Conceitos Básicos de Operações Unitárias III

OPERAÇÕES UNITÁRIAS III Aula OPIII02 Prof Henrique Cardias CONCEITOS BÁSICOS Processo Químico Preparação Reator Purificação Purificação e preparação Transformação Separação e purificação Produto Outros produtos Reagentes que não reagiram Matérias primas OBS num processo químico à escala industrial o investimento em operações de separação gira em torno de 50 do investimento total Processo de Separação Para que ocorra uma separação tem de haver uma diferença numa propriedade química ou física entre os componentes da corrente de alimentação Esta diferença é a força motriz responsável pela separação Quando a força motriz é nula o sistema encontrase em um estado em que não sofre espontaneamente qualquer mudança equilíbrio As diferenças entre as condições em que o sistema se encontra e a de equilíbrio determinam as forças motrizes dos fenômenos de transporte Processo de Separação Forças motrizes e agentes de separação de algumas operações Operação Força motriz Agente de separação Destilação Pressão de vapor Calor Absorção Solubilidade de um gás num líquido Líquido não volátil absorvente Extração líquidolíquido Distribuição do soluto entre as fases Líquido imiscível solvente Extração sólidolíquido Solubilidade do soluto num líquido Líquido imiscível solvente Processo de Separação As separações envolvem um processo não espontâneo porque inverte o processo de mistura A extensão da separação é limitada pelo equilíbrio termodinâmico A velocidade de separação é limitada pela taxa de transferência de massa Dados de equilíbrio entre fases são indispensáveis para o cálculo e projeto de equipamentos onde ocorrem operações que envolvem transferência de massa Possibilidades Obtenção experimental dos dados de equilíbrio Predição termodinâmica dos dados de equilíbrio Dados de equilíbrio necessários Operação Unitária Dados Destilação LíquidoVapor Extração LL LíquidoLíquido Absorção LíquidoVapor Lixiviação SólidoLíquido Adsorção SólidoLíquido ou SólidoGás Modelos físicos para o estudo das operações unitárias Modelo do estágio de equilíbrio A análise é baseada em um dispositivo no qual duas correntes afluentes interagem até atingir o equilíbrio no instante em que abandonam o dispositivo estágio A solução do problema é geralmente feita por técnicas gráficas Modelos físicos para o estudo das operações unitárias Modelo da taxa de transferência A análise é baseada na estimativa da taxa de transferência entre duas correntes mantidas em contato contínuo Esta taxa multiplicada pelo tempo de contato fornece a quantidade de transferência que pode ser atingida A solução do problema envolve a resolução de equações diferenciais Qual abordagem escolher Mecanismos de Separação Separação por adição ou criação de fase Se a mistura que constitui a corrente de alimentação for homogênea promove se a criação de uma segunda fase com o objetivo de obter a separação Esta segunda fase pode ser Criada pela transferência de energia ou redução da pressão Criada pela Introdução de um agente externo de separação solvente Ex Destilação Absorção Extração líquidolíquido Evaporação etc OBS Outros mecanismos de separação por membranas por agente sólido adsorção troca iônica por campo externo ou gradiente usadas frequentemente em tecnologias biológicas ex eletroforese Corrente paralela versus contracorrente Em um processo a corrente paralela a força motriz vai diminuindo ao longo da coluna reduzindo deste modo a velocidade de transferência de massa Logo para uma dada recuperação os processos em contracorrente são sempre mais eficientes Simulação de processos Desempenha um papel determinante em qualquer ação relativa a um processo de separação Alguns simuladores comerciais HYSYS WinSim UniSim Aspen ProSim Chemsep gratuito wwwchemseporg OPERAÇÕES ENVOLVENDO TRANSFERÊNCIA DE CALOR EOU MASSA Absorção Fases envolvidas liquida e gasosa Princípio Um soluto ou vários contido na fase gasosa é transferido absorvido para fase líquida Exemplos Absorção de amônia contida no ar com água Absorção de SO2 contido em gases de combustão por absorção em solução alcalina Absorção de hidrogênio em óleos vegetais durante reações de hidrogenação OBS 1 Dessorção stripping é o processo inverso da absorção OBS 2 Quando a fase líquida é a água e a fase gasosa é o ar a operação de absorção é chamada umidificação Prof Henrique Cardias Processos Químicos Industriais 14 Absorção gasosa remover componentes de uma mistura gasosa através de contato com um líquido Adsorção remover componentes de uma mistura de líquidos ou gases através de contato com um sólido Absorção Destilação Fases envolvidas liquida e vapor Princípio Separação baseada nas diferenças de volatilidade Uma fase vapor entra em contato com uma fase líquida havendo transferência de massa entre as fases O efeito final é o aumento da concentração do constituinte mais volátil no vapor e do menos volátil no líquido Exemplos Separação etanolágua produz um vapor rico em etanol Separação amôniaágua produz um vapor rico em amônia Refino do petróleo OBS 1 Operação mais amplamente usada na indústria química OBS 2 Na destilação as fases líquida e vapor possuem os mesmos componentes Destilação Aula 5 Cálculos de Flash Isotérmico 16 Extração LíquidoLíquido Fases envolvidas Duas fases líquidas Princípio Um soluto ou vários contido em uma das fases líquidas é transferido extraído para a outra fase líquida solvente O solvente deve ser praticamente imiscível no diluente para que haja a formação de duas fases Exemplos Extração de ácido acético contido na água por éter isopropílico Extração de antibióticos contidos na água por solventes orgânicos Extração LíquidoLíquidosremover componentes de uma mistura de líquidos através de contato com outro líquido imiscível 18 Lixiviação Fases envolvidas liquida e sólida Princípio Um soluto ou vários contido na fase sólida é transferido extraído para fase líquida solvente A fase sólida deve estar preferencialmente cominuída para aumentar o contato com o solvente Usualmente o componente desejável é solúvel e o restante do sólido é insolúvel Exemplos Extração de óleos vegetais por solvente Extração de sacarose contida na cana de açúcar por água Extração de cobre contido em minérios por ácido sulfúrico OBS Em virtude de uma das fases ser sólida não escoa esta operação requer equipamentos especiais Adsorção Fases envolvidas fluida e sólida Princípio Um soluto ou vários contido na fase fluida é adsorvido na superfície ou nos poros de um sólido adsorvente Exemplos Remoção de componentes orgânicos da água Separação parafinas de correntes de hidrocarbonetos Purificação do ar OBS O conceito de adsorvente aplicase usualmente a um sólido que mantém o soluto na sua superfície pela ação de forças físicas Estágio de equilíbrio ideal Seção de um equipamento onde entram em contato duas fases diferentes Durante o contato ocorre uma transferência de massa entre as fases Considerase que as fases efluentes estão em equilíbrio Por meio de contato e separações sucessivas das diferentes fases são possíveis grandes modificações nas composições das fases Em um equipamento industrial real o tempo de contato entre as fases não é suficiente para que a mistura efluente atinja o equilíbrio Estágios real x ideal Equipamentos para operações por estágios Devem promover de forma eficiente o contato entre as fases envolvidas na separação Sua configuração depende das características físicas das fases envolvidas São tratados como sendo constituídos por um conjunto de estágios de equilíbrio Na prática o contato entre as fases em cada andar de equilíbrio é geralmente promovido através de pratos ou de uma dada altura de recheios colocados no interior do equipamento Exemplos Coluna de pratos destilação Exemplos Vista aberta de uma coluna de pratos valvuladas coluna de pratos perfurados com vertedor circular central Exemplos Misturadores decantadores extração líquidolíquido Exemplos Misturadores decantadores extração líquidolíquido