é determinada pelas propriedades físicas do fluido tais como viscosidade, tensão interfacial e diferenças de densidade entre as duas fases. É importante fornecer as condições exatas de mistura. Baixas misturas causam a formação de gotas grandes e diminuem a área superficial; isso causa a transferência de massa e a eficiência do estágio. Agitação excessiva minimiza a resistência de transferência de massa durante as reações e a extração mas contribui para a formação de gotas muito pequenas ou emulsões que são difíceis de separar. Em extratores de batelada o projeto do agitador é quase sempre otimizado para a reação e a transferência de calor e não para a extração pois normalmente são agitadores de múltiplos usos. O agitador transfere grande energia nas pontas das pás onde a velocidade é máxima e um mínimo de energia no centro. Isto cria um heterogeneidade no tamanho das gotas, sendo as menores formadas nas pontas dos rotores. O equilíbrio da extração é controlado pelas maiores tamanhos de gota e as gotas de tamanhos menores controlam o tempo de separação. Portanto a agitação excessiva pode causar dificuldades na etapa de separação. Uma reavaliação do equipamento ou da velocidade de agitação podem ajudar na otimização nestes casos. As colunas de extração não-agitadas dependem das partes internas ou do empacotamento e também da velocidade dos fluxos para a criação da turbulência e das gotas. Portanto há uma exigência mínima de fluxo de pelo menos uma fase. As colunas agitadas têm mais flexibilidade uma vez que a energia imposta pode ser variada em muitos sistemas. O fluxo axial ( ao longo da altura da coluna) reduz a eficiência dos estágios. Dispositivos semelhantes a chicanas podem ser adicionados para evitar estes movimentos. É importante também evitar o gradiente de temperaturas que pode contribuir para o fluxo axial. Separação As características do separador dependem das propriedades do fluidoe da quantidade misturada. A interrupção da agitação causa a separação em tanques que operam em batelada. Em colunas contínuas, uma seção de separação está presente tanto como uma parte do extrator ou como uma parte separada. A sobre-agitação pode levar a formação de emulsões nestes casos e a separação pode exigir tempos maiores. As emulsões podem ser formadas também devido as propriedades inerentes dos compostos químicas em questão ou ainda devido a contaminações que causam uma diminuição da tensão interfacial. As vezes é necessário a adição de coagulantes para prevenir ou evitar a formação de emulsões. Em extratores contínuos a criação de emulsões é menos severa pois uma boa distribuição de tamanho de gotas pode ser obtida a baixas velocidades de agitação. Um fenômeno semelhante é a formação de uma camada de escória. Esta camada contém substâncias sólidas que flutuam na interface. Estes sólidos podem ser provenientes de impurezas que existem nos fluxos de alimentação ou que precipitam-se durante o processo de extração. Na extração contínua a camada contendo a escória pode ser retirada constantemente, filtrada e reaproveitada no extrator.