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Extração Líquido-Líquido: Princípios, Aplicações e Modos de Operação, Exercícios de Destilação

Extração-líquido-líquido ( ou extração por solvente) refere-se a uma operação na qual dois componentes de uma mistura líquida são separados pelo contato com ...

Tipologia: Exercícios

2022

Compartilhado em 07/11/2022

Nazario185
Nazario185 🇧🇷

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Extração líquido-líquido
Introdução
Extração-líquido-líquido ( ou extração por solvente) refere-se a uma operação na
qual dois componentes de uma mistura líquida são separados pelo contato com um
solvente insolúvel o qual dissolverá preferencialmente um ou mais componentes. Nesta
operação, a separação dos componentes depende da diferença da distribuição dos
componentes entre os líquidos imiscíveis. A solução de alimentação representa uma fase
e o solvente a ser usado para efetuar a operação representa a segunda fase. A
transferência de massa do soluto líquido ocorre da solução de alimentação para a fase
solvente.
Tanto a destilação quanto a extração líquido-líquido são usadas para a separação
de uma líquida. Para a separação por destilação também é necessário haver duas fases,
ou seja, a fase líquida e a fase vapor. O solvente usado na extração líquido-líquido é
análogo ao calor usado na destilação.
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Extração líquido-líquido

Introdução Extração-líquido-líquido ( ou extração por solvente) refere-se a uma operação na qual dois componentes de uma mistura líquida são separados pelo contato com um solvente insolúvel o qual dissolverá preferencialmente um ou mais componentes. Nesta operação, a separação dos componentes depende da diferença da distribuição dos componentes entre os líquidos imiscíveis. A solução de alimentação representa uma fase e o solvente a ser usado para efetuar a operação representa a segunda fase. A transferência de massa do soluto líquido ocorre da solução de alimentação para a fase solvente. Tanto a destilação quanto a extração líquido-líquido são usadas para a separação de uma líquida. Para a separação por destilação também é necessário haver duas fases, ou seja, a fase líquida e a fase vapor. O solvente usado na extração líquido-líquido é análogo ao calor usado na destilação.

Tabela 1: Comparação entre destilação e extração Extração líquido-líquido Destilação

  1. Extração líquido-líquido é uma operação na qual os constituintes de uma mistura líquida são separados pelo uso de um solvente líquido insolúvel.
    1. Os constituintes de uma mistura líquida são separados pelo uso de energia térmica.
  2. A extração utiliza as diferenças de solubilidade dos componentes para efetuar as separações
    1. Utiliza as diferenças de pressão de vapor dos componentes para efetuar a separação
  3. A seletividade é usada para medir o grau de separação
    1. A volatilidade relativa é usada para medir o grau de separação
  4. Uma nova fase insolúvel é criada pela adição de um solvente a mistura original 4.Uma nova fase é criada pela adição de calor
  5. As fases são difíceis de serem misturadas e de serem separadas
    1. A mistura e a separação das fases são fáceis e rápidas
  6. A extração não produz produtos puros e necessita de processos suplementares.
    1. Pode fornecer produtos praticamente puros
  7. Oferece mais flexibilidade na escolhas das condições de operação
    1. Menos flexibilidade na escolha dos prâmetros de operação
  8. Requer energia mecânica para a mistura e a separação
    1. Requer energia térmica
  9. Não necessita de aquecimento ou resfriamento
    1. Necessita de condições para o aquecimento e resfriamento
  10. É sempre uma escolha secundária na separação de misturas líquidas
    1. Normalmente é a primeira escolha para a separação dos componentes de uma mistura líquida Quando a separação por destilação ou por extração forem possíveis a escolha usualmente é a destilação, apesar da necessidade de aquecimento e resfriamento. Quando a extração é usada o solvente deve ser recuperado para reuso e a extração é seguida então por uma destilação para recuperar o solvente. As duas operações combinadas são mais complexas e mais caras que uma destilação. A extração dos componentes através da extração é uma alternativa atrativa quando a separação por destilação é difícil. As etapas básicas de uma operação de extração são:
  11. Contato da alimentação com o solvente adicionado
  12. Separação das fases resultantes
  13. Remoção e recuperação do solvente de cada fase

pequena quantidade de acetato de etila. A quantidade de extrato e rafinado dependerá da solubilidade de um no outro. O coeficiente de distribuição Em soluções diluídas em equilíbrio, a concentração do soluto em duas fases é chamado de coeficiente de distribuição ou constante de distribuição ‘K’. K= CE/CR onde CE e CR são as concentrações do soluto no extrato e no rafinado respectivamente. O coeficiente de distribuição pode também ser dado como a fração em massa do soluto em duas fases em contato em equilíbrio: K’ = y/x onde y^ é a fração em massa do soluto no extrato e x é a fração em massa do soluto no rafinado. Na extração líquido-líquido o equilíbrio líquido-líquido deve ser considerado. Este equilíbrio pode ser representado pela equação do potencial químico nas duas fases líquidas: Esta expressão reduz-se a uma expressão a qual é dependente somente das frações molares dos líquidos e seus respectivos coeficientes de atividade:

Quando escolher a extração

  • quando grandes volumes de água devem ser removidos para completar uma separação. O alto valor do calor latente de vaporização da água pode fazer deste processo um grande consumidor de energia
  • quando dois ou mais líquidos formam um azeótropo e a concentração final não possa ser obtida por destilação
  • quando um ou mais componentes são considerados termicamente sensíveis ou instáveis. Nestes casos a extração é atrativa e sempre a preferencial. Por exemplo: a separação de ácido acético de soluções aquosas diluídas é normalmente mais econômica por extração do que por destilação. A destilação pode ser feita mas o uso da extração como primeira etapa diminui de forma considerável a quantidade de água a ser vaporizada.

Modos de operação: corrente cruzada

O modo de operação em corrente cruzada é usado preferencialmente em operação por batelada. Os extratores em batelada tem sido usados tradicionalmente para baixas capacidades, plantas de muitos produtos, como em indústrias farmacêuticas e agroquímicas. Para operações de lavagem e neutralização que requerem poucos estágios, a operação em corrente cruzada é particularmente prática e econômica e oferece uma grande flexibilidade. O equipamento de extração inclui usualmente um tanque agitado que pode ser usado também como reator. Nestes tanques o solvente pode ser adicionado a alimentação, os componentes são misturados, estabilizados e então separados. A extração em estágio simples é usada quando a extração é bastante simples e pode ser feita sem a utilização de grandes quantidades de solvente. Se mais de um estágio é requerido, várias lavagens por solvente serão necessárias. A operação em corrente cruzada deve ser examinada com cuidado principalmente quando grandes quantidades de solvente forem necessárias e devido ao baixo rendimento da extração. As ilustrações abaixo dão uma breve descrição de cálculos de requerimento de solvente para extração em corrente cruzada. Um extrator de estágio simples pode ser representado por: F = massa ou vazão de alimentação R = massa ou vazão de rafinado S = massa ou vazão de solvente E = massa ou vazão de extrato Xf , X (^) r, Y (^) s, e Ye são as frações em massa do soluto na alimentação, no rafinado, no solvente e no extrato respectivamente. O coeficiente de partição ‘m’ é definido como a razão entre Ye e Xr em condições de equilíbrio. As vazões e as concentrações são representadas em base livre de soluto pois esta representação leva a simplificação dos cálculos. Por exemplo: para uma alimentação de 100 kg/h de alimentação contendo 10% de ácido acético, F = 100-10 = 90 kg/h, Xr = 0.1/(1-0.1) = 0.

Modos de operação: contra-corrente Como descrito acima, a operação em corrente-cruzada é mais usada para baixas capacidades, vários produtos e em processos em batelada. Para operação em volumes maiores a operação em contra-corrente é sempre usada. As operações em contra- corrente são capazes de promover um uso mais eficaz do solvente. Nestas operações são usados colunas ou misturadores-sedimentadores. A operação em contra-corrente conserva a força motriz da separação de fases e por isso permite a obtenção de melhores rendimentos. As equações para a extração em contra-corrente são mais complexas com o aumento do número de estágios. Pode ser mostrado que para a operação de um estágio “n”, a concentração do rafinado seria Xr = Xf * (mS/F – 1)/ ( [mS/F] n+1^ -1) A quantidade de solvente requerida para qualquer concentração de rafinado Xr poderia ser determinada pela interação da equação acima. Para mS/F = 1, a equação torna-se Xr = Xf / (n + 1) O termo adimensional mS/F, incluído em todas as equações acima, é chamado de fator de extração e é um parâmetro importante no projeto de processos de extração. Para um dado número de estágios, quanto maior for o fator E, maior será a razão de redução e portanto melhor será a extração. Sistemas com E menor que 1,3 não são economicamente viáveis.

Condições operacionais Os parâmetros operacionais abaixo são normalmente requeridos para a operação de extração:

  • temperatura de operação
  • pressão de operação
  • tempo de residência
  • vazão da alimentação
  • composição
  • temperatura de entrada de vapor e temperatura de saída de vapor Como em muitos processos de separação, a pressão e a temperatura tem um papel importante no rendimento do processos de separação. Para se obter uma boa separação da alimentação, a vaporização deve ser evitada pois o processo será afetado se um ou mais componentes sofrer vaporização. Além disso, a temperatura deve ser alta o suficiente para que sejam solúveis um no outro. Temperaturas moderadas podem facilitar a seleção do solvente adequado. Com essas regras em mente, vários processos de extração podem ser operados a temperatura e pressão ambientes, ou próximas destas, o que é uma vantagem chave para a operação de extração. A temperatura pode ser usada também como uma variável para alterar a seletividade. Temperaturas elevadas são usadas as vezes para manter baixas viscosidades minimizando os problemas de transporte de massa. Outros parâmetros a serem considerados são a seletividade, a solubilidade mútua, a precipitação de sólidos e a pressão de vapor. Em muitas aplicações, um processo de separação suave é necessário pois altas temperaturas podem degradar o produto (indústria farmacêutica). Para estas aplicações, a extração é ideal pois a única temperatura necessária é a requerida para solubilizar os produtos. O desafio nestes casos é encontrar um solvente adequado para a extração. As pressões de operação tem um efeito desprezível no rendimento da extração e assim muitas extrações ocorrem a pressão atmosférica a menos que as pressões de vapor exijam condições diferentes. O tempo de residência é um parâmetro importante em processos de extração reativas ( separação de metais, extração de formaldeido de vapores aquosos) e em processos envolvendo componentes sensíveis, como antibióticos e vitaminas.

Equipamento de extração

Os equipamento industriais de extração podem ser classificados como extratores do tipo estágio ou extratores de contato diferencial/contínuo. Em extratores do tipo estágio, duas fases são colocadas juntas para serem misturadas até atingirem um equilíbrio; em seguida eles são separadas paulatinamente. A vantagem dos extratores deste tipo são a simplicidade do projeto e alta eficiência do estágio. Estas unidades são grandes e volumosas devido a separação feita após cada estágio. Ao contrário, os extratores diferenciais sã compactos e requerem uma menor área para instalação. Misturador-separador Misturadores-separadores podem ser usados em batelada ou em modo contínuo. Constitui-se de um tanque vertical incorporando uma turbina ou uma pá de agitação. As entradas de alimentação e solvente são colocados no topo e as conexões de descarga no fundo. A solução de alimentação a ser extraída é alimentada e a quantidade de solvente necessária para a separação é adicionada. O tanque é agitado por um tempo pré- determinado e ao final da mistura a agitação é interrompida e as fases são enviadas para o separador. Finalmente o rafinado e o extrato são retirados em tanques separados. A principal desvantagem dos misturadores-separadores é que eles exigem o emprego de grandes tanques com uma demande de grandes quantidades de líquidos. As vantagens incluem alta eficiência, flexibilidade, habilidade para trabalhar com líquidos viscosos e alta capacidade.

Colunas Colunas de contato são práticas para muitos sistemas de extração líquido-líquido. Os empacotamentos, as bandejas ou sprays, são geralmente usados para aumentar a área de contato entre os líquidos. Isto permite também uma maior caminho de fluxo. A escolha do material do empacotamento é necessário selecionar o material que ficará em contato contínuo com a fese contínua. Em extratores de coluna a fase de menor viscosidade é geralmente escolhida como fase contínua. A fase com maior vazão pode ser dispersa para criar maior área superficial ou maior turbulência. Isto é feito selecionadno-se um material apropriado com as características desejáveis de molhabilidade. Em geral, fases aquosas molham superfícies metálicas e fases orgânicas molham superfícies não-metálicas. Mudanças nos fluxos e propriedades físicas ao longo do extrator devem ser consideradas. Colunas de pratos Colunas de pratos são extratores de múltiplos estágios e de contra-corrente onde a mistura axial da fase contínua é confinada a região entre os pratos e a dispersão em cada prato resultando em transferência de massa efetiva. Estas colunas são efetivas especialmente para sistemas que apresentam baixa tensão superficial, com respeito a sua capacidade de manusear líquidos e eficiência de extração. As perfurações nos pratos são e aproximadamente 1,5 a 4,5 mm de diâmetro e o espaçamento entre os pratos são de 150 a 600 mm. Geralmente o arranjo dos pratos e tubo para fluxo dos fluidos são os mesmos que para separadores gás-líquido, exceto que “represas” não são necessárias. O líquido leve é introduzido na parte inferior e passa através da perfuração nos pratos na forma de gotas finas. As gotículas sobem através do líquido pesado que forma a fase contínua e é alimentada no topo. A coalescência das gotas leva a formação de uma camada abaixo do prato superior e são formadas novas gotas através do prato acima. A fase pesada é alimentada no topo e passa através de cada prato e flui para baixo através dos condutores.

Torres empacotadas As torres empacotadas são arranjadas de tal forma que a fase leve é dispersa. A torre é uma carcaça cilíndrica preenchida com peças que são suportadas por bandejas. O líquido pesado é alimentado no topo e o líquido leva na base. Uma grande parte do espaço disponível é ocupado pela fase contínua que flui no sentido descendente. O espaço restante é preenchido com gotas do líquido leve que sobe através da fase contínua e finalmente coalesce para formar uma interface líquido-líquido no topo. O empacotamento permite a obtenção de grandes áreas interfaciais para o contato entre as fases o que permite que as gotas coalesçam e sejam reformadas. As velocidades de transferência de massa em torres empacotadas são altas quando comparadas com as torres de “spray” porque diminuem a recirculação da fase contínua. A desvantagem destas colunas é que não podem ser usadas para líquidos contendo sólidos, suspensões ou líquidos muito viscosos.