Critérios para Seleção de Solventes em Operações Unitárias III

OPERAÇÕES UNITÁRIAS III OPIII13 ELL Seletividade O solvente deverá ser seletivo em relação ao soluto Quanto maior que 1 mais fácil a separação Se a seletividade vale 1 a separação não é possível A seletividade de um solvente varia consideravelmente com a concentração do soluto Coeficiente de distribuição Quanto maior o coeficiente de distribuição menor será a quantidade de solvente necessária para se realizar a separação A separação também é possível para valores de coeficiente de distribuição menor que 1 Critérios para seleção do solvente Imiscibilidade do solvente Solventes com pouca afinidade com o diluente são mais adequados para processos de extração Critérios para seleção do solvente B C A B C A A diluente B e B Solventes C soluto D D OBS apenas misturas localizadas entre A e D podem ser extraídas Recuperabilidade do solvente Geralmente a recuperação do solvente é feita por meio de destilação de modo que é desejável que o solvente tenha as seguintes características a Não forme azeótropo com o soluto b O extrato deve apresentar alta volatilidade relativa c Para os casos em que o solvente é o constituinte mais volátil mais comum seu calor latente de vaporização deve ser baixo Critérios para seleção do solvente Massa específica do solvente Uma grande diferença de massa específica entre as fases extrato e rafinado é desejada para operações de extração líquidolíquido Conforme nos aproximamos do ponto crítico a diferença entre as massa específicas das fases vai diminuindo Critérios para seleção do solvente Massa específica do solvente OBS em alguns casos pode haver uma reversão de massa específica antes de se atingir o ponto P Tal situação implica em um limite de operação para um processo de extração contínua Tensão interfacial Quanto maior a tensão interfacial mais rápida será a coalescência da emulsão ponto favorável para a separação de fases No entanto uma tensão interfacial alta resulta em uma baixa dispersão entre as fases ponto negativo para a transferência de massa Viscosidade A viscosidade do solvente deve ser preferencialmente baixa resultando em menores potenciais para bombeamento e agitação rápida extração alta taxa de transferência de massa e rápida separação Critérios para seleção do solvente além dos fatores já citados o solvente deve também Ser barato Não tóxico pouco inflamável Não corrosivo Quimicamente estável Ter baixo ponto de fluidez Ter alto ponto de fulgor Equipamentos para extração líquidolíquido Misturadoresdecantadores Consistem basicamente em tanques de agitação seguidos de tanques de decantação Podem operar em série No caso de processos descontínuos as duas etapas mistura e separação podem ocorrer no mesmo tanque Preferido quando o número de estágios de equilíbrio requerido para a separação é pequeno Cada conjunto misturadordecantador corresponde a um estágio do processo O principal problema no uso de misturadoresdecantadores é a formação de emulsões que ocorre geralmente quando as gotas da fase dispersa são da ordem de 1 a 15 μm controle da intensidade de agitação Equipamentos para extração líquidolíquido Colunas de extração Estáticas Colunas de pratos Colunas de enchimento recheio Colunas Spray pulverisadas Agitadas Discos rotativos Pulsantes OBS As colunas estáticas dependem da suas características internas tipo de prato tipo de enchimento sistema de dispersão para criar turbulência e favorecer a transferência de massa de modo que existe uma vazão mínima para a fase dispersa neste tipo de coluna As colunas agitadas são mais flexíveis neste aspecto Equipamentos para extração líquidolíquido Colunas de extração Coluna de pratos O tipo de prato empregado é basicamente o perfurado Quando operada em regime de fluxo hidrodinâmico adequado as velocidades de extração são elevadas As gotas da fase dispersa coalescem e voltam a se formar em cada estágio o que reduz a possibilidade de existência de gradientes de concentração na fase dispersa Equipamentos para extração líquidolíquido Colunas de extração Coluna de enchimento O recheio empregado deve apresentar uma alta molhabilidade pela fase líquida contínua Semelhante a operação de destilação só são empregadas em situações onde as dimensões da coluna são pequenas Equipamentos para extração líquidolíquido Colunas de extração Coluna de spray As maiores velocidades de transferência de massa ocorrem perto do distribuidor Em zonas mais afastadas as gotas tendem a coalescer Tem seu uso limitado em aplicações que requerem poucos estágios de equilíbrio Equipamentos para extração líquidolíquido Colunas de extração agitadas Coluna de discos rotativos Coluna agitada geralmente empregada nos casos em que a tensão interfacial eou a diferença de massa específica entre as fases são altas Nesta situação a força gravitacional é insuficiente para criar uma dispersão adequada Equipamentos para extração líquidolíquido Colunas de extração agitadas Coluna pulsante Promovese um movimento alternado de baixa amplitude das fases facilitando a transferência de massa e a separação Requer normalmente um terço dos andares das colunas não pulsadas equivalentes Podem operar com pratos ou com enchimento Equipamentos para extração líquidolíquido Extratores centrífugos Utilizam a força centrífuga para facilitar a separação São empregados nos casos em que existe tendência a formação de emulsão as diferenças de massa específica entre as fases são pequenas ou quando são requeridos pequenos tempos de residência do soluto ex extração de antibióticos que se deterioram rapidamente É principalmente utilizado na indústria farmacêutica Extrator Podbieniak Equipamentos para extração líquidolíquido As duas fases são alimentadas continuamente em contracorrente A alimentação entra por tubos colados perpendicularmente ao eixo de rotação do tambor e em posições diferentes na caixa cilíndrica O espaço anelar entre cada par de cilindros funciona como um misturadordecantador O líquido pesado sai pelos tubos localizados próximos a periferia enquanto o líquido leve sai pelos tubos próximos ao eixo Equipamentos para extração líquidolíquido Comparativo resumido Tipo de equipamento Vantagens Desvantagens Misturadoresdecantadores Bom contato Opera com vazões elevadas Boa eficiência Pé direito baixo Elevado consumo energético Grande espaço de solo Pode requerer bombeamento entre estágios Custos inicial e de operação altos Colunas estáticas Baixo custo inicial Baixo custo operacional Simples construção Pédireito alto Eficiência inferior aos MD Colunas agitadas Boa dispersão Custo de investimento moderado Não utilizada para casos em que a diferença de massa específica é pequena Opera com vazões moderadas Extratores centrífugos Opera nos casos em que a diferença de massa específica é pequena Baixo tempo de residência Alto custo inicial Alto custo de operação Alto custo de manutenção Extração líquidolíquido Métodos de Cálculo Operação a contato simples 1 Separação do solvente Separação do solvente Alimentação F xF Solvente B Rafinado R1 x1 Extrato E1 y1 Produto Rafinado R Produto Extraído E solvente solvente M F B E1 R1 E R C A Extração líquidolíquido Métodos de Cálculo Balanços de massa para uma operação a contato simples Balanço na alimentação Balanço para o soluto Regra da alavanca Balanço na tie line Balanço para o soluto Combinando estas equações obtemos B F M B F M Bx Fx Mx 0 B F Fx x F M MB FM F B 1 1 1 1 R x E y MxM M R E 1 1 1 1 1 1 x y x M x E M 1 1 1 1 x y x M y R M Extração líquidolíquido Métodos de Cálculo Cálculo das quantidade de produto extraído e produto rafinado Cálculo das quantidades máxima e mínima de solvente E R F R x E y FxF x y x F x E F E F R M F B E1 R1 E R C A Mínima R0 Máxima EF Extração líquidolíquido Métodos de Cálculo Quantidade mínima de solvente Quantidade máxima de solvente R0 B F 0 0 B R B F R x B Fx 1 0 0 min R B B R x Fx B balanço para o solvente 0 EF B F B EF F B F E x B Fx 1 max F F E B B E x Fx B balanço para o solvente 0 Questão 01 100 kg de uma mistura de ácido acéticoclorofórmio com 30 em massa de ácido é tratada a contato simples com água a 18C com o objetivo de extrair o ácido acético Determine a As quantidades mínima e máxima de água que podem ser empregada no processo de extração b A concentração máxima de ácido acético que pode ser obtida no produto extraído c A quantidade de água que deve ser empregada para que a concentração do produto extraído seja máxima Os dados de equilíbrio para o sistema são os seguintes Rafinado Extrato CHCl3 H2O CH3COOH CHCl3 H2O CH3COOH 9901 099 000 084 9916 000 9185 138 677 121 7369 2510 8000 228 1772 73 4858 4412 7013 412 2575 1511 3471 5018 6715 520 2765 1833 3111 5056 5999 793 3208 2520 2539 4941 5581 953 2461 2885 2328 4787 Ácido acético F Bmin Bmax Fração mássica de solvente em R0 e EF xBR0 0057 xBEF 0979 a Os valores de Bmin e Bmax podem então ser calculados Observe que na condição de Bmin a quantidade de extrato produzida é infinitesimal não tendo portanto aplicação prática De fato em situações reais Bmin B Bmax 1 0 0 min R B B R x Fx B 1 max F F E B B E x Fx B 0 057 1 0 057 100 min B kg B 6 min 0 98 1 0 98 100 max B kg B max 4900 b Para determinarmos a máxima concentração do produto extraído devemos traçar uma reta BE tangente a curva binodal o ponto de tangência corresponde a concentração do extrato E 955 de ácido acético Ponto de tangência para um extrato com 25 de soluto c A quantidade de água que deve ser empregada na extração para que a concentração do produto extraído seja máxima pode ser obtida por um balanço de massa M F B xM 017 M M F x x F x B 17 0 017 30 100 B kg B 76 5