Extração líquido-líquido: Critérios para seleção do Solvente, Equipamentos e Métodos de Cálculo

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OPERAÇÕES UNITÁRIAS III
A-11 (ELL)
Prof. Henrique Cardias
Seletividade:
•O solvente deverá ser seletivo em relação ao soluto. Quanto maior que 1 mais
fácil a separação.
•Se a seletividade vale 1 a separação não é possível.
•A seletividade de um solvente varia consideravelmente com a concentração do
soluto.
Coeficiente de distribuição:
•Quanto maior o coeficiente de distribuição menor será a quantidade de solvente
necessária para se realizar a separação.
•A separação também é possível para valores de coeficiente de distribuição menor
que 1.
Critérios para seleção do solvente
Imiscibilidade do solvente:
Solventes com pouca afinidade com o diluente são mais adequados para
processos de extração.
Critérios para seleção do solvente
B
C
A B’
C
A
A – diluente
B e B’ – Solventes
C – soluto
D
D
OBS: apenas misturas localizadas entre A e
D podem ser extraídas.
Recuperabilidade do solvente:
Geralmente a recuperação do solvente é feita por meio de destilação, de modo
que é desejável que o solvente tenha as seguintes características:
a) Não forme azeótropo com o soluto;
b) O extrato deve apresentar alta volatilidade relativa;
c) Para os casos em que o solvente é o constituinte mais volátil (mais comum),
seu calor latente de vaporização deve ser baixo;
Critérios para seleção do solvente
Massa específica do solvente:
Uma grande diferença de massa específica entre as fases extrato e rafinado é
desejada para operações de extração líquido-líquido.
Conforme nos aproximamos do ponto crítico, a diferença entre as massa
específicas das fases vai diminuindo.
Critérios para seleção do solvente
Massa específica do solvente:
OBS: em alguns casos, pode haver uma reversão de massa específica antes de
se atingir o ponto P. Tal situação implica em um limite de operação para um
processo de extração contínua.
Tensão interfacial:
Quanto maior a tensão interfacial mais rápida será a coalescência da “emulsão”
(ponto favorável para a separação de fases).
No entanto, uma tensão interfacial alta resulta em uma baixa dispersão entre as
fases (ponto negativo para a transferência de massa).
Viscosidade:
A viscosidade do solvente deve ser preferencialmente baixa, resultando em
menores potenciais para bombeamento e agitação, rápida extração (alta taxa de
transferência de massa) e rápida separação.
Critérios para seleção do solvente
além dos fatores já citados o solvente deve também:
•Ser barato;
•Não tóxico;
•pouco inflamável;
•Não corrosivo;
•Quimicamente estável;
•Ter baixo ponto de fluidez;
•Ter alto ponto de fulgor.
Equipamentos para extração líquido-líquido
Misturadores-decantadores: Consistem basicamente em tanques de agitação
seguidos de tanques de decantação.
• Podem operar em série.
• No caso de processos
descontínuos, as duas etapas
(mistura e separação) podem
ocorrer no mesmo tanque.
• Preferido quando o número
de estágios de equilíbrio
requerido para a separação é
pequeno.
•Cada conjunto misturador-decantador corresponde a um estágio do processo.
•O principal problema no uso de misturadores-decantadores é a formação de
emulsões, que ocorre geralmente quando as gotas da fase dispersa são da ordem
de 1 a 1,5 μm (controle da intensidade de agitação).
Equipamentos para extração líquido-líquido
Colunas de extração:
Estáticas: Colunas de pratos
Colunas de enchimento (recheio)
Colunas Spray (pulverisadas)
Agitadas: Discos rotativos
Pulsantes
OBS: As colunas estáticas dependem da suas características internas (tipo de
prato, tipo de enchimento, sistema de dispersão) para criar turbulência e favorecer
a transferência de massa, de modo que existe uma vazão mínima para a fase
dispersa neste tipo de coluna. As colunas agitadas são mais flexíveis neste
aspecto.
Equipamentos para extração líquido-líquido
Colunas de extração:
Coluna de pratos
• O tipo de prato empregado é
basicamente o perfurado;
• Quando operada em regime de
fluxo hidrodinâmico adequado, as
velocidades de extração são
elevadas;
• As gotas da fase dispersa
coalescem e voltam a se formar em
cada estágio, o que reduz a
possibilidade de existência de
gradientes de concentração na fase
dispersa.
Equipamentos para extração líquido-líquido
Colunas de extração:
Coluna de 
enchimento
• O recheio empregado deve
apresentar uma alta molhabilidade
pela fase líquida contínua;
• Semelhante a operação de
destilação, só são empregadas em
situações onde as dimensões da
coluna são pequenas.
Equipamentos para extração líquido-líquido
Colunas de extração:
Coluna de spray
• As maiores velocidades de
transferência de massa
ocorrem perto do distribuidor.
Em zonas mais afastadas as
gotas tendem a coalescer;
• Tem seu uso limitado em
aplicações que requerem
poucos estágios de equilíbrio;
Equipamentos para extração líquido-líquido
Colunas de extração agitadas:
Coluna de discos rotativos
• Coluna agitada, geralmente
empregada nos casos em que a
tensão interfacial e/ou a diferença
de massa específica entre as
fases são altas.
• Nesta situação, a força
gravitacional é insuficiente para
criar uma dispersão adequada.
Equipamentos para extração líquido-líquido
Colunas de extração agitadas:
Coluna pulsante
•Promove-se um movimento
alternado, de baixa amplitude,
das fases, facilitando a
transferência de massa e a
separação.
•Requer normalmente um
terço dos andares das colunas
não pulsadas equivalentes.
•Podem operar com pratos ou
com enchimento.
Equipamentos para extração líquido-líquido
Extratores centrífugos: Utilizam a força centrífuga para facilitar a separação.
• São empregados nos casos em que existe tendência a formação de emulsão, as
diferenças de massa específica entre as fases são pequenas ou quando são
requeridos pequenos tempos de residência do soluto (ex. extração de antibióticos,
que se deterioram rapidamente);
• É principalmente utilizado na indústria farmacêutica.
Extrator
Podbieniak
Equipamentos para extração líquido-líquido
• As duas fases são alimentadas
continuamente em contracorrente;
• A alimentação entra por tubos
colados perpendicularmente ao
eixo de rotação do tambor e em
posições diferentes na caixa
cilíndrica;
• O espaço anelar entre cada par de
cilindros funciona como um
misturador-decantador;
• O líquido pesado sai pelos tubos
localizados próximos a periferia,
enquanto o líquido leve sai pelos
tubos próximos ao eixo;
Equipamentos para extração líquido-líquido – Comparativo resumido
Tipo de equipamento Vantagens Desvantagens
Misturadores-decantadores Bom contato;
Opera com vazões elevadas;
Boa eficiência;
Pé direito baixo.
Elevado consumo energético;
Grande espaço de solo;
Pode requerer bombeamento 
entre estágios;
Custos inicial e de operação 
altos.
Colunas estáticas Baixo custo inicial;
Baixo custo operacional;
Simples construção.
Pé-direito alto;
Eficiência inferior aos MD.
Colunas agitadas Boa dispersão;
Custo de investimento moderado;
Não utilizada para casos em 
que a diferença de massa 
específica é pequena;
Opera com vazões 
moderadas;
Extratores centrífugos Opera nos casos em que a 
diferença de massa específica é 
pequena;
Baixo tempo de residência.
Alto custo inicial;
Alto custo de operação;
Alto custo de manutenção;
Extração líquido-líquido – Métodos de Cálculo
Operação a contato simples:
1
Separação
do solvente
Separação
do solvente
Alimentação, F
xF
Solvente, B
Rafinado, R1
x1
Extrato, E1
y1
Produto 
Rafinado, R’
Produto 
Extraído, E’
solvente
solvente
M
F
B
E1
R1
E’
R’
C
A
Extração líquido-líquido – Métodos de Cálculo
Balanços de massa para uma operação a contato simples:
Balanço na alimentação:
Balanço para o soluto:
Regra da alavanca:
Balanço na tie line:
Balanço para o soluto:
Combinando estas equações obtemos:
BFM +=
BFM BxFxMx +=
0 BF
Fx
x FM
+
=
MB
FM
F
B
=
1111 xRyEMxM +=
MRE =+ 11
11
1
1
)(
xy
xxM
E M
−
−
=
11
1
1
)(
xy
xyM
R M
−
−
=
Extração líquido-líquido– Métodos de Cálculo
Cálculo das quantidade de produto extraído e produto rafinado:
Cálculo das quantidades máxima e mínima de solvente:
'' REF +=
xRyEFxF '' +=
xy
xxF
E F
−
−
=
)(
' '' EFR −=
M
F
B
E1
R1
E’
R’
C
A
Mínima, R0
Máxima, EF
Extração líquido-líquido – Métodos de Cálculo
Quantidade mínima de solvente:
Quantidade máxima de solvente:
0RBF =+
0,0, RBFB
xRBFx =+
)1(
0
0
,
,
min
RB
RB
x
Fx
B
−
=
(balanço para o solvente)
0
FEBF =+
FEBFFB
xEBFx ,, =+
)1( ,
,
max
F
F
EB
EB
x
Fx
B
−
=
(balanço para o solvente)
0
Questão 01: 100 kg de uma mistura de ácido acético/clorofórmio com 30% em 
massa de ácido é tratada a contato simples com água a 18°C com o objetivo de 
extrair o ácido acético. Determine
a) As quantidades mínima e máxima de água que podem ser empregada no 
processo de extração;
b) A concentração máxima de ácido acético que pode ser obtida no produto 
extraído;
c) A quantidade de água que deve ser empregada para que a concentração do 
produto extraído seja máxima;
Os dados de equilíbrio para o sistema são os seguintes:
Rafinado Extrato
CHCl3 H2O CH3COOH CHCl3 H2O CH3COOH
99,01 0,99 0,00 0,84 99,16 0,00
91,85 1,38 6,77 1,21 73,69 25,10
80,00 2,28 17,72 7,3 48,58 44,12
70,13 4,12 25,75 15,11 34,71 50,18
67,15 5,20 27,65 18,33 31,11 50,56
59,99 7,93 32,08 25,20 25,39 49,41
55,81 9,53 24,61 28,85 23,28 47,87
F
Bmin
Bmax
Fração mássica de solvente em R0 e EF:
xB,R0 = 0,057
xB,EF = 0,979
a) Os valores de Bmin e Bmax podem então ser calculados:
Observe que na condição de Bmin, a quantidade de extrato produzida é
infinitesimal, não tendo portanto aplicação prática. De fato em situações reais
Bmin < B < Bmax
)1(
0
0
,
,
min
RB
RB
x
Fx
B
−
=
)1( ,
,
max
F
F
EB
EB
x
Fx
B
−
=
)057,01(
057,0.100
min
−
=B kgB 6min =
)98,01(
98,0.100
max
−
=B kgB 4900max =
b) Para determinarmos a máxima concentração do produto extraído, devemos
traçar uma reta BE’ tangente a curva binodal, o ponto de tangência corresponde a
concentração do extrato.
E’, 95,5 % de ácido acético
Ponto de tangência para um 
extrato com ~ 25% de soluto
c) A quantidade de água que deve ser empregada na extração para que a
concentração do produto extraído seja máxima pode ser obtida por um balanço de
massa.
M
F
B
xM = 0,17





 −
=
M
MF
x
xx
FB 




 −
=
17,0
17,03,0
100B
kgB 5,76=