Slide - Extração Sólido Líquido - 2019-1

Extração SólidoLíquido Prof Drª Luciane F Trierweiler 1 ENG07761 Operações Unitárias II Extração Sólido Líquido Prof Drª Luciane F Trierweiler Departamento de Engenharia Química lucianeenqufrgsbr Extração SólidoLíquido Prof Drª Luciane F Trierweiler 2 Extração SólidoLíquido ESL Remoção preferencial de 1 ou mais componentes pelo contato de um sólido com um solvente Quimicamente ou mecanicamente preso na estrutura do material sólido insolúvel Sólido particulado poroso celular com parede seletiva Outros nomes Extração química Lavagem extrativa Extração difusional Lixiviação Percolação Infusão 27062019 1129 Extração SólidoLíquido Prof Drª Luciane F Trierweiler 3 Aplicações Extração de óleo de soja solvente hexano Extração de óleos vegetais Recuperação de urânio de minérios de baixo teor com ác Sulfúrico ou carbonato de sódio Açúcar de beterraba Taninos a partir da casca de árvores Extração de princípios ativos de plantas Obtenção de sais de cobre cobalto e níquel a partir de minérios por meio de dissolução em ácido sulfúrico ou soluções amoniacais 27062019 1129 Extração SólidoLíquido Prof Drª Luciane F Trierweiler 4 Mecanismo Difusão do seio do líquido superfície interior do sólido e mesmo caminho de volta Solubilidade A maior concentração possível de soluto no solvente ao final da extração é a concentração de saturação Alta solubilidade economia de solvente e alto gradiente de concentração Seletividade em relação ao soluto Equilíbrio Solução aderida ao sólido possui a mesma concentração do restante do solvente 27062019 1129 Solvente Solvente Solvente dissolve soluto Solvente soluto Extração SólidoLíquido Prof Drª Luciane F Trierweiler 5 Relações de Equilíbrio Considerações Sólido livre de soluto é insolúvel no solvente Solvente suficiente está presente todo o soluto pode ser dissolvido e o equilíbrio é alcançado quando o soluto se dissolve Não há adsorção do soluto pelo sólido as fases que deixam 1 estágio tem a mesma concentração de soluto Underflow corrente SL Overflow corrente L 27062019 1129 Solvente Solvente soluto extrato ou overflow Sólidos soluto Sólidos solvente soluto lodo ou underflow Diagramas de Equilibrio Soluto A sdlido B solvente C Concentracdo de inerte B na solucdo ou no lodo 7 kg B kg solido kgAkgC kgsolucado Para o overflow Z0 Para o underflow depende da concentracdo de soluto quanto é retido pelos sdlidos Solvente soluto Solvente soluto Solidos soluto solvente Sdlidos solvente soluto lodo 2 CC eae Se wee Diagramas de Equilibrio Soluto A sdlido B solvente C Composicées no liquido em base livre de solidos kg A kg soluto x no lodo kgAkgC kgsolucao Base livre de solido kg A kgsoluto va kgAkgC kgsolucado no extrato Z0 J Y0 Solvente soluto Solvente extrato A Sodlidos solvente soluto Sdlidos soluto lodo z it X1 Ea Extrac3o SélidoLiquid ea DEQUI eine een ee LU UFRGS Extração SólidoLíquido Prof Drª Luciane F Trierweiler 9 Diagramas de Equilíbrio Soluto A sólido B solvente C 27062019 1129 xAyA xA yA Underflow xA vs Z Overflow yA vs Z Se não houver sólido no overflow Z0 para toda a faixa de concentração Extracao em 1 estagio Vy y 7 V Yo Ly Zy Xp B L2XzB V kgh vazdo de solucgdo soluto solvente no overflow c comp y kgh vazdo de liquido no lodo soluto solvente c comp x B kgh vazdo de sdlidos secos livre de solucado Balanco para a solucao soluto A solvente C Py rhc i deAC w fa Balanco para o componente A i Can Balanco para os sdlidos B if wre aan felted E Extracdo SélidoLiquido C9 DEQUI Prof Dr Luciane F Trierweiler 20 eA 1 UFRGS Extracao em 1 estagio Vi Y Vx V2 Lo V21VM LoXao V2a2 L1X41 ViVa1 Mam Ly Zy Xp B Ly Zp Xp B BZolo0241 0ZyM X VS Z Lo Z Zu M i 1 VY VS Z iV Yam YA A Ea Extracdo SdélidoLiquido GS 2 DEQUI Prof Dr Luciane F Trierweiler 20 ley 2S ee MH UFRGS Extracao em 1 estagio Vi VV Lp V2 1VM pa LoXao V2Va2 L1X41 Via1 MXam Ly Zo Xo B L ZXB BZolo9021410ZyM Exemplo Geankoplis 1291 p811 Extracdo de dleo de soja com hexano Alimentacdo 100 kg de soja contendo 20 em 6leo Solvente 100 kg de hexano puro 7 para o underflow é constante e igual a 15 kg solidokg solucdo Calcular as quantidades e composicées do overflow V e do lodo L Ea Extracdo SdélidoLiquido GS DEQUI Prof Dr Luciane F Trierweiler 20 eA Me UFRGS Extracao em multiplos estagios em contracorrente y jo Vay ve ts Ve Vast Vn Yuet Voor ECEGHEEBEEE Lo ba Lg Lines bn Leyan Ly Xy L Stsdes A wlito Bal 5 M vazdo total alanco para a solucao soluto A solvente C a Lo Vn41 ytV M Balanco para o componente A LoX40 Vusi1 Vane LnXan Vias1 MXam Balanco para os solidos B B ZoLo Zyln ZyM xtracao SdlidoLiquido Fa DEQUI i a Tvierwelle 20 eA ad UFRGS Extração SólidoLíquido Prof Drª Luciane F Trierweiler 20 Extração em múltiplos estágios em contracorrente 27062019 1129 xN ou y1 yN1 y1 x0 xN Z0 Extração SólidoLíquido Prof Drª Luciane F Trierweiler 21 Com os dados das correntes de alimenta ção e solvente localizar o ponto M Especificando V1 ou LN o ponto LN ou V1 pode ser localizado traçando uma linha passando por M As concentrações em equilíbrio são en contradas pelas linhas de união verti cais Para a linha de operação usar o ponto P Extração em múltiplos estágios em contracorrente 27062019 1129 P yN 1 y 1 x0 xN Z0 Extração SólidoLíquido Prof Drª Luciane F Trierweiler 22 Com os dados das correntes de alimenta ção e solvente localizar o ponto M Especificando V1 ou LN o ponto LN ou V1 pode ser localizado traçando uma linha passando por M As concentrações em equilíbrio são en contradas pelas linhas de união verti cais Para a linha de operação usar o ponto P Extração em múltiplos estágios em contracorrente 27062019 1129 P yN 1 y 1 x0 xN Z0 Extração SólidoLíquido Prof Drª Luciane F Trierweiler 23 Um sistema contínuo em contracorrente com múltiplos estágios é usado para extrair óleo de farinha bruta usando benzeno como solvente O processo deve tratar 1000 kgh de sólido inerte B contendo 400 kg de óleo A e também 25 kg de benzeno C O solvente consiste numa mistura de 655 kgh de benzeno e 10 kgh de óleo Ao final da extração os sólidos devem conter 60 kg de óleo Experimentos de sedimentação similares àqueles no extrator atual mostram que a solução retida depende da concentração de óleo na solução Os dados são tabulados abaixo com Z kg de sólido inerte Bkg solução e yA kg óleo Akg solução Quantos estágios são necessários Extração em múltiplos estágios em contracorrente 27062019 1129 Z Extração SólidoLíquido Prof Drª Luciane F Trierweiler 28 Extração em múltiplos estágios em contracorrente 27062019 1129 1 4 3 2 L0 xA0 L1 xA1 L2 xA2 L3 xA3 L4 xA4 V5 yA5 V1 yA1 V2 yA2 V3 yA3 V4 yA4 Extração SólidoLíquido Prof Drª Luciane F Trierweiler 29 Exercício para o exemplo resolvido em aula calcular as vazões e preencher a tabela abaixo Extração em múltiplos estágios em contracorrente 27062019 1129 1 4 3 2 L0 yA0 L1 yA1 L2 yA2 L3 yA3 L4 yA4 V5 xA5 V1 xA1 V2 xA2 V3 xA3 V4 xA4 V1 yA0 L0 xA1 V2 yA1 L1 xA2 V3 yA2 L2 xA3 V4 yA3 L3 xA4 V5 yA4 L4 xA5 Extração SólidoLíquido Prof Drª Luciane F Trierweiler 30 Extração SólidoLíquido ESL Lixiviação contato de líquido com o sólido com o potencial de gerar uma reação química com 1 ou mais substâncias da matriz sólida para tornálas solúvelis Ex extração de metais de minérios Dissolução seletiva de minerais contendo os metalis de interesse através do contato do sólido minério ou concentrado com uma fase aquosa contendo ácidos frequente mente ácido sulfúrico bases hidrox Sódio ou amônio ou agentes complexantes em condições variadas de P e T httpswwwyoutubecomwatchv89r8fIR34Gc httpwwwdailymotioncomvideox2v47o3 27062019 1129 httpmineraliscetemgovbrbitstreamhandlecetem1288TendC3AAnciasParte24pdfsequence1 Extração SólidoLíquido Prof Drª Luciane F Trierweiler 31 Extração SólidoLíquido ESL Lixiviação Extração Química similar a lixiviação mas se aplica a outros sólidos sem ser minério Ex recuperação de gelatina de ossos de animais na presença de álcalis httpswwwyoutubecomwatchv6bYIow9pc6M 27062019 1129 Extração SólidoLíquido Prof Drª Luciane F Trierweiler 32 Extração SólidoLíquido ESL Lixiviação Extração Química Lavagem Extrativa o sólido é esmagado para quebrar a parede celular permitindo a recuperação do produto sólido a ser retirado por lavagem com água da matriz sólida Ex Extração de açúcar da cana Açúcar da cana httpswwwyoutubecomwatchvSzzxryxLEmU 27062019 1129 Extração SólidoLíquido Prof Drª Luciane F Trierweiler 33 Extração SólidoLíquido ESL Lixiviação Extração Química Lavagem Extrativa Extração Difusional o produto solúvel difunde através das paredes desnaturadas sem esmagamento e é retirado do sólido por lavagem Ex Extração de açúcar da beterraba Açúcar da beterraba httpswwwyoutubecomwatchvsLocHShJBY 27062019 1129 Extração SólidoLíquido Prof Drª Luciane F Trierweiler 34 Variáveis de Processo que afetam a taxa de extração Temperatura T taxa T máxima ponto de ebulição do solvente degradação do produto restrições econômicas Afeta a solubilidade do solvente pressão de vapor seletividade e qualidade do produto final 27062019 1129 Extração SólidoLíquido Prof Drª Luciane F Trierweiler 35 Variáveis de Processo que afetam a taxa de extração Porosidade e tamanho de poros O solvente deve difundir parados poros Agitação Turbulência aumenta o contato entre as fases e reduz a resistência a transferência de massa Seleção do solvente Alta seletividade para o soluto Estabilidade química nas condições do processo Baixa toxicidade e flamabilidade Baixa densidade viscosidade Facilidade de recuperação da corrente extrato Custo 27062019 1129 Extração SólidoLíquido Prof Drª Luciane F Trierweiler 36 Variáveis de Processo que afetam a taxa de extração Tamanho da partícula Relação direta com a área superficial disponível para reação ou difusão Se for muito pequeno pode dificultar a separação da fase líquida em equipamentos com recirculação ou qdo o tempo de residência do sólido deve ser pequeno Extração de óleo de soja com hexano 168 h extração de 008 dos grãos inteiros e 019 dos grãos cortados ao meio 90 de extração laminação e posterior formação de flocos 27062019 1129 Extração SólidoLíquido Prof Drª Luciane F Trierweiler 37 Extração Óleo de Soja Limpeza dos grãos Descascamento Os grãos não devem sofrer compressão para não haver perda de óleo São utilizados batedores ou facas giratórias Condicionamento aquecimento entre 55 e 60C Trituração e Laminação Facilita o rompimento dos tecidos e da parede celular diminuindo a distância entre o centro do grão e a sua superfície facilitando a difusão Utilizamse rolos de aço inoxidável horizontais ou oblíquos Espessura 02 04 mm 27062019 1129 httpwwwufrgsbralimentusobjetosdeaprendizagemsojaograode soja Extração SólidoLíquido Prof Drª Luciane F Trierweiler 38 Extração Óleo de Soja Limpeza dos grãos Descascamento Condicionamento aquecimento entre 55 e 60C Trituração e Laminação Cozimento Rompimento das paredes celulares 4 ou 5 bandejas sobrepostas aquecidas por vapor direto ou indireto Temperatura elevada até 105C e umidade até 20 Rompimento das paredes aumento na permeabilidade das membranas celulares Coagulação e desnaturação parcial de proteínas e enzimas reduz a produção de ácidos graxos livres 27062019 1129 Extração SólidoLíquido Prof Drª Luciane F Trierweiler 39 Extração Óleo de Soja Limpeza dos grãos Descascamento Condicionamento aquecimento entre 55 e 60C Trituração e Laminação Cozimento Extrusão O material sob efeito da alta pressão é expelido por uma matriz e em contato com a pressão ambiente expande e resfria rapidamente gerando flocos expandidos Extração mecânica ou com solvente httpswwwyoutubecomwatchvRCeAjEPDwpg 27062019 1129 Extração SólidoLíquido Prof Drª Luciane F Trierweiler 40 Equipamentos Prétratamento descascamento laminação flocagem corte em pedaços as células são deixadas intactas para evitar a extração de material indesejado Extração de cobre com ácido sulfúrico Tempo para partículas com diâmetros de 150 mm 6 mm e menor que 025 mm 5 anos 5 dias e 5 horas Quando o sólido contém alta quantidade de soluto o prétratamento pode não ser necessário Operação Batelada ou Contínuo Contato Percolação ou Imersão 27062019 1129 Extração SólidoLíquido Prof Drª Luciane F Trierweiler 41 Equipamentos Batelada Sólidos finos 01 mm de diâmetro Laboratório ou pequenas quantidades Imersão Tanque Pachuca usado extensivamente na indústria metalúrgica Até anos 60 agitação airlift Após agitação com impelidores 27062019 1129 Seader Henley Roper Separation Process Principles 3ª ed cap 16 Extração SólidoLíquido Prof Drª Luciane F Trierweiler 42 Equipamentos Batelada Sólidos grossos coarse Percolação Os sólidos são carregados nos tanques cilíndricos e o solvente percola o leito Alta eficiência de extração multibatelada em contracorrente Sólidos batelada Solvente contínuo 27062019 1129 Seader Henley Roper Separation Process Principles 3ª ed cap 16 Extração SólidoLíquido Prof Drª Luciane F Trierweiler 43 Equipamentos Contínuo Larga escala Principal diferença entre os tipos de equipamentos a forma como os sólidos são transportados e o grau de mistura Extrator Bollman vertical Extração de óleos de sementes e grãos flocados Cestos perfurados são movidos em um loop vertical O solvente percola no sentido descendente entre os cestos pelos sólidos No topo a cesta é esvaziada e preenchida com nova carga Fluxo de solvente em contracorrente 14 m de altura e altura de leito em cada cesto 05m Tempo de residência 60 min 1 rpm 350 kgcesta 23 cestas 200000 kgdia 27062019 1129 Seader Henley Roper Separation Process Principles 3ª ed cap 16 Extração SólidoLíquido Prof Drª Luciane F Trierweiler 44 Equipamentos Contínuo Extrator Lurgi horizontal 27062019 1129 httpwwwslideservecomtienoilandfattechnologylecturesiiicrudeoilproduction Extração SólidoLíquido Prof Drª Luciane F Trierweiler 45 Equipamentos Contínuo Rotocel Contracorrente Sólidos extraídos 25 30w em líquido Diâmetro 34 113 m Altura 64 73 m Profundidade leito 18 3 m 3 mi Kgdia flocos de soja 27062019 1129 Seader Henley Roper Separation Process Principles 3ª ed cap 16 httpwwwoilmillplantcomimages Extração SólidoLíquido Prof Drª Luciane F Trierweiler 46 Equipamentos Contínuo Esteira perfurada Beterraba sementes maçãs para suco Até 17 passes de spray de solvente Altura leito 08 26 m Largura 7 37 m Profundidade 05 95 m 7 mi kgdia 27062019 1129 Seader Henley Roper Separation Process Principles 3ª ed cap 16 Extração SólidoLíquido Prof Drª Luciane F Trierweiler 47 Lavagem Usado quando Extração muito rápida em partículas pequenas contendo solutos muito solúveis Ao fim da extração Sólidos formados por reação química em solução Lavagem em contracorrente para reduzir a concentração de soluto na camada externa do sólido e permitir a migração de soluto para a superfície gradiente de concentração ou simplesmente retirar este soluto aderido Gravidade ou força centrífuga hidrociclones 27062019 1129 Seader Henley Roper Separation Process Principles 3ª ed cap 16 Extração SólidoLíquido Prof Drª Luciane F Trierweiler 48 Lavagem Lavagem para reduzir a concentração de soluto na camada externa do sólido e permitir a migração de soluto para a superfície gradiente de concentração ou simplesmente retirar este soluto aderido Contracorrente Gravidade ou força centrífuga hidrociclones 27062019 1129 Seader Henley Roper Separation Process Principles 3ª ed cap 16 Extração SólidoLíquido Prof Drª Luciane F Trierweiler 49 27062019 1129