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Operações Unitárias
Com transferência de massa
Professor: Vanderlei Rodrigo Bettiol
vanderlei.bettiol@caxias.ifrs.edu.br
Operações que tratam do transporte de massa entre duas fases que entram em contado
	Estuda os processos de separação que envolvem a transferência de matéria entre fases como um resultado da diferença de concentração, e não de uma simples separação mecânica.
	Quando duas fases de diferentes composições são colocadas em contato, se estabelece uma diferença de concentração e, consequentemente, haverá transferência de um componente de uma fase para outra até que o gradiente seja eliminado, ou seja, quando as concentrações entram em equilíbrio.
	Na maioria dos casos de interesse as duas fases são parcialmente solúveis, assim, no equilíbrio ainda existem duas fases que podem ser separadas.
	Os dados do equilíbrio usualmente são fornecidos em função de 3 variáveis: temperatura, pressão e concentração.
Extração 
Sólido - líquido
Líquido - líquido
Gás - líquido
( G ou L ) - sólido
Remoção de óleo de sementes oleoginosas
Extração de ácido acético em água com éter.
Absorção – remoção amônia do ar com água. 
Adsorção – remoção de poluentes na água por carvão. 
Destilação 
Processos de separação por membranas 
Equipamento de contato contínuo ou diferencial.
Equipamento de contato descontínuo.
Pratos valvulados
Pratos valvulados
Extração líquido - líquido
Balanço de massa de um processo de extração líquido – líquido
Deseja-se remover nicotina de uma determinada corrente aquosa por meio do processo de extração líquido-líquido, em modo contracorrente, utilizando querosene como solvente. Querosene e água podem ser considerados imiscíveis para a faixa de concentração avaliada.
	Nesse processo, são alimentados 1000 kg/h de uma solução aquosa contendo 1% de nicotina e deve-se reduzir esse percentual para 0,1%. Considerando que são alimentados 1150 kg/h de querosene nesse processo e que a corrente aquosa empobrecida de nicotina tem uma vazão de 990,1 kg/h, pergunta-se:
Calcule as frações mássicas das correntes de entrada e saída do processo e as vazões de entrada e saída do processo.
Fase Leve = solvente (V)
I = nicotina
V1 = ?
Yi,1= ?fração de nicotina no solvente
Vn+1= 1150 kg/h
Yi,n+1=0
1
n
Vn+1
V1
Fase Pesada = carregador (L)
Lo = 1000 kg/h
Xi,o= 1/100 = 0,01
Ln = 990,1 kg/h
Xi, n = 0,1/100 = 0,001
Lo
Ln
Balanço global
Entra = sai
Lo + Vn+1 = Ln + V1
1000 + 1150 = 990,1 + V1
V1 = 1159,9 kg/h
Balanço de nicotina
xo.Lo + Yn+1. Vn+1 = xn.Ln + y1.V1
0,01.1000 +0 = 0,001.990,1 + y1.1159,9
Y1 = 0,0078 
Na coluna de extração, entra uma corrente aquosa com 1% de nicotina, com saída de 0,1% de nicotina. O solvente entra puro na coluna e tem saída com 0,78% de nicotina.
Perguntas
O que é extração líquido-líquido?
Quando deve ser utilizada?
Quais equipamentos podem ser utilizados na indústria para realizar esta operação?
Que tipo de operação é esta?
Que informações eu preciso para ter o melhor desempenho desta operação unitária?
Como posso obter estas informações? Que conhecimentos preciso dominar?
Como dimensionar um equipamento?
1. Considere que um gás A contendo um soluto C é alimentado em uma coluna de absorção. A vazão do gás A é 50.000 kg/h (base livre de C), e o percentual de soluto C nele presente é 2% (massa de C/massa de A). No processo, utiliza-se, para a retirada do soluto, 10.000 kg/h de água (B), e a solução aquosa que deixa a coluna contém 2,92% de C (em massa). Então, a vazão (kg/h) e o percentual do soluto C na corrente gasosa final na base livre do soluto são, respectivamente:
L’ = gás sem soluto.
L’ = Lo – Xc,o.Lo
L’ = Ln – Xc,n.Ln
L’ = 50000kg/h
Xc,o = 1000/51000 = 0,0196
Vn+1 = 10000 kg/h
Yc,n+1 = 0
Yc,1 = 2,92/100 = 
V’ = água sem soluto
V’ = Vn+1 – Yc,n+1. Vn+1
V’ = V1 – yc,1.V1
Lo
Ln
2kg C -------------100kg A
mC--------------------50000 kgA
Massa de C = 1000 kg/h
Vn+1 = 10000
V1 = ?
Y1 = 0,0292
50000 = Lo – 0,0196.Lo
50000 = Lo(1-0,0196)
50000= Lo.0,9804
Lo = 50000/0,9854
Lo =51000
2. Uma coluna de absorção foi dimensionada para absorver 90% de uma substância de massa molar igual a 50 kg/kmol, presente em uma corrente de ar, usando água pura como solvente. O teor dessa substância no ar é de 40% em base molar e, na solução aquosa formada, é de 25% em massa. Considerando-se que sejam desprezíveis a solubilidade do ar na água e a evaporação da água, a razão molar entre a água usada como solvente e a corrente de ar a ser tratada é
MMar= 0,79N2 + 0,21O2
Mmar = 0,79*28 + 0,21*32 =
Ar + soluto
Ar + soluto
Água pura
Água + soluto
Lo = base de cálculo. ex.: 100 mols
Xo,s = 0,4 
S= soluto
V1 = ?
Y1,s = 
Soluto = 0,4*100 = 40 mols
Ln=? Xn,s=?
Vn+1 = ?
Y n+1, s = 0
L’ = Lo-xo,s*Lo
L’ = Ln – xn,s*Ln
0,10*Xo,s*Lo =Xn,s*Ln
Balanço Global
Vn+1 + Lo = V1 + Ln
Balanço de soluto
Yn+1,s*Vn+1 + Xo,s*Lo= y1,s*V1 + Xn,s *Ln
0,25 = 25/(25+ 75 )
Y1,s = (25/50)/((25/50) +(75/18))
Resposta = Vn+1/Lo
0,90*xo,s*Lo=y1,s*V1
V’ = Vn+1 – yn+1*Vn+1
V’ = Vn+1
V’ = V1 – y1*V1
V’ = V1 -0,25*V1
V’ = V1 (1-y1)
V1 = V’ /( 1-y1)
Balanço de soluto
Xo*Lo + yn+1*Vn+1 = xn*Ln + y1*V1
xo*L’/(1-xo) + yn+1*V’/(1-yn+1) = xn*L’/(1-xn) + y1*V’/(1-y1)
0,4*60/(1-0,4) = 
L’ = Lo – xo*Lo
Lo = L’/(1-xo)
0,10*Xo,s*Lo =Xn,s*Ln
0,10*0,4*100 = xn*60’/ (1-xn,s)
3.Uma mistura contendo 45,0% de benzeno (B) e 55,0% de tolueno (T) em massa é alimentada em uma coluna de destilação. A corrente de saída do topo contém 95,0% de B em massa. A corrente de fundo contém 8,0% de benzeno alimentado. A taxa de alimentação é de 2000,0 kg/h. Determine a vazão da corrente de topo e fundo, além da composição mássica da corrente de fundo.
Alim.
(mistura)
Topo
Fundo
Xb,A = 0,45
Xb,T = 0,95
A = 2000
Balanço de massa
A = T + F
Balanço de B
Xb,A * A = Xb,T*T + Xb,F*F
Xb,F*F = 8/100(Xb,A*A)
4. Uma torre de absorção deverá ser dimensionada para absorver 95,0% da acetona presente em uma mistura gasosa, cuja composição (xi%) é: ar = 80,0%; acetona = 20,0%. A acetona será absorvida por contato em contracorrente com água pura, gerando uma solução aquosa com vazão mássica de 100,0 kg/h, contendo 10,0% de acetona em massa. Calcule: 
a) a vazão mássica da mistura gasosa a ser alimentada na torre; 
b) a composição do gás efluente da torre. 
Observação: desprezar a solubilidade da acetona no ar e na água.
Lo = ar + acetona
Xac,o = 0,20
Vn+1 = água pura
Yac, n+1 = 0
V1 = 100
Yac,1= 0,10
(Xac,o * Lo) *0,95= y1,1*V1
V’ = V1 + Y1,ac *V1
V’ = Vn+1 * Yac,n+1*Vn+1
Balanço global
Balanço de acetona
Lo = ?
Xo,ac = 0,20
Vn+1= ?
Yn+1, ac=0
Ln=?
Xn,ac=?
V1= 100
Y1= 0,10
V’= 100-0,1*100
V’ =90