Introdução à Extração Líquido-Líquido: Conceitos e Aplicações

Introdução Alternativa à destilação Na destilação o líquido é parcialmente vaporizado para criar outra fase que é o vapor A separação dos componentes depende das pressões de vapor relativas das substâncias As fases vapor e líquida são semelhantes quimicamente Na ELL as duas fases são muito diferentes quimicamente o que leva a uma separação dos componentes de acordo com as propriedades físicas e químicas A escolha do processo depende do custo Introdução Frequentemente usada a nível laboratorial quanto em escala industrial Não envolve mudança de fase podendo ser efetuada a temperatura ambiente Adequado para tratar produtos termossenssíveis ex soluções de proteínas Introdução Separação de dois líquidos miscíveis A B A soluto B diluente e C solvente Contato com um segundo solvente líquido C Os componentes da mistura A e B são solúveis em diferentes graus no solvente Na situação ideal o componente a ser extraído A é solúvel no solvente C e o outro componente é insolúvel B Introdução Também denominada extração por solvente SOLUTO A substância de interesse DILUENTE B substância com a qual o soluto forma a diluição original SOLVENTE C substância utilizada para extrair o soluto EXTRATO solvente mais soluto CA REFINADO solução inicial extraída o soluto AB Introdução O componente não extraído inerte B deve ser suficientemente insolúvel para se formarem duas fases que possam ser extraídas O soluto difundese com uma velocidade característica até que sejam atingidas as concentrações de equilíbrio em cada uma das fases A extração líquido líquido é um processo que pode ser executado sob baixas temperaturas sendo portanto recomendada quando envolve substâncias que se degradam com o aquecimento Misturas azeotrópicas também são passíveis de passarem por uma etapa extrativa quando o mercado exige concentrações do soluto mais elevadas que a concentração azeotrópica Por resultar em uma solução frequentemente a extração aparece associada à uma outra operação unitária usualmente a destilação Introdução Num processo de extração típico apenas 3 do custo de operação estão no extrator Os 97 restantes estão associados nas operações de separação adicionais na recuperação do solvente Considerações Processo de purificação de uma água residual contendo fenol Água residual B Fenol A Metilisobutilcetona C Desabsorção do Fenol Destilação para recuperação do solvente Considerações A escolha por um processo de extração é decorrente de Impossibilidade de se separar por destilação Existência de azeótropos Elevado consumo de energia na destilação Material termo sensível Exemplos de aplicações Ácido acético separado de uma solução aquosa pelo contato com éter isopropílico Recuperação de penicilina do caldo de fermentação pela extração com butil acetato Remover componentes indesejáveis dos óleos lubrificantes e de outras frações do petróleo cru Refino de petróleo produtos com mesma faixa de temperatura de ebulição porém com estruturas químicas diferentes Separação de ácidos provenientes de óleos vegetais por contato com propano líquido Seleção do Solvente Os solventes diferem na capacidade de extração de acordo com Estrutura química Estrutura química dos solutos É possível encontrar na literatura listas de parâmetros para identificar os grupos funcionais no solvente adaptados a determinado soluto Possíveis solventes testados em laboratório Exemplos de processos industriais de extração líquidolíquido Seleção do Solvente Parâmetros mais importantes Coeficiente de distribuição razão das concentrações do soluto A na fase extrato e na fase refinado Seletividade capacidade do solvente retirar o componente desejado da mistura de alimentação Seleção do Solvente As propriedades desejadas nos solventes são Baixa solubilidade Elevados valores de coeficientes de distribuição muito A no extrato e pouco no refinado Boa seletividade para o soluto Baixa ou nenhuma miscibilidade na solução de alimentação Fácil recuperação do solvente para reciclo Seleção do Solvente Outros fatores que afetam a seleção dos solventes são Ponto de ebulição Densidade Tensão superficial Viscosidade Corrosividade Inflamabiliade Toxicidade Estabilidade química e térmica Compatibilidade com o produto Disponibilidade no mercado Custo Seleção das Condições de Extração O rendimento e a seletividade do processo de extração podem ser afetados pela temperatura pH e tempo de residência A maior parte dos processos de extração ocorre à pressão atmosférica Temperaturas elevadas são usadas para manter a viscosidade baixa e minimizar a resistência à transferência de massa A precipitação de sólidos nos extratos deve ser evitada O tempo de residência é importante em processos de extração reativa e em processos envolvendo componentes de baixa estabilidade Equipamentos de Extração Funil de Separação Misturadores Decantadores Dispositivos Centrífugos Colunas de Contato Critérios de Dimensionamento Função básica do equipamento de extração Misturar as duas fases Proceder a separação das fases Mistura insuficiente forma gotas grandes com redução na área interfacial Reduz a transferência de massa Baixa a eficiência dos pratos Critérios de Dimensionamento Elevada agitação mistura minimiza a resistência à transferência de massa mas contribui para a formação de gotas muito pequenas e difíceis de decantar As características da decantação dependem de Propriedades do fluido diferenças de densidade tensão superficial e viscosidade da fase contínua Intensidade da mistura As alterações das propriedades físicas e do escoamento ao longo do comprimento do extrator deve também ser considerada no dimensionamento da unidade Misturadores Decantadores Extrato Refinado Misturadores Decantadores Podem ser operados de forma contínua ou descontínua Série de tanques agitados ou não separados por unidades de decantação Ex usina metalúrgica onde são necessários elevados tempos de contato e de mistura Extrator Centrífugo Máquinas rotativas de alta velocidade Único estágio Baixo tempo de residência vantagem Ex indústria farmacêutica Extrator Centrífugo Usado desde 1944 com sucesso para a extração de penicilina Tempo de residência pequeno Previne a emulsificação Pode separar fases líquidas de diferenças de densidade tão pequenas quanto 001 gcm3 Colunas de Extração Quando o número de estágios requerido é muito elevado a extração tem de ser conduzida em colunas de extração Estas colunas podem ser estáticas ou agitadas As colunas estáticas podem ser de Pratos Enchimento ou Spray As colunas agitadas podem ser de Discos rotativos ou pulsantes Coluna de Pratos Taxas de extração em colunas de pratos perfurados são altas porque gotas da fase dispersa se aglutinam e se reestabelecem em cada prato Coluna de enchimento Este tipo de coluna melhora a transferência de massa pela quebra de gotas grandes para aumentar a área interfacial Com exceção dos anéis de Raschig os recheios usados na destilação e absorção são adequados para a extração líquidolíquido Diagramas de Equilíbrio Triângulo Equilátero Diagrama Retangular Diagrama de Equilíbrio Misturas ternárias soluto diluente e solvente Diagramas triangulares Três regiões merecem destaque Vértices Lugar geométrico de uma única substância lado oposto representa a ausência desta substância Lados Misturas binárias Interior Misturas ternárias Diagrama de Equilíbrio Composição da fase mais rica em C extrato presença apenas da substância A mistura binária com 60 de A e 40 de B mistura 50 de A 20 de B e 30 de C região onde duas fases líquidas estão em equilíbrio Composição da fase mais rica em B refinado Composição global das duas fases mistura Diagrama de Equilíbrio Líquido A dissolve completamente em B ou em C B é levemente solúvel em C e C é levemente solúvel em B A B C Efeito da Temperatura Efeito da temperatura no sistema nHexano H metilciclopentano M anilina A Solubilidade do Solvente Solvente preferível B eC tem solubilidade mútua pequena A região de duas fases líquidas é grande Solvente ruim B e C têm alta solubilidade mútua A região de duas fases líquidas é pequena A A B B C C Diagrama de Equilíbrio Coordenadas retangulares Sistema ácido acético A água B éter isopropílico C O par de solventes B e C são parcialmente miscíveis Concentração de C no eixo y Concentração de A no eixo x Concentração de B C A B C A B y y y x x x 01 01 Refinado Extrato 1 Balaços de Massa E R E x x R S F S x F x x M x E x R x S x x F E R E x x R S F S x F x x M x E x R x S x x F M E R S F E C R C S C F C M C M C E C R C S C F C E A R A S A F A M A M A E A R A S A F A F E S R M 2 3 4 0 0 Exercício 1 Uma mistura original pesando 100 kg contendo 10 kg de ácido acético 60 kg de água e 30 kg de éter isopropílico está equilibrada e as fases em equilíbrio estão separadas Quais são as composições das duas fases Quais as quantidades de E e R 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 éter C ácido acético A ácido acético A água B éter C M E R F S Exercício 2 A 25 oC e 1 atm misturamse 100 g de uma solução contendo 45 em massa de etilenoglicol e 55 de água com 200 g de furfural puro Usando o diagrama a seguir determine as composições das correntes de refinado e de extrato resultantes da mistura F M R E Extrato Et 9 Ag 4 Fur 87 Refinado Et 33 Ag 57 Fur 10 Exercício 3 A 298 K e 1 atm a acetona é extraída de 50 kgh de uma solução aquosa com 60 em massa de acetona usando 50 kgh de clorofórmio num sistema de extração de um estágio Calcule as correntes e as composições das correntes de extrato e refinado Uma corrente de 13500 kg com 20 massa de ácido acético em água deve ter o ácido extraído com clorofórmio porque a destilação requereria vaporização de muita água Se o refinado sair com 15 de ácido acético qual a vazão de solvente para um estágio de equilíbrio considerando que A e C são mutuamente insolúveis Exercício 4