Equipamentos e equilíbrio em extração líquido-líquido, Notas de aula de Calor e Transferência de Massa

Baixe Equipamentos e equilíbrio em extração líquido-líquido e outras Notas de aula em PDF para Calor e Transferência de Massa, somente na Docsity! ENG 103 – Operações Unitárias III Profª Tarcila Mantovan Atolini EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO 1. Considerações iniciais 2. Equipamentos para extração líquido-líquido 3. Equilíbrio na extração líquido-líquido 4. Operação em um estágio 5. Operação em multiestágios 5.1 Método McCabe Thiele 5.2 Método Gráfico ou Hunter-Nash EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO ENG 103 – Operações Unitárias III EXTRAÇÃO L-L O solvente ideal para um processo de extração é aquele que tem uma grande afinidade para o soluto e que é totalmente imiscível com o diluente da alimentação. Uma vez identificado o grupo funcional com afinidade química para o soluto, a pré-seleção dos solventes possíveis é, normalmente, feita em laboratório, através de uma avaliação do desempenho dos vários solventes. Os parâmetros a ter em conta são: Seletividade – afinidade para o soluto e não para o diluente. Imiscibilidade - com o diluente deve ser o mais elevada possível. A imiscibilidade facilita a separação das fases. ENG 103 – Operações Unitárias III EXTRAÇÃO L-L 1. Considerações iniciais Densidade – quanto maior a diferença de densidade entre solvente e diluente, mais fácil será a separação das fases. Facilidade de recuperação do solvente – o solvente tem, em geral, de ser posteriormente recuperado do extrato para reutilização, e também para se obter o soluto com um grau de pureza mais elevado. Esta recuperação é, normalmente, efetuada por destilação. Assim, por esta razão, há que ter também em conta os seguintes parâmetros relativos ao solvente: volatilidade relativa solvente/soluto (tão alta quanto possível); temperatura de ebulição do solvente (tão baixa quanto possível para minimizar os custos energéticos da destilação); não deve haver formação de azeótropos com o soluto. Outras propriedades – viscosidade, tensão superficial, estabilidade química, reatividade (não pode reagir com o diluente da alimentação), toxicidade e custo. ENG 103 – Operações Unitárias III EXTRAÇÃO L-L 1. Considerações iniciais Os equipamentos para a extração podem operar em: Batelada Fluxo contínuo Misturadores-Decantadores Colunas ENG 103 – Operações Unitárias III EXTRAÇÃO L-L 2. Equipamentos para extração líquido-líquido ENG 103 – Operações Unitárias III EXTRAÇÃO L-L 2. Equipamentos para extração líquido-líquido Na extração, as diferenças entre as fases é menor que no contato gás-líquido. Portanto a gravidade é menos eficiente para a dispersão e separação das fases quando comparada à destilação e absorção. Não se usam bandejas com borbulhadores ou válvulas neste caso. As mais usadas são simplesmente uma colula “livre” de internos com uma fase dispersa na outra através de borrifadores ou “sprays” ou coluna de pratos perfurados. ENG 103 – Operações Unitárias III EXTRAÇÃO L-L 2. Equipamentos para extração líquido-líquido Colunas de bandejas perfuradas ENG 103 – Operações Unitárias III EXTRAÇÃO L-L 2. Equipamentos para extração líquido-líquido ENG 103 – Operações Unitárias III EXTRAÇÃO L-L 3. Equilíbrio na extração líquido-líquido • Cada um dos vértices do triângulo corresponde a um dos componentes. • As misturas de dois componentes são representadas pelas laterais do triângulo • Uma mistura que contém os três componentes representa-se em seu interior Os componentes são: A: o soluto a ser extraído (A) – geralmente representado no vértice superior do triângulo. S: o solvente de extração (S) – no vértice da direita B: o solvente ou diluente original (B) – no vértice esquerdo do triângulo. Atenção! S e B podem estar invertidos! ENG 103 – Operações Unitárias III EXTRAÇÃO L-L 3. Equilíbrio na extração líquido-líquido ENG 103 – Operações Unitárias III EXTRAÇÃO L-L 3. Equilíbrio na extração líquido-líquido ENG 103 – Operações Unitárias III EXTRAÇÃO L-L 3. Equilíbrio na extração líquido-líquido A Fração molar de S S B ENG 103 – Operações Unitárias III EXTRAÇÃO L-L 3. Equilíbrio na extração líquido-líquido Fração molar de S A S B ENG 103 – Operações Unitárias III EXTRAÇÃO L-L 3. Equilíbrio na extração líquido-líquido Fração molar de S A S B Qual é a composição da mistura P? ENG 103 – Operações Unitárias III EXTRAÇÃO L-L 3. Equilíbrio na extração líquido-líquido P Fração molar de A = 30% Fração molar de B = 50% Qual é a composição da mistura P? ENG 103 – Operações Unitárias III EXTRAÇÃO L-L 3. Equilíbrio na extração líquido-líquido P Fração molar de A = 30% Fração molar de B = 50% Fração molar de S = 20%  = 100% Determinação experimental de dados de equilíbrio para o sistema de três componentes. Os dados de equilíbrio são fundamentais para o estudo dos processos de separação por extração. A curva binodal e as linhas de amarração são construídas simultaneamente através da análise química do sistema. A mistura homogênea de composição M é agitada em uma célula (funil de separação) por um certo tempo. Deixa-se decantar até que o equilíbrio seja atingido, mantendo a temperatura constante, resultando em duas fases. Amostras de cada uma das fases são analisadas e determinadas as suas composições, obtendo-se assim uma linha de amarração. Repetindo-se o procedimento para diferentes proporções dos componentes, obtém-se a curva binodal e as linhas de amarração. ENG 103 – Operações Unitárias III EXTRAÇÃO L-L 3. Equilíbrio na extração líquido-líquido MISTURA 1 MISTURA 2 $ O 04, XEXENAN oo & / o PPP, EPI 10,5 : v , s , y s 0,0 01 0,2 03 04 05 06 07 0,8 09 1,0 Água MISTURA 1 MISTURA 2 MISTURA 3 MISTURA 4 MISTURA 5 Tie-Lines = linhas de amarração (unem os extratos e os resíduos em equilíbrio) A curva binodal separa a zona de miscibilidade parcial dos componentes A e B (abaixo da binodal), da zona de miscibilidade total (acima da binodal). M = mistura dos componentes A, B e C com duas fases distintas em equilíbrio: R = composição do rafinado E = composição do extrato P = extrato e um rafinado em equilíbrio com a mesma composição. ENG 103 – Operações Unitárias III EXTRAÇÃO L-L 3. Equilíbrio na extração líquido-líquido A S B .Atenção! Se S e B estiverem invertidos, Extrato e Rafinado também estarão. Exercício (ENADE 2003) De modo a evitar danos ao meio ambiente, um efluente contendo inicialmente 30% em massa de acetona e 70% em massa de água é e extração com metilisobutil cetona (MIBK). A mistura produzida apresenta a seguinte composição em massa: 33% de MIBK. a) Calcule a fração de acetona recuperada no extrato, considerando-se um único estágio de equilibrio. bj)O que você recomenda para reduzir o teor de acetona no rafinado? 1.00 Acetona g 0.7 Fase de extração. 0.3 a PNR E EN EN + A Fase de rafinamentr à E s És L ss os “a É 036 PAIRA 07 % Ú : NESSES DN) PORRA? & DER 0.14 / HP NAN! NE NEN TR a AAA 09 KSNI III SAR TIe NAN O MIK 1.00 VE SE E NENE NÃO SE SPP EN 1.00 H,0 (s) A 09 08 07 06 05 04 03 02 01 B db) Fração Mássica MIBK Sistema Acetona - MIBK - Água a 25 ºC In: MeCABE, W. L.: SMITH, J. C.; HARRIOT, P. Unit Operations of Chemical Engineering. McGraw-Hill, USA, 1993, p. 633. Exercício (ENADE 2003) De modo a evitar danos ao meio ambiente, um efluente contendo inicialmente 30% em massa de acetona e 70% em massa de água é raçé ilisobutilcetona (MIBK). A mistura produzida apresenta a seguinte composição em massa: É 33% de MIBK. a) Calcule a fração de acetona recuperada no extrato, considerando-se um único estágio de equilibrio. bj)O que você recomenda para reduzir o teor de acetona no rafinado? 1.00 Acetona g 0.7 Fase de extração. 0.3 o ENS NES EM AM É Aos de tafinamentorh, oa à PESA º E So DER 0.14 / HP NAN! NE NEN TR ara LPP I II PSA SAID SL NENE NE NE NENE SE RESET EN MIK 1.00 R (s) A 09 08 07 06 05 04 03 02 01 B db) Fração Mássica MIBK Sistema Acetona - MIBK - Água a 25 ºC In: MeCABE, W. L.: SMITH, J. C.; HARRIOT, P. Unit Operations of Chemical Engineering. McGraw-Hill, USA, 1993, p. 633. Exercício (ENADE 2003) De modo a evitar danos ao meio ambiente, um efluente contendo inicialmente 30% em massa de acetona e 70% em massa de água é raçé ilisobutilcetona (MIBK). A mistura produzida apresenta a seguinte composição em massa: É 33% de MIBK. a) Calcule a fração de acetona recuperada no extrato, considerando-se um único estágio de equilibrio. bj)O que você recomenda para reduzir o teor de acetona no rafinado? 1.00 Acetona g 0.7 Fase de extração. 0.3 o ENS NES EM AM É Aos de tafinamentorh, oa à PESA º E So DER 0.14 / HP NAN! NE NEN TR ara LPP I II PSA SAID SL NENE NE NE NENE SE RESET EN MIK 1.00 R (s) A 09 08 07 06 05 04 03 02 01 B db) Fração Mássica MIBK Sistema Acetona - MIBK - Água a 25 ºC In: MeCABE, W. L.: SMITH, J. C.; HARRIOT, P. Unit Operations of Chemical Engineering. McGraw-Hill, USA, 1993, p. 633. 1.00 Acetona AIN 02 o SAIA S 0.7%fasede extração — EXTRATO & Fase de rafinamento T 064% XÁ 0. ? , [NUR NASA [NUNO ENA ANAL es TN] RPA NAN “ 0.4 / VPL SEL SE SESESSAN A 0.6 O LNSALNT SP PA A A NAN É 03/64 SEIOS ILESO 0.7 % E OLDEST | ESSA PALA Lo 8 0. DAR RITO MORRIS NAVAVAVA VNZ AAA NANA ORAR REAR MIK 1.00 Ms É 2 (s) A 09 08 07 06 05 04 03 02 01 B (b) Fração Mássica MIBK Comportamento do equilíbrio em relação à temperatura À medida que aumenta a temperatura a solubilidade mútua dos componentes aumenta (geralmente) devido à agitação molecular. Com isso, a área bifásica nos diagramas triangulares vai sendo cada vez mais reduzida. ENG 103 – Operações Unitárias III EXTRAÇÃO L-L 3. Equilíbrio na extração líquido-líquido De diagrama tipo I para tipo II com mudança de temperatura Diagrama tipo II Diagrama tipo I ENG 103 – Operações Unitárias III EXTRAÇÃO L-L 3. Equilíbrio na extração líquido-líquido ENG 103 – Operações Unitárias III EXTRAÇÃO L-L 3. Equilíbrio na extração líquido-líquido ENG 103 – Operações Unitárias III EXTRAÇÃO L-L 3. Equilíbrio na extração líquido-líquido Curva de distribuição a partir do triângulo retângulo: Fonte: Foust ENG 103 – Operações Unitárias III EXTRAÇÃO L-L 3. Equilíbrio na extração líquido-líquido ENG 103 – Operações Unitárias III EXTRAÇÃO L-L 4. Extração líquido-líquido em um estágio S yS xS xSM F ra ç ã o m á s s ic a d e S Fração mássica de A yA xA xAM A B V L M Balanços matéria no extrator simples: Global: V + L = M Componente A: V yA + L xA = M xAM Componente C: V yS + L xS = M xSM ENG 103 – Operações Unitárias III EXTRAÇÃO L-L 4. Extração líquido-líquido em um estágio S yS xS xSM F ra ç ã o m á s s ic a d e S Fração mássica de A yA xA xAM A B V L M R E ENG 103 – Operações Unitárias III EXTRAÇÃO L-L 4. Extração líquido-líquido em um estágio S yS xS xSM F ra ç ã o m á s s ic a d e S Fração mássica de A yA xA xAM A B V L M R E 1.00 Acetona PINDA. vo o SAIA S 0.74Fasede extração — EXTRATO & Fase de rafinamento T 064% XÁ 0. ? , [NUR NASA ANN EST PANA SG PN 04 (VELAS SESESESS AA % o DVAV/SAVAV TAVA VAN AVAN É 034 SSL SESI % E GALP SAY SLLDESSO | & 0.2 4 BESSA IPPS o 8 PESTE Y = EAS coma a X/N NA Le XT VV NZ AA ZA, DOGS OO OO RREAAAA 1.00 H,O V MV N (s) A 09 08 07 06 05 04 03 02 01 B (b) Fração Mássica MIBK  Existem dois métodos para determinação do número de estágios de equilíbrio necessários para uma operação de extração líquido-líquido: A) Método McCabe-Thiele: relaciona a curva de distribuição com a linha de operação do sistema B) Método Hunter-Nash: relaciona os diagramas ternários (equilátero ou retângulo), suas linhas de amarração e as condições de operação na entrada e na saída dos fluxos. ENG 103 – Operações Unitárias III EXTRAÇÃO L-L 5. Extração líquido-líquido em multiestágio Definições preliminares relevantes: S = taxa mássica ou volumétrica de solvente E = taxa mássica ou volumétrica de extrato (concentração maior de solvente) y= fração mássica ou volumétrica de soluto (A) no extrato F = taxa mássica ou volumétrica de alimentação R = taxa mássica ou volumétrica de rafinado (concentração maior de diluente) x = fração mássica ou volumétrica de soluto (A) no rafinado 1 2 N N+1 F x F E 1 y 1 E 2 y 2 E N y N E N+1 y N+1 S y S R 1 x 1 R 2 x 2 R N x N R N+1 x N+1 Para ambos os métodos, considere a cascata de extração contracorrente: ENG 103 – Operações Unitárias III EXTRAÇÃO L-L 5. Extração líquido-líquido em multiestágio 1 2 N N+1 F x F E 1 y 1 E 2 y 2 E N y N E N+1 y N+1 S y S R 1 x 1 R 2 x 2 R N x N R N+1 x N+1 Volume de controle A linha de operação para a bateria de extratores é obtida de forma clássica: balanço material nos n primeiros estágios de equilíbrio: 1) Balanço global: F + E N+1 = R N + E 1 2) Balanço para o soluto: F.x F + E N+1 .y N+1 = R N .x N + E 1 .y 1 Linha de operação: Na extração líquido-líquido: F > E N > E 1 S < R N < R N+1 ENG 103 – Operações Unitárias III EXTRAÇÃO L-L 5. Extração líquido-líquido em multiestágio 1 2 N N+1 F x F E 1 y 1 E 2 y 2 E N y N E N+1 y N+1 S y S R 1 x 1 R 2 x 2 R N x N R N+1 x N+1 x N+1 y S ENG 103 – Operações Unitárias III EXTRAÇÃO L-L 5. Extração líquido-líquido em multiestágio 1 2 N N+1 F x F E 1 y 1 E 2 y 2 E N y N E N+1 y N+1 S y S R 1 x 1 R 2 x 2 R N x N R N+1 x N+1 x N+1 y S Inclinação da curva de operação = E/R ENG 103 – Operações Unitárias III EXTRAÇÃO L-L 5. Extração líquido-líquido em multiestágio Equilibrio liquido-líquido: Etilenoglicol/Água/Furfural (Frações mássicas, 298 K e 101.325 Pa) Etilenoglicol 0,8 0,9 01 ado Y Y SAN VV V vôyv dy ZEN ou ú Água Futvral co oq 02 03 04 05 06 o 08 09140 9 O ouestoenão Concunsos.com.br Equilibrio liquido-líquido: Etilenoglicol/Água/Furfural (Frações mássicas, 298 K e 101.325 Pa) Etilenoglicol 0,0 A 1,0 0,9 Y 01 y NV 84 VV EEE TESM, so E Água Futvral co oq 02 03 04 05 06 o 08 09140 9 8 v Questoesde Concunsos.com.br Equilibrio liquido-líquido: Etilenoglicol/Água/Furfural (Frações mássicas, 298 K e 101.325 Pa) Etilenoglicol 0,0 A 1,0 1,0 " Agua Futvral co oq 02 03 04 05 06 o 08 09140 9 8 v Questoesde Concunsos.com.br Equilíbrio liquido-líquido: Etilenoglicol/Água/Furfural (Frações mássicas, 298 K e 101.325 Pa) Etilenoglicol 0,0 A 1,0 1,0 Furfural 7) SA Questoesde Concunsos.com.br Equilíbrio liquido-líquido: Etilenoglicol/Água/Furfural (Frações mássicas, 298 K e 101.325 Pa) Etilenoglicol 0,0 A 1,0 1,0 Furfural o “ 4 Questoesde Concunsos.com.br Equilíbrio líquido-líquido: Etilenoglicol/Água/Furfural (Frações mássicas, 298 K e 101.325 Pa) Etilenoglicol 0,0 A 1,0 1,0 Furfural 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 RM “ 4 Questoesde Concunsos.com.br