Operações unitárias - Extração líquido-líquido, Slides de Sistemas Operacionais

Baixe Operações unitárias - Extração líquido-líquido e outras Slides em PDF para Sistemas Operacionais, somente na Docsity! Extração líquido-líquido Graduação em Química Industrial Operações Unitárias Universidade Federal de Uberlândia Dezembro, 2017 Integrantes: Ana Clara Cassiano Martinho David Ramos João Donzelli Neto Sarah Mendes William Oliveira Soté Profª. Drª. Marina Seixas Introdução • Operação de separação e purificação • Os componentes de uma mistura são separados pela adição de um outro líquido (solvente) • O solvente vai apresentar afinidade com o soluto da alimentação • O solvente é imiscível ou parcialmente miscível com o diluente • Há a formação de duas fases: extrato e refinado OPERAÇÕES UNITÁRIAS: EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO 5 Introdução OPERAÇÕES UNITÁRIAS: EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO • Representação de uma coluna de destilação 6 Imagem 01: Representação de uma coluna de destilação, sendo A = componente desejado, B = soluto e C = solvente Introdução • Quando vou optar pelo uso da extração líquido-líquido? i. É inviável a prática da destilação ii. Elevado consumo de energia na destilação iii. Existência de azeótropos iv. Material praticamente não-volátil v. Material sensível ao calor OPERAÇÕES UNITÁRIAS: EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO 7 Introdução • Diagrama de fase ternário OPERAÇÕES UNITÁRIAS: EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO 10 Imagem 02: Exemplo simplificado de um diagrama de fase ternário Introdução OPERAÇÕES UNITÁRIAS: EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO 11 • Indústrias que utilizam da operação Farmacêutica Cosméticos Alimentos Petróleo aplicações ug Ee Aplicações OPERAÇÕES UNITÁRIAS: EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO • Extração de essências Imagem 04: Produção de essências por extração líquido-líquido 15 a ii ar é a sal Princípios físicos de funcionamento MU ho TEMAS. AE | ai Princípios físicos de funcionamento OPERAÇÕES UNITÁRIAS: EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO 17 Conceitos fundamentais:
 • Diluente: fase líquida que contém o composto no início 
 • Soluto: composto a ser separado
 • Solvente: fase líquida que irá conter o composto final
 • Solução: diluente + soluto
 • Refinado: fase pobre em soluto/rica em diluente (pós-decantação) 
 • Extrato: fase rica em soluto/rica em solvente (pós-decantação) Princípios físicos de funcionamento • Mecanismo de extração: 
 i. Mistura das duas fases líquidas
 Transferência de soluto por diferença de solubilidade
 ii. Separação das fases por decantação
 Separação espontânea das fases até o equilíbrio 
 
 iii. Recuperação do solvente e do soluto 
 Através de destilação ou outra separação simples OPERAÇÕES UNITÁRIAS: EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO 20 OPERAÇÕES UNITÁRIAS: EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO Princípios físicos de funcionamento Qual o par mais otimizado?Equilíbrio líquido-líquido:
 • C (região monofásica)
 
 
 • P (ponto crítico)
 [refinado]=[extrato]
 
 
 • D, E (pontos de união) Imagem 07: Diagrama de fase do sistema ternário: 
 acetona (soluto), tolueno (diluente) e água (solvente) 
 a 1 atm e 25ºC. 21 qa Ef h 2: de! io E Equações de projeto, | A dg E E! [ea A ea e 8 Na À Te: f- e: “7 io = - — E E [2 o me DA Equações de projeto OPERAÇÕES UNITÁRIAS: EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO 25 • Na alimentação, há uma taxa somente de diluente (FD) 
 • No extrato, há uma taxa somente de solvente (FS) 
 • Em sistemas diluídos (baixas concentrações de soluto): 
 
 FD ~ R e FS ~ E • Considerar que solvente (S) e diluente (D) sejam imiscíveis FD e FS são constante
 Equações de projeto OPERAÇÕES UNITÁRIAS: EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO 26 • Método de McCabe-Thiele:
 Encontra o número de pratos teóricos a partir de um gráfico y vs. x • Considera também: i. operação isotérmica ii. sistema isobárico iii. negligenciar o calor da mistura OPERAÇÕES UNITÁRIAS: EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO Equações de projeto 27 • Linhas de operação: 
 
 
 
 • Linha de equilíbrio 
 Encontrar a composição de extrato e refinado em cada estágio da extração linha de equilíbrio do diagrama ternário
 • Relação de equilíbrio 
 Representada pelo coeficiente de partição
 Kd= y/x 
 (fração mássica A no extrato/fração mássica A no refinado) (global) (soluto) OPERAÇÕES UNITÁRIAS: EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO Equações de projeto 30 • Exemplo: 100 kg/min de um efluente líquido, contendo 1,2 % (massa) de acido acético e agua e submetida a um processo de extração com 1-butanol a 1,0 am a 26,7 °C. Deseja-se reduzir a concentração de acido acético desse efluente para 0,1% (massa). Na unidade de extração com fluxos contracorrentes, e empregada uma taxa de 75 kg/min de solvente puro (1-butanol). a) Determinar composição de saída da fase orgânica ou fase 
 1-butanol (isto é, fase extrato). b) Determinar também o numero de contatos (estágios) de equilíbrio para essa separação.
 
 Relação de equilíbrio: y* = Kd.x -Fquações de projeto 0.02 0.019 0.018 0.017 0.016 0.015 0.014 0.013 0.012 0.011 0.01 0.009 0.008 0.007 0.006 0.005 0.004 0.003 0.002 0.001 0 Á / Equilíbrio — 0,01466 y [UTTUTTUTTTT O 0002 0.004 0.006 0.008 0.01 x 0.012 0.014 0.016 OPERAÇÕES UNITÁRIAS: EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO 31 Equações de projeto OPERAÇÕES UNITÁRIAS: EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO 32 • Cálculo do número de estágios pelo método de Kremser Diferentes tipos e modelos OPERAÇÕES UNITÁRIAS: EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO • Extração descontínua:
 • Indicada quando existe uma grande diferença de solubilidade do soluto nos dois solventes
 • O soluto passa a fase na qual está o solvente com maior afinidade 35 Imagem 09: extração descontínua Diferentes tipos e modelos OPERAÇÕES UNITÁRIAS: EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO • Extração contínua:
 • Solvente orgânico passa continuamente sobre a solução, levando o soluto até o balão de aquecimento (onde se concentra devido a destilação) • Útil quando a diferença de solubilidade do soluto em ambos os solventes não é muito grande 36 Imagem 10: extração contínua Diferentes tipos e modelos OPERAÇÕES UNITÁRIAS: EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO • Aparelhos de extração podem ser classificados em colunas contracorrente, extratores centrífugos, e misturadores-decantadores. • Todos os projetos de equipamentos industriais utilizam o princípio de dispersar um dos dois líquidos no outro, a fim de ampliar a área de contato para a transferência de massa e de influenciar a geração de gotas, pela entrada de energia, tais como mistura ou pulsos. 37 Diferentes tipos e modelos OPERAÇÕES UNITÁRIAS: EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO • Coluna de enchimento
 • Em colunas de enchimento, a formação de gotas ocorre na entrada da fase dispersa em um leito empacotado 
 • As gotas de sobem através do leito fixo, sem dispersão significativa
 • No entanto, a transferência de massa ocorre principalmente durante a formação de uma nova área interfacial. 40 Imagem 12: coluna de enchimento Diferentes tipos e modelos OPERAÇÕES UNITÁRIAS: EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO • Coluna de spray 41 Imagem 13: coluna de spray • A coluna spray atinge apenas um pequeno número de fases de separação. 
 • Se a coluna é preenchida, principalmente com o líquido mais pesado, o líquido leve rompe no ponto de alimentação em gotas que sobem na fase líquida contínua. 
 • Gotas atingindo a interface são mantidas nessa posição por meio do controle da descarga de fundo, onde elas se acumulam, se fundem e formam uma camada continua flutuando em cima da fase liquida. Diferentes tipos e modelos OPERAÇÕES UNITÁRIAS: EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO • Coluna de discos rotativos • Nos discos rotativos de contato discos planos dispersam o líquido e o impele à parede da torre, onde os anéis estáticos criam áreas de acumulação, onde são separadas as fases. 42 Imagem 14: coluna de discos rotativos Diferentes tipos e modelos OPERAÇÕES UNITÁRIAS: EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO • Misturadores-decantadores
 • É usado quando o número de andares requeridos para a separação é pequeno. • A intensidade de mistura requerida depende de várias variáveis como viscosidade, tensão superficial e diferença de densidade das fases em contato. Uma taxa baixa de mistura dá origem a gotas grandes e, como tal, diminui a área interfacial dificultando a extração • O objetivo do equipamento de extração é misturar as duas fases, formar e manter as gotas da fase dispersa e, subsequentemente, separar as duas fases. 45 Diferentes tipos e modelos OPERAÇÕES UNITÁRIAS: EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO • Misturadores-decantadores
 46 Imagem 17: Extração por misturador-decantador: a) diagrama de setas; b) fluxograma Conclusão ug Ee