Apresentação - PS IV Extração Líquido-Líquido

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
INSTITUTO DE TECNOLOGIA
FACULDADE DE ENGENHARIA QUÍMICA
PROCESSOS DE SEPARAÇÃO IV
Professor: Josiel Lobato Ferreira 
	
BELÉM-PA/2021
EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Alunos: 
André Luiz Maués Dias Nascimento
Antônio Jorge dos Santos Neto
Isabelle Cristina Cruz Pereira
Emanuela Franca Barbosa
Tiago da Silva Arouche
Victor Gabriel Silva de Mendonca
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Extração Líquido-líquido
 Operação unitária
 Separação de misturas homogêneas: liquido + liquido
INTRODUÇÃO
Conceito de extração líquido-líquido
O solvente deve apresentar uma afinidade para um determinado soluto da alimentação;
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INTRODUÇÃO
Extração Líquido-líquido
Quando a extração líquido-líquido se torna uma opção de escolha?
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INTRODUÇÃO
Impossibilidade prática da separação se efetuar por destilação;
Existência de azeótropos;
Elevados consumos de energia na destilação;
Necessidade de se usar uma sequência de destilação complexa;
Material termossensível;
Material praticamente não-volátil.
Extração Líquido-líquido
Usamos a extração quando não conseguimos utilizar a destilação.
A+B
A+B
C
A+B
A+C
EXTRATO
RAFINADO
SOLVENTE
Mistura original mas com uma
Pequena quantidade de A
INTRODUÇÃO
Extração Líquido-líquido
Figura 1.1: Funil de decantação
Fonte: Brasil Escola
A+B
A+C
A+C
Como separar A+C?
Usamos a destilação, C tem que ter uma volatilidade
diferente de A
Cuidado e atenção ao escolher o solvente!
Extração multi estágio (várias vezes, afim de refinar)
Extração simples estágio
INTRODUÇÃO
Figura 1.2: fluxo grama de extração líquido-líquido
Fonte: Maués 2009
Extração Líquido-líquido
INTRODUÇÃO
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Seleção do solvente
Para a seleção do solvente deve-se considerar, entre outros, os seguintes parâmetros:
Seletividade
Imiscibilidade
Densidade
Facilidade de recuperação do solvente
INTRODUÇÃO
Extração Líquido-líquido
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Exemplos de processos industriais de extração líquido-líquido.
INTRODUÇÃO
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MECANISMO DE EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO
No caso dos processos descontínuos, as duas etapas podem ocorrer no mesmo tanque.
Cada conjunto misturador-decantador corresponde a um estágio
Grande espaço físico requerido para sua instalação 
Figura 1.3: Misturador/Decantador
Fonte: Andrade 2018
Contínuo 
Descontínuo
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MECANISMO DE EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Figura 1.4: Coluna de extração
Fonte: Silva 2020
Extração mais efetiva
Escoamento em contracorrente
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EQUIPAMENTO
Extração laboratorial
Extração laboratorial
Sistema de misturadores/decantadores
Vários estágios
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EQUIPAMENTO
Colunas de extração para a recuperação e purificação de aditivos alimentares.
Colunas de extração para recuperação de piridina para a indústria farmacêutica
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Coeficiente de partição
O equilíbrio líquido/líquido também pode ser descrito pela igualdade dos potenciais químicos (μ) das duas fases líquidas, tal como acontece nos sistemas líquido/vapor. Ou seja, para as fases α e β o equilíbrio entre as fases implica:
EQUILÍBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Potencial Químico
Um parâmetro importante a ter em conta na seleção do solvente para a extração é o coeficiente de partição ou razão de equilíbrio (K) do soluto entre as duas fases líquidas (solvente adicionado ao processo (y) e diluente da alimentação (x)). Este coeficiente é definido, para o componente i, como:
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A seletividade do solvente C é definida como a razão entre as razões das frações mássicas soluto/diluente no extrato e no respectivo resíduo em equilíbrio:
EQUILÍBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Seletividade
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EQUILÍBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Representação gráfica das relações de equilíbrio
O equilíbrio líquido-líquido (ELL) é representado por diagramas ternários a pressão e temperatura constantes;
Os diagramas ternários são de 2 tipos mais comuns: 
Tipo I: 1 par imiscível — diluente-solvente e
Tipo II: 2 pares imiscíveis — só o par diluente-soluto é totalmente miscível. 
Os diagramas ternários podem ser representados como 
Triângulos equiláteros ou 
Triângulos retângulos.
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EQUILÍBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Representação gráfica das relações de equilíbrio
Tipos mais comuns de equilíbrio líquido-líquido: (a) tipo I; (b) tipo II.
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EQUILÍBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Representação gráfica das relações de equilíbrio
Diagrama de fase do sistema ternário acetona (soluto), tolueno (diluente) e água (solvente) a 1 atm e 25ºC representado por um triângulo equilátero. 
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EQUILÍBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Representação gráfica das relações de equilíbrio
Diagrama de fase do sistema ternário éter isopropílico (solvente), água (diluente) e ácido acético (soluto) a 1 atm e 20 ºC representado por um triângulo retângulo.
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EQUILÍBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Representação gráfica das relações de equilíbrio
Os vértices representam componentes puros;
Os pontos internos representam uma mistura dos 3 componentes; 
As arestas representam a combinação de 2 componentes;
A curva de solubilidade separa as regiões de 1 e 2 fases;
As composições do refinado e do extrato, sob a curva de
solubilidade, estão unidas por uma linha de amarração; 
Para quaisquer composições da região de 2 fases há uma
única linha de amarração; 
Novas linhas de amarração podem ser interpoladas a partir da linha conjugada;
O ponto crítico (P) indica refinado e extrato com a mesma composição.
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OPERAÇÃO POR ESTÁGIOS
Em sistemas diluídos, o solvente e o diluente podem ser considerados líquidos (totalmente) imiscíveis; 
Neste caso, os problemas de extração são semelhantes aos problemas de absorção/regeneração; 
Esses problemas são resolvidos usando: 
 
 - o método gráfico de McCabe-Thiele ou
2 - o método algébrico de Kremser.
Obs.: A partir deste ponto, define-se:
D = diluente, A = soluto e S = solvente.
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EXTRAÇÃO DE LÍQUIDOS IMISCÍVEIS – Método de McCabe-Thielle
Balanço para o soluto:
OPERAÇÃO POR ESTÁGIOS
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EXTRAÇÃO DE LÍQUIDOS PARCIALMENTE MISCÍVEIS 
OPERAÇÃO POR ESTÁGIOS
A extração de líquidos parcialmente miscíveis é a situação mais comum; 
Estes problemas podem envolver: 
 - um único estágio; 
 - múltiplos estágios em contracorrente ou
 - múltiplos estágios em correntes cruzadas
O método gráfico de Hunter-Nash é usado para a resolução de problemas envolvendo múltiplos estágios em contracorrente.
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Extração em andar único
EXTRAÇÃO DE LÍQUIDOS PARCIALMENTE MISCÍVEIS 
OPERAÇÃO POR ESTÁGIOS
Balanço Total no Estágio 1: E0 + R2 = E1 + R1 
Balanço Total no Estágio N: RN-1 + EN+1 = RN + EM 
O mesmo vale para Balanço de Componente
Rearranjando para ∆:
 R0 - E1 = R1 – E2 = ∆
Extração em andar único
EXTRAÇÃO DE LÍQUIDOS PARCIALMENTE MISCÍVEIS 
OPERAÇÃO POR ESTÁGIOS
Balanço global:
Balanço para o soluto:
Balanço para o diluente:
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Extração em andar único
EXTRAÇÃO DE LÍQUIDOS PARCIALMENTE MISCÍVEIS 
OPERAÇÃO POR ESTÁGIOS
Regra da alavanca:
EXTRAÇÃO DE LÍQUIDOS PARCIALMENTE MISCÍVEIS
 Extração multiandar em contracorrente
 Correntes extrato ligadas por:
 Vazão: E2 , Composição: yA,2 no soluto e yD,2 no diluente.
 1 – yA,2 – yD,2 no solvente.
Cada extrator atua como um andar de equilíbrio.
Cada corrente extrato está em equilíbrio com a corrente refinado que sai do mesmo andar e possuem o mesmo índice.
As respectivas composições estão ligadas por uma linha de união no diagrama de equilíbrio de fases;
Correntes Rj e Ej são as correntes refinado e extrato que saem do andar j e as respectivas composições estão ligadas por uma linha de união no diagrama de equilíbrio de fases.
Em um problema típico de um projeto de processo de ELL:
Coluna é isobárica;
Coluna é isotérmica;
Processo está em estado estacionário;
São especificados:
Pressão e temperatura;
Vazões e composições das correntes de alimentação (F, xA,F, xD,F) e de solvente (S, yA,0, yD,0);
Composição do soluto que se pretendeobter no refinado (xA,1);
Pretendemos:
Número de andares de equilíbrio, N;
Vazões e composições das correntes de refinado (R1, xD,1) e de extrato na saída (EN, yA,N, yD,N).
EXTRAÇÃO DE LÍQUIDOS PARCIALMENTE MISCÍVEIS
 Extração multiandar em contracorrente
Para determinar estas grandezas precisamos, como é habitual, as equações dos balanços da massa e das relações do equilíbrio de fases
Como admitimos que há equilíbrio de fases em cada andar, R1 está sobre a curva da fase refinado o que determina uma relação entre xA,1 e xD,1.
EXTRAÇÃO DE LÍQUIDOS PARCIALMENTE MISCÍVEIS
 Extração multiandar em contracorrente
De forma análoga, EN é uma fase extrato saturada e logo yA,N e yD,N estão relacionados pelo diagrama do equilíbrio de fases.
Havendo relações analíticas que traduzam as dependências das concentrações entre o extrato saturado e o refinado saturado, estas duas equações conjuntamente com as 3 equações de balanço de massa perfazem as 5 equações necessárias.
EXTRAÇÃO DE LÍQUIDOS PARCIALMENTE MISCÍVEIS
 Extração multiandar em contracorrente
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Extração multiandar em contracorrente – Método de Hunter-Nash
EXTRAÇÃO DE LÍQUIDOS PARCIALMENTE MISCÍVEIS 
Não estando disponível estas relações analíticas temos que
utilizar o diagrama ternário
Definimos o ponto de mistura M o qual está sobre a linha SF pois
Balanço para o soluto:
Balanço para o diluente:
Antonio
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EXTRAÇÃO DE LÍQUIDOS PARCIALMENTE MISCÍVEIS 
Extração multiandar em contracorrente – Método de Hunter-Nash
Antonio
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EXTRAÇÃO DE LÍQUIDOS PARCIALMENTE MISCÍVEIS 
Extração multiandar em contracorrente – Método de Hunter-Nash
Antonio
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Extração multiandar em contracorrente
EXTRAÇÃO DE LÍQUIDOS PARCIALMENTE MISCÍVEIS 
Marcar S, F e a composição de soluto em R1, no diagrama;
Marcar M a partir da regra da alavanca ou BM;
Determinar EN a partir de R1 (pois são colineares com M);
Marcar o ponto ∆ que resulta da intersecção das prolongações de SR1 e ENF;
Obter E1 a partir de R1 através de uma linha de amarração;
Obter R2 (na curva de solubilidade) ao traçar ∆E1;
Repetir os passos 5 e 6 até se obter a separação requerida, isto é, EN.
Antonio
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Extração multiandar em contracorrente
EXTRAÇÃO DE LÍQUIDOS PARCIALMENTE MISCÍVEIS 
O ponto Δ permite determinar as linhas operatórias no método gráfico
pois todos os pares de correntes de passagem se situam numa linha
reta que passa por Δ.
Antonio
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Extração multiandar em corrente cruzada
EXTRAÇÃO DE LÍQUIDOS PARCIALMENTE MISCÍVEIS 
Marcar S e F, no diagrama;
Marcar M1 a partir da regra da alavanca ou BM;
Obter a linha de amarração que passa por M1 (caso não exista, ela deve ser interpolada a partir da linha conjugada);
Obter E1 e R1 a partir da linha de amarração;
 Obter as vazões de E1 e R1 pela regra da alavanca;
Traçar R1S e marcar M2 a partir da regra da alavanca ou BM;
Repetir os passos 3 a 6 até chegar ao número de estágios requeridos, N.
Antonio
EXTRAÇÃO DE LÍQUIDOS PARCIALMENTE MISCÍVEIS 
Extração multiandar em corrente cruzada
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Exercício de Aplicação
A 45ºC e 1 atm, o difenilhexano é extraído, em contracorrente, de uma solução com docosano com 50% em massa de difenilhexano, usando furfural para reduzir a concentração de difenilhexano no produto refinado a 10%. Se emprega-se 800 Kg/h de furfural para cada 500 Kg/h de mistura inicial, calcule o número de estágios teóricos necessários para efetuar a separação indicada. Os dados de equilíbrio são informados na tabela seguinte:
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Exercício de Aplicação
	Solução:
Balanço global:
Balanço para o soluto:
A= Difenilhexano (Soluto)
B= Docosano (Diluente)
C= Furfural (Solvente)
 F+S=M
500 kg/h + 800 kg/h = 1300kg/h
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Exercício de Aplicação
	Solução:
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Condições Limite de Operação
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Condições Limite de Operação
Balanço global:
Balanço para o soluto:
Do diagrama:
Da regra da alavanca:
i
i
b
a
mm
=
ii
i
i
i
y
K
x
=
iiiyKx
BA
BA
yy
xx
b
=
BABAyyxx
(
)
1
NN
DxD
=-
(
)
11
1
SyS
=-
11
d
YX
K
YX
=
++
11
0
N
N
YY
D
SXX
+
-
=
-
(
)
kg de soluto/kg de diluente puro
1
x
X
x
=
-
kg de soluto/kg de diluente puro1xXx
(
)
kg de soluto/kg de solvente puro
1
y
Y
y
=
-
kg de soluto/kg de solvente puro1yYy
011
NN
DXSYDXSY
+
+=+
011NNDXSYDXSY
110
NN
DD
YXYX
SS
+
æö
=+-
ç÷
èø
110NNDDYXYXSS
FSMRE
+==+
,,0,,
AFAARAR
xFySxRyE
+=+
,,0,,AFAARARxFySxRyE
,,0,,
DFDDRDR
xFySxRyE
+=+
,,0,,DFDDRDRxFySxRyE
 
SMF
;
F
MS
=
 ;
RME
FS
ER
=
+
EMR
R
ME
=
1
N
FSMRE
+==+
1NFSMRE