Extração Líquido-líquido 2a3y2t

EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO 1. INTRODUÇÃO •Definição •O equilíbrio líquido-líquido (o diagrama ternário) •A Regra da Alavanca •Cálculo do Número de Estágios Teóricos (NETS) •Sistemas com solventes parcialmente miscíveis •Contato em correntes cruzadas •Contato em contracorrente •Contato com múltiplas alimentações •Sistemas com solventes imiscíveis •Contato em correntes cruzadas •Contato em contracorrente •Contato com múltiplas alimentações •Sistemas em base livre de solvente •Contato em correntes cruzadas •Contato em contracorrente •Múltiplas alimentações

•A EXTRAÇÃO E A ABSORÇÃO

Extrato (B + C)

Alimentação ( A + C)

Extratora

Rafinado (A)

Absorvente (B)

Absorvedora

Solvente líquido (B)

Extração líquido-líquido

gás ( A + C)

Absorção gasosa

O EQUILÍBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO

O Diagrama Ternário

c P

T

L

A

X

B

O Curva Binodal e as linhas de amarração (“tie lines”) C M

C (17%)

A – 50% B – 33% C – 17%

B (33%)

A ( 50%)

A – 12% B – 67% C – 21% A – 79% B – 8% C – 13%

1 fase 50%

E

M R

2 fases “tie line”

A

B

C C

A

B C

A

B

A

B

Acetona

Cloroformio

água

Exercício

Cloroformio

EXTRATO

Acetona

REFINADO

Acet.

Clorof.

Água

Acet.

Clorof.

Água

0,03

0,01

0,960

0,090

0,900

0,010

0,083

0,012

0,905

0,237

0,750

0,013

0,135

0,015

0,850

0,320

0,664

0,016

0,174

0,016

0,810

0,380

0,600

0,020

0,221

0,018

0,761

0,425

0,550

0,025

0,319

0,022

0,660

0,505

0,450

0,045

0,445

0,045

0,510

0,570

0,350

0,080

água

4) ENG. PROCESSAMENTO/INNOVA/2012/59 - A extração líquido-líquido, processo de separação baseado na propriedade de miscibilidade de líquidos, é uma alternativa a outros processos de separação, quando esses não são recomendáveis ou não são viáveis. O diagrama esquemático abaixo é uma curva de equilíbrio líquido--líquido característica de um sistema ternário constituído pelas substâncias A, B e C.

A partir da interpretação do diagrama, verifica-se que (A) ele se refere a um sistema com uma zona de miscibilidade parcial e uma de miscibilidade total. (B) a região 2 representa uma fase líquida homogênea. (C) a região 1 representa duas fases líquidas imiscíveis. (D) a curva [QPR] é denominada curva binodal e se refere à solubilidade de B em C. (E) no ponto crítico, representado pelo ponto P na curva [QPR], as solubilidades de A em C, de A em B e de B em C se igualam

81) CAGEPA/Eng. Químico/2008/19

No ponto A, situado no diagrama de fases de equilíbrio líquido-líquido, ao lado, o número de fases e compostos presentes é de: a) Duas fases e uma mistura de diluente, solvente e soluto. b) Três fases e uma mistura de diluente, solvente e soluto c) Uma fase e uma mistura de diluente, solvente e soluto. d) Três fases e o diluente. e) Uma fase e uma mistura de solvente e soluto.

117) ENG. QUÍMICO/SUDENE/2013/52 - A figura a seguir representa um diagrama de equilíbrio para o sistema água/2‐propanol/acetato de etila

Os pontos I, II e III correspondem, respectivamente, (A) à solução heterogênea, à solução homogênea e à solução heterogênea. (B) ao ponto na região imiscível, ao ponto na região miscível e ao ponto na região miscível. (C) ao ponto na região miscível, à solução heterogênea e à solução heterogênea (D) à solução heterogênea, à solução homogênea e à solução homogênea. (E) à solução rica em água, ao ponto na região imiscível e ao ponto na região imiscível.

C

As duas fases

1 fase

“plat point”

A

B

A interpolação de “tie lines”

C

1 fase

“plat point”

A

B linha conjugada

II – A REGRA DA ALAVANCA Balanço Global E (yA yB yC)

F+B = M = E + R

Balanço em C F

1

M zC = E yC + R xC

R (XA XB XC)

(E + R) zC = E yC + R xC

z  yC R  C E xC  zC

B

Balanço em B M zB = E yB + R xB

Ou seja (E + R) zB = E yB + R xB

R z  yB  B E xB  z B

z  yC R z  yB  C  B E xC  zC xB  z B

(*)

Para os pontos R, E e M alinhados

C

tg 1 = tg 2

yC - zC z -x  C C yB - zB zB - x B

Ou seja yC

E

xC

A

1

M

zC

2

R xB

zB

O que é confirmado pela equação (*)

B

yB

Também para os pontos R, E e M alinhados sen1 = sen2 Ou seja

yC - zC z -x  C C MR ME

Da equação (*)

R MR  EME Regra da Alavanca

II – O CÁLCULO DO NÚMERO DE ESTÁGIOS TEÓRICOS (NETS) II.1 – SISTEMAS COM SOLVENTES PARCIALMENTE MISCÍVEIS II.1. 1. O CONTATO EM CORRENTES CRUZADAS (solventes parcialte miscíveis)

E1 y1

F xF

1

B1 y0 )1

E2 y2

R1 x1

2

B2 y0 )2

E3 y3

R2 x2

3

B3 y0 )3

EN yN

R3 x3

RN-1 xN-1

N

BN y0 )N

RN xN

C

F FM1  B1 B1 M 1 R1 ?

FB1  FM 1  B1 M 1

R 1  E1  M 1

R1 R1M 1  E1 E1M 1

B1 M 1 

FB1 B1 1 F

F M1

R1

E1

E2

M2 R2 RN

A

E3

B1

M3

B3

B2

B

Exemplo: parcialmente miscíveis em correntes cruzadas:

Água (S) deve ser usada para separar uma mistura de clorofórmio(R), e acetona(E) em um processo de extração em correntes cruzadas utilizando-se dois estágios teóricos. A carga (F) contém 100kmol/h com quantidades iguais de clorofórmio e de acetona. As cargas de solvente são as seguintes: 44,56 kmol/h de água pura no primeiro estágio e 46,74kmol/h contendo 20% de clorofórmio e 80% de água no 2º estágio. Determine: a) As vazões e concentrações de saída em cada estágio do processo b) A percentagem de acetona extraída.

Acetona

F

B1

Cloroformio

água

Exercício:PETROBRÁS/PROCESSAMENTO/2010/questão 66

100 g de uma mistura ácido acético / água com 60% (em massa) de água são colocados em contato com 140 g de éter isopropílico puro a 200C e 1 atm. Usando o diagrama ternário, com as linhas de amarrações (linhas tracejadas), as composições em frações mássicas das fases resultantes dessa mistura (rafinado e extrato) são, aproximadamente,

II.1. 2. O CONTATO EM CONTRACORRENTE (solventes parcialte miscíveis) F xF

R1 x1 E1 y1

1

E2 y2

R2 x2 2

R3 x3 E3 y3

3

E4 y4

Balanço Global

F  EN 1 = RN  E1  M

RN xN

RN-1 xN-1 EN yN

N

EN+1 yN+1

Ponto de diferença

RN - EN 1  F - E1   Balanço no 1º Estágio

F  E2  R1  E1

F - E1  R1 - E2   Balanço no 2º Estágio

R1 - E2  R2  E3  

R1  E3  E2  R2 .......................................

RN -1  EN 1  EN  RN

Balanço no Estágio N

.......................................

RN -1 - EN  RN - EN 1  

Chamando

RN - EN 1  F - E1  

F - E1  R1 - E2   R1 - E2  R2  E3  

   F    E1 R1   R2  

 E2  E3

.......................................

.......................................

RN -1 - EN  RN - EN 1  

RN    EN 1

C

F FM  EN 1 MEN 1 FEN 1  FM  MEN 1

ME N 1 

FEN 1 E N 1 1 F

F E1 R1 M

R2 RN

A

E2 E3

EN+1

B



Exemplo: parcialmente miscíveis em contracorrente:

Água (S) deve ser usada para separar uma mistura de clorofórmio e acetona em um processo de extração em contracorrente para que se obtenha uma rafinado contendo somente 8% de acetona. A carga de alimentação (F) contém 100kmol/h, sendo 60% de acetona e 40% de clorofórmio, enquanto que a carga de solvente (água pura) tem uma vazão de 120 kmol/h. Determine: a) O Número de Estágios Teóricos (NETS) necessários b) A concentração do extrato c) A percentagem de acetona extraída.

Acetona

Cloroformio

água

A VAZÃO MÍNIMA DE SOLVENTE (solventes parcialmente imiscíveis) C

FFMmin  E N1 Mmin E N1 FE N1  FMmin  ME N1 min

M min E N 1 

FE N 1  E N 1    1 F   min

F E1 min

Mmin RN

A

EN+1

B

 MIN

Exemplo: parcialmente miscíveis em contracorrente (vazão mínima) Água (S) contendo 6% de acetona, deve ser usada para separar uma mistura de clorofórmio e acetona em um processo de extração em contracorrente para que se obtenha uma rafinado contendo somente 4% de acetona. A carga de alimentação (F) contém 100kmol/h, sendo 44% de acetona e 56% de clorofórmio. Calcule a vazão mínima de solvente necessária à operação.

Acetona

Cloroformio

água

II.2 – SISTEMAS COM SOLVENTES IMISCÍVEIS

II.2. 1. O CONTATO EM CORRENTES CRUZADAS E1 y1

F xF

E2 y2

R1 x1

1

E3 y3

R2 x2

2

B1 y0 )1

3

B2 y0 )2

EN yN

R3 x3

RN-1 xN-1

N

RN xN

BN y0 )N

B3 y0 )3

Balanço no 1º Estágio

A x F'  B1 y '0





1



 A x 1'  B1 y 1'



A xF' - x 1'  B1 y 1'  y '0

 1

ou





y1'  y '0 1 y1'  y '0 1 A  '  ' ' B1 xF - x 1 x1 - x F'

Y’ Linha de equilibrio

1

y’1

Balanço no 2º Estágio y’2

2

A  B 1

A  B 2

Y’o) Y’o)1 1 Y’o)2

A x 1'  B2 y '0

X’2

X’1







2

 A x '2  B2 y '2



A x1' - x '2  B2 y '2  y '0 X’F

X’

 2

ou





y '2  y '0 2 y '2  y '0 2 A  '  ' ' B2 x1 - x 2 x 2 - x 1'

Balanço no 2º Estágio

A x 1'  B2 y '0







2

 A x '2  B2 y '2



A x1' - x '2  B2 y '2  y '0

 2

ou





y '2  y '0 2 y '2  y '0 2 A  '  ' ' B2 x1 - x 2 x 2 - x 1'

Y’

Linha de Equilíbrio

1

y’1

y’2

2

A  B 2

Y’o)1 Y’o)2

A  B 1

X’2

X’1

X’F

X’

Da mesma forma





y3'  y '0 3 y3'  y '0 3 A  '  ' ' B3 x2 - x3 x 3 - x '2 .................................. Y’

Linha de Equilíbrio

1

y’1

2

y’2 3 Y’o)3

A  B 2

Y’o)1 Y’o)2

A  B 1

X’N

X’2

X’1

X’F

X’

Y’

Linha de Equilíbrio

1

y’1

2

y’2 3 Y’o)3

A  B 2

Y’o)1 Y’o)2

A  B 1

X’N

X’2

X’1

X’F

X’

II.2. 1.1. O CONTATO EM CORRENTES CRUZADAS (caso especial)

Linha de equilíbrio reta

Correntes de solventes todas puras e com mesma vazão Equação analítica E1 y1

F xF

1

E2 y2

R1 x1

2

E3 y3

R2 x2

3

EN yN

R3 x3

RN-1 xN-1

N

B

B

B

B

y0 = 0

y0 = 0

y0 = 0

y0 = 0

RN xN

Exercício (imiscível correntes cruzadas): Sabendo-se que água e querosene são considerados como solventes imiscíveis, uma solução de nicotina em água, contendo 1% de nicotina deve ser extraída com queosene puro a 20oC. a) Determine a % de extração da nicotina se 100kg/h da solução alimentada é extraída com 150kg/h de solvente. b) Repita o ítem (a) para 3 estágios teóricos usando 50kg/h de solvente em cada um deles. Dados de equilíbrio: Kg nicotina/kg água 0 0,001 0,00246 0,00502 Kg nicotina/kg querosene 0 0,000807 0,001961 0,00456

0,00751 0 ,00686

0,00998 0,00913

0,0204 0,0187

Kg nicotina/kg querosene

0,01

0,005

0,005

0,01 Kg nicotina/kg água

Lembrando que do balanço no 1º estágio (y’o = 0)

A x F'  B1 y 'o  A x 1'  B1 y 1'

D

Chamando de Coeficiente de Distribuição

y x

A xF'  A x1'  BD x1' x 1'  A    A  BD  x F' Do balanço no 2º estágio

A x 1'  B2 y '0  A x '2  B y '2

A x1'  A x '2  BD x '2 E assim

' 2 ' 1

x x

 A      A  BD 

Ou seja

x '2  A    A  BD  xF'  

2

Do balanço no 3º estágio

A x '2  B3 y '0  A x '3  B y '3 A x '2  A x '3  BD x '3 E assim

' 3 ' 2

x x

 A     A  BD 

Ou seja

x '2  A    A  BD  xF'  

Da mesma forma, no último estágio

xN'  A    A  BD  xF' Daí pode-se escrever que

N

 x N'  log '  xF   N   A  log   A  BD 

3

II.2. 2. O CONTATO EM CONTRACORRENTE

F xF

R1 x1 1

E1 y1

R2 x2

E2 y2

2

R3 x3 3

E3 y3

E4 y4

RN-1 xN-1 EN yN

Balanço no 1º Estágio

Ax

' F

 By  Ax ' 2

A y1'  y '2  ' B x F - x1'

 By

' 1

' 1

Balanço no 2º Estágio

Ax

' 1

 By  Ax ' 3

' 2

 By

A y '2  y 3'  B x1' - x '2

' 2

Balanço em todo o conjunto

Ax

' F

 By

' N 1

 Ax

' N

 By

' 1

RN xN

A y1'  y 'N 1  ' B x F - x 'N

N

EN+1 yN+1

F xF

R1 x1 E1 y1

1

R2 x2

2

E2 y2

R3 x3

3

E3 y3

RN xN

RN-1 xN-1

E4 y4

EN yN

N

Y’

Linha de Equilíbrio 1

y’1 2

3

4 Y’o)1

X’N

X’F

X’

EN+1 yN+1

A vazão mínima de solvente Y’

y’1)min y’1

 A    B  min 

Y’o)1

X’N

X’F

X’