Extração Líquido-Líquido: Conceitos e Parâmetros

OPERAÇÕES UNITÁRIAS III OPIII12 ELL EXTRACÇÃO LÍQUIDOLÍQUIDO Extração LíquidoLíquido Consiste na separação de componentes de uma solução líquida alimentação através do contato com um outro líquido imiscível solvente que solubiliza preferencialmente um dos constituinte da solução original soluto As fases líquidas produtos ao final do processo são chamadas Extrato fase rica em solvente Rafinado fase pobre em solvente líquido residual de onde se separou o soluto alimentação solvente rafinado extrato Extração LíquidoLíquido Após a separação do solvente contido no extrato obtemos o produto extraído Após a separação do solvente contido no rafinado obtemos o produto rafinado Etapas fundamentais de um processo de extração líquidolíquido Contato íntimo da alimentação com o solvente Separação das fases líquidas formadas extrato e rafinado Recuperação do solvente OBS As duas primeiras etapas acima constituem um estágio de equilíbrio considerado ideal nos casos em que o tempo de contato é suficiente para que as fases extrato e rafinado estejam em equilíbrio Paralelo entre a extração líquidolíquido e a destilação Extração Destilação Os constituintes de uma mistura líquida são separados através da adição de um solvente líquido imiscível Os constituintes de uma mistura líquida são separados pela adição de calor Se baseia na diferença de solubilidade dos componentes para conseguir a separação Se baseia na diferença de pressão de vapor dos componentes para conseguir a separação A seletividade é uma medida da facilidade de separação A volatilidade é uma medida da facilidade de separação Obtêmse uma nova fase líquida insolúvel por adição do solvente a mistura líquida inicial Obtêmse uma nova fase pela adição de calor As fases são mais difíceis de misturar e de separar A mistura e separação de fases é fácil Não fornece produtos puros e requer tratamento posterior Fornece produtos praticamente puros Paralelo entre a extração líquidolíquido e a destilação Extração Destilação Maior flexibilidade na seleção das condições operatórias Menor flexibilidade na seleção das condições operatórias Requer energia mecânica para a mistura e a separação Requer energia térmica Não precisa de sistema de aquecimento ou resfriamento Precisa de sistema de aquecimento e resfriamento Normalmente é a segunda escolha para a separação dos componentes de uma mistura líquida Normalmente é a primeira escolha para a separação dos componentes de uma mistura líquida Extração LíquidoLíquido Campos de aplicação Situação em que a extração compete com outras operações Escolha é baseada nos custos de operação ex Separação do ácido acéticoágua Esta separação é difícil por destilação no entanto separase com relativa facilidade por extração com o uso de um solvente adequado OBS De um modo geral para soluções diluídas em que a água deve ser evaporada a extração é mais econômica que a destilação basicamente pelo fato do calor de vaporização da maioria dos solventes orgânicos ser substancialmente menor que o da água OBS A extração também é geralmente preterida nos casos onde a alimentação pode sofrer decomposição térmica ex separação de ácidos graxos de óleos vegetais pode ser realizada por destilação sob alto vácuo no entanto a separação por extração com propano líquido é mais econômica Extração LíquidoLíquido Campos de aplicação Situação em que a extração é a única solução Separação de misturas com pressão de vapor próximas volatilidade relativa próxima da unidade ex separação de hidrocarbonetos aromáticos e parafínicos de massas molares próximas Separação de misturas altamente complexas ex purificação de alguns produtos da indústria farmacêutica como por exemplo a penicilina Extração LíquidoLíquido Equilíbrio Na extração líquidolíquido a separação está relacionada com a distribuição diferenciada do soluto entre as fases extrato e rafinado Coeficiente de distribuição ou partição onde yCE é a fração mássica de soluto no extrato xCR é a fração mássica de soluto no rafinado OBS O coeficiente de distribuição é função do solvente empregado da composição da mistura e da temperatura de operação OBS Solventes que proporcionam coeficientes de distribuição na faixa de 5 a 50 são considerados bons solventes R C C E x y K Extração LíquidoLíquido Equilíbrio Seletividade Definida como a razão entre as razões das frações mássicas do soluto e do diluente no extrato e no rafinado onde yC é a fração mássica do soluto no extrato yA é a fração mássica do diluente no extrato xC é a fração mássica do soluto no rafinado xA é a fração mássica do diluente no rafinado OBS A seletividade nos dá uma idéia da eficácia do solvente empregado na separação R A C E A C x x y y Representação Gráfica das Relações de Equilíbrio LíquidoLíquido Diagrama do triângulo equilátero Os vértices do triângulo representam os componentes puros Cada lado representa misturas binárias Qualquer ponto no interior do triângulo representa uma mistura ternária Na figura ao lado A representa o diluente B o solvente e C o soluto As correntes de extrato e rafinado em equilíbrio se posicionam sob a curva binodal interligadas por uma linha de equilíbrio tie line A área abaixo da curva binodal corresponde a um sistema heterogêneo A área acima da curva binodal corresponde a um sistema homogêneo Representação Gráfica das Relações de Equilíbrio LíquidoLíquido Diagrama do triângulo equilátero O ponto P representa o ponto crítico Plait Point situação em que o extrato e o rafinado teriam a mesma composição O sistema ilustrado na figura ao lado é do tipo 31 3 componentes e 1 zona de miscibilidade parcial Também são possíveis sistemas do tipo 32 3 componentes e 2 zonas de miscibilidade parciais e 33 3 componentes e 3 zonas de miscibilidade parciais Uma variação na temperatura pode ocasionar uma transição entre os diversos tipos de sistemas Representação Gráfica das Relações de Equilíbrio LíquidoLíquido Diagrama do triângulo equilátero Sistemas tipo 32 e 33 Representação Gráfica das Relações de Equilíbrio LíquidoLíquido Diagrama do triângulo equilátero Inclinação das linhas de equilíbrio A inclinação das tie lines varia com a natureza da mistura concentração e temperatura podendo apresentarse nas seguintes formas R R R E E E Representação Gráfica das Relações de Equilíbrio LíquidoLíquido Diagrama do triângulo equilátero O ponto 1 tem composição dada por 25 de B 25 de C e 50 de A O ponto 2 tem composição dada por 50 de B 25 de C e 25 de A O ponto 3 tem composição dada por 25 de B 50 de C e 25 de A A C B 1 2 3 Representação Gráfica das Relações de Equilíbrio LíquidoLíquido Diagrama do triângulo equilátero As misturas cujas composições correspondem a pontos sobre uma reta paralela a um dos lados do triângulo possuem composição constante do constituinte localizado no vértice oposto Ex 1 e 2 possuem a mesma concentração em relação ao constituinte C 2 e 3 possuem a mesma concentração em relação ao constituinte A 1 2 3 Representação Gráfica das Relações de Equilíbrio LíquidoLíquido Diagrama do triângulo equilátero Ao misturarmos por exemplo a mistura definida pelo ponto A com a mistura definida pelo ponto B a mistura resultante M estará posicionada sob a reta que une A a B sendo aplicado a regra da alavanca para o posicionamento desta nova mistura A B M MA MB B A B A M Representação Gráfica das Relações de Equilíbrio LíquidoLíquido Diagrama do triângulo equilátero Todos os pontos do segmento que une um vértice com um ponto do lado oposto representam misturas com uma relação constante entre as concentrações dos constituintes situados nos outros dois vértices Ex 1 2 e 3 apresentam uma razão AC constante 1 2 3 Exemplo Considere uma situação em que dispomos de uma solução de H2SO4 a 98 outra de HNO3 a 68 e água Determine com base em um diagrama do triângulo equilátero as quantidades relativas destes componentes que devem ser utilizadas para produzir 500 kg de uma solução com composição de 35 de HNO3 20 de H2SO4 e 45 de água H2SO4 H2O HNO3 Passo 1 posicionar no diagrama as soluções disponíveis HNO3 a 68 H2SO4 a 98 e a solução a preparar P 35 HNO3 20 H2SO4 e 45 H2O H2SO4 H2O HNO3 P M N S W Sabemos que Logo W 1429 kg de H2O e M 3571 kg Temos também que Logo S 998 kg de H2SO4 e N 2573 kg de HNO3 500 P W M 52 0 35 49 0 0 0 35 PM PW W M 357 1 M N S 0 388 0 49 0 0 49 0 68 SM MN N S Diagrama do triângulo retângulo Representa geralmente a fração mássica do solvente no eixo das abcissas e a fração mássica do soluto no eixo das ordenadas A fração mássica do diluente é obtida por diferença Representação Gráfica das Relações de Equilíbrio LíquidoLíquido xB xC Curva de distribuição Representa a fração mássica de soluto no extrato y versus a fração mássica de soluto no rafinado x Representação Gráfica das Relações de Equilíbrio LíquidoLíquido Curva de seletividade Representa a razão entre as frações mássicas do soluto e do diluente ou diluente soluto no extrato e no rafinado Representação Gráfica das Relações de Equilíbrio LíquidoLíquido E C A C y y y R C A C x x x C soluto A diluente I II III IV Seletividade I II III IV Método de Alders Métodos para interpolação das linhas de equilíbrio Linha conjugada P Método de Sherwood Métodos para interpolação das linhas de equilíbrio Linha conjugada P