Extração Líquido-Líquido, Manuais, Projetos, Pesquisas de Química

Baixe Extração Líquido-Líquido e outras Manuais, Projetos, Pesquisas em PDF para Química, somente na Docsity! CURSO TÉCNICO EM QUÍMICA – 3º MÓDULO OPERAÇÕES UNTÁRIAS NOS PROCESSOS INDUSTRIAIS EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO Bruno Paulo Marina Mariano Rodrigo Lima Tuani Vitoria Orientador Rademaks Jacareí 2019 SUMÁRIO EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO......................................................................................................4 1. INTRODUÇÃO...........................................................................................................................4 2. AS ETAPAS BÁSICAS DE UMA OPERAÇÃO DE EXTRAÇÃO SÃO:.................................................4 3. APLICAÇÕES DA EXTRAÇÃO LIQUIDO-LIQUIDO........................................................................5 4. QUANDO ESCOLHER A EXTRAÇÃO............................................................................................6 5. SELEÇÃO DO SOLVENTE............................................................................................................6 6. CONDIÇOES OPERACIONAIS.....................................................................................................7 7. EQUIPAMENTOS DE EXTRAÇÃO................................................................................................7 3.1 COLUNAS ESTÁTICAS..............................................................................................................8 3.1.1 Colunas de pulverização ou spray.......................................................................................8 3.1.2 Colunas de enchimento.......................................................................................................9 3.1.3 Colunas de pratos..............................................................................................................10 7.2 COLUNAS AGITADAS.............................................................................................................11 7.2.1 Colunas Pulsantes..............................................................................................................11 7.2.2 Colunas de Disco rotativo de contato (DRC)......................................................................12 7.3 Misturadores-Decantadores.................................................................................................14 3.4 Extratores centrífugos..........................................................................................................15 3.5 Outros extratores de giro interno.........................................................................................17 4. VANTAGENS DE DESVANTAGENS DOS EXTRATORES..............................................................19 5. CONCLUSÃO...........................................................................................................................20 6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS...............................................................................................20 Figura 1: Fases da extração Fonte: Próprio Autor É necessário que as condições de contato sejam tais de forma a permitir um contato íntimo entre as fases. Os constituintes das misturas líquidas são distribuídos entre as duas fases resultando em um certo grau de separação (o que pode ser melhorado pelo contato em múltiplos estágios) e as fases são separadas uma da outra baseadas nas diferenças de densidades entre elas. 3. APLICAÇÕES DA EXTRAÇÃO LIQUIDO-LIQUIDO A extração liquido-liquido é aplicada principalmente em métodos de separação direta quando a destilação e a cristalização não podem ser usados ou são demasiado caros. Também é empregada quando os componentes a serem separados são sensíveis ao calor (por exemplo, antibióticos) ou relativamente não voláteis (por exemplo, os sais minerais). A extração Liquido-Liquido é utilizada na indústria para os seguintes fins: 1) A separação de sistemas com pontos de ebulição semelhantes (por exempla a separação de compostos aromáticos da combustão de hidrocarbonetos alifáticos); 2) a separação de solutos com altos pontos de ebulição e baixa concentração de soluções aquosas (por exemplo, fenol); 3) separação de misturas com altos pontos de ebulição (por exemplo, as vitaminas); 4) a separação de compostos sensíveis à temperatura (por exempla acrílatos. biotecnologia); 5) separação de misturas azeotrópicas (extração de ácido acético ou fórmico em meio aquoso. utilizando. por exemplo, o MTBE como solvente); 6) extração dos compostos (nanicos de soluções salinas (por exemplo. caprolactama); 7) extração de sais de soluções de polímeros (por exemplo, resinas de cetona. polióis); 8) extração de sais de metais de minérios de baixo grau (por exemplo, cobre); 9) extração de sais de metais em águas residuais (por exemplo. cobre); 10) Valorização de combustíveis nucleares (processo Purex); 4. 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. 5. 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 concentrações do soluto e solvente no extrato e no refinado. É uma medida da efetividade da extração para separar os constituintes da alimentação. 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. 6. CONDIÇOES OPERACIONAIS Os parâmetros operacionais a seguir 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 têm um papel importante no rendimento dos 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 têm 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. 7. EQUIPAMENTOS DE EXTRAÇÃO Figura 3: Colunas de Enchimento http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php? option=com_content&task=view&id=63&Itemid=148 3.1.3 Colunas de pratos Em uma coluna de pratos perfurados com tubos de descida (downcomers), como mostrado na Figura, 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 (junção) 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 (downcomers). No caso da tensão interfacial baixa as camadas da fase coalescentes são demasiadamente pequenas para uma operação simétrica dos pratos. Então, é vantajoso usar pratos de fluxo dual, sem downcomers. Colunas de pratos perfurados tem a vantagem sobre colunas de enchimento porque novas gotas são formadas em cada bandeja. No entanto, a carga de queda do prato é muitas vezes irregularmente distribuída, especialmente se o diâmetro da coluna é grande (mais de 1 m). Esta é a razão pela qual as colunas de pratos perfurados atingem eficiências de 10 - 15% só em raros casos favorecidos. Além disso, uma vez que as colunas são geralmente construídas com espaçamento de 0,3m entre os pratos, até mesmo separações simples exigem consideráveis alturas. Figura 4: Colunas de Pratos Fonte:http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php? option=com_content&task=view&id=63&Itemid=148 7.2 COLUNAS AGITADAS A transferência de massa entre os dois líquidos pode ser substancialmente melhorada através da aplicação de energia mecânica adicional na forma de agitação sobrepostas ou pulsação, resultando em maior turbulência próxima às gotas. alargando a área de transferência de massa devido à formação de gotas de tamanhos menores. 7.2.1 Colunas Pulsantes O design mais simples da coluna pulsada é a coluna pulsada de pratos perfurados. Uma bomba de pistão com uma unidade elétrica ou uma pressão de ar faz com que todo o conteúdo líquido da coluna vibre. Ambas as fases são alternadamente forçadas através dos furos no ritmo da pulsação. A fase dispersa não coalesce acima ou abaixo dos pratos para dar uma camada contínua. A pulsação arremessa a gota pelo prato mais rápido do que seria possível como resultado apenas das diferenças de densidades. Isto leva a uma gota fina e de distribuição uniforme e, consequentemente, amplia a área de transferência de massa. As aplicações são limitadas pelas propriedades físicas das substâncias em questão e de altas taxas de transferência. Sistemas facilmente emulsionáveis não podem ser processados em colunas pulsadas apenas com líquidos pegajosos e gordurosos para transferências muito grandes (diâmetro da coluna> 0,6 m), o volume bombeado e a força pulsante tornar-se muito altos. Nas Colunas Pulsantes existe um movimento alternado, de baixa amplitude, das fases que enchem a coluna, o que facilita a transferência de massa e a separação. Na fase ascendente o líquido leve mistura-se mais facilmente com a fase densa, enquanto que na fase descendente se favorece a separação das fases. Assim, uma coluna pulsante requer normalmente um terço dos andares das colunas não pulsadas equivalentes. As colunas pulsantes podem ser de pratos ou de enchimento. Figura 5: Colunas Pulsantes Fonte:http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php? option=com_content&task=view&id=63&Itemid=148 7.2.2 Colunas de Disco rotativo de contato (DRC) Figura 8: Misturadores-Decantadores Fonte:https://www.google.com/url? sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwistaq8ou rlAhULFrkGHUz4CkQQjhx6BAgBEAI&url=https%3A%2F%2Fes.scribd.com %2Fdocument%2F170201614%2FPatente-Columna-York- Scheibel&psig=AOvVaw2ErW8lmnwFpFuPdJoigSR5&ust=1573840366251997 3.4 Extratores centrífugos Extratores centrífugos são utilizados quando a diferença de densidade entre as duas fases é insuficiente para produzir urna contracorrente por gravidade. O mais conhecido destes dispositivos é o extrator centrifuga Podbielniak (Figura -A), no qual chapas cilíndricas perfuradas são concentricamente dispostas como um rotor (maquinismo giratório) compacto em um eixo de alta velocidade. A fase pesada é alimentada através do eixo e se move para o exterior devido à força centrífuga. A fase leve move-se no sentido oposto. Parecido com colunas, seja a fase leve ou a fase pesada pode ser dispersa em gotas, como desejado. Se a fase leve deve ser dispersa, a interface principal deve ser localizada perto do eixo. Dependendo do sistema o número de etapas que podem ser combinados em uma unidade está limitada de 3 a 4 estágios teóricos. O extrator centrífugo Robatel é baseado em um princípio totalmente diferente e permite um maior número de etapas (Figura -B). Discos servem como elementos de mistura são centrados em um estator vertical. O alojamento é dividido por discos anulares em uma série de etapas e gira em torno do eixo central. Cada fase é constituída por uma câmara de mistura e uma câmara de sedimentação. Os discos mergulham para dentro da câmara de mistura Centrífugas são mais complexas do que as colunas, os seus investimentos e custos de manutenção são elevadas. Eles, em comparação com colunas, têm vantagens que nenhuma coluna pode proporcionar. Fase de separação é possível, mesmo em sistemas com uma diferença de densidade tão baixa quanto 15 kg/m3. Sistemas com grandes diferenças na viscosidade podem ser processados, desde que o elevado efeito forças de cisalhamento provoque intensa mistura. Como resultado de seu design compacto, o extrator centrífugo é um espaço de economia de aparelhos com um volume de funcionamento extremamente pequeno e um curto tempo de residência. Essas vantagens podem ser desejáveis se solventes caros ou substâncias de estabilidade limitada são utilizadas. O estado estacionário é alcançado logo após a partida. Este extrator é, portanto, adequado para operação em batelada, e frequentes mudanças dos produtos. Extração sob pressões de até 5 MPa são possíveis Figura 9: Extrator Centrifugos: A- Podbielniak; B- Extrator Robatel de quatro estágios. Fonte: Universidade estadual de Goiás (UEG),2010 Figura 10: Extrator Robatel Fonte: http://www.rousselet-robatel.com/chemical-fine-chemical-pharmaceutical/monostage- centrifugal-extractors-type-bxp/ 3.5 Outros extratores de giro interno O extrator Kühni utiliza urna turbina como o elemento de mistura. Partições de discos perfurados separam as etapas de extração e reduzir as misturas de fundo. Este aparelho também é utilizado para a realização de reações entre duas fases líquidas, o tempo de permanência pode ser ajustado através do espaço livre do disco perfurado. O QVF extrator RZE usa uma lâmina agitadora como misturador de elementos. Os discos da partição têm meandros formando tiras de metal no perímetro interior para reduzir a dispersão de fase por canalização de ambas as fases. O comportamento operacional é semelhante à do extrator Kühni. 5. CONCLUSÃO Extrações líquido-líquido têm sido exploradas em sistemas de análises em fluxo visando melhoria de rendimento e de seletividade, o processo envolve a mistura das fases leve e pesada (ou melhor da amostra e o solvente) para que a partir dos equipamentos ocorra a transferência de massa, assim então as fases são separadas. A mecanização do processo visa especialmente a melhoria de precisão e a redução do consumo de solventes e amostras. 6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Fonte:http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php? option=com_content&task=view&id=63&Itemid=148 https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/4469845/mod_resource/content/1/ Extração2007A.pdf https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/255018/mod_resource/content/1/ extract_2012.pdf http://sistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1285870/48/Introducao.pdf https://www.researchgate.net/figure/Sieve-tray-columns-with-pulsing-of-the-whole- liquid-content-left-or-of-the-whole-plate_fig8_304215497