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Extracção Sólido -líquido Operações de Separação por Difusão I (“Processos de Separação”) Lição n.° 8 08/01/2021 2 Sumário Conceitos básicos. Definição. Usos. Métodos de Operação e equipamento. Diagramas mais importantes Tipo de estágios – Contacto simples. Estágios múltiplos em co-corrente e contra-corrente Método de cálculo: Procedimentos para o cálculo; Diagramas importantes Resolução de exercício- Contacto simples 2021-01-0824/02/012 3 Extracção Sólido-Líquido • O componente solúvel pode ser sólido ou líquido; – Incorporado dentro do sólido, quimicamente combinado com o sólido, adsorvido neste ou mecanicamente incorporado na estrutura porosa do material insolúvel • O sólido inerte pode ser uma massa ou um material poroso. Particulado ou celular com paredes celulares, etc. 2021-01-0824/02/012 4 Dissolução de um componente (ou grupo de componentes) que formam parte de um sólido, empregando um solvente adequado no qual o resto do sólido seja insolúvel Remoção de uma fracção solúvel (Soluto) em forma de solução, de uma fase sólida insolúvel e permeável (inerte) com o qual está associada Definição 2021-01-0824/02/012 5 A operação ESL é também conhecida por: Lixiviação – refere-se à percolação (Leaching) do líquido através dum leito de sólido fixo um sólido fixo; Decocção - extracção com solvente à temperatura de ebulição; Elutriação (elução ) - lavagem do sólido solúvel que está a superfície do sólido insolúvel. 2021-01-0824/02/012 6 USOS: Indústria metalúrgica Cobre (recuperado de minérios de óxido), ouro, cobalto, manganésio, níquel, alumínio e zinco. Indústria de produtos orgânicos naturais Açúcar, óleos vegetais (soja, algodão), chá, café, produtos farmacêuticos. Lavagem de precipitados químicos 2021-01-0824/02/012 7 Na extracção sólido-líquido estão envolvidas 2 fases importantes: Contacto do líquido solvente com o sólido Separação da solução resultante do sólido residual Operações auxiliares: preparação do sólido para a extracção recuperação do soluto do solvente (evaporação ou destilação) 2021-01-0824/02/012 8 Os métodos de extracção usados e a escolha do equipamento dependem: Características físicas do sólido (proporção do soluto presente e sua distribuição através do sólido) Tamanho das partículas Natureza do sólido (celular ou não celular) 2021-01-0824/02/012 9 Dois aspectos importantes que é necessário considerar Equilíbrio – que se tende a alcançar durante a operação Velocidade - com que se alcança o equilíbrio 2021-01-0824/02/012 10 A velocidade de extracção é influenciada pelos seguintes factores: • Dimensão da partícula quanto mais pequena, maior a área interfacial entre o sólido e o líquido→ maior velocidade de transferência de material Solvente Selectividade temperatura de ebulição viscosidade baixa e densidade Temperatura a solubilidade é maior com o aumento da temperatura. Aumento de temperatura → diminuição da viscosidade → maior difusividade → maior velocidade de extracção 2021-01-0824/02/012 11 Agitação do fluido aumenta a difusão turbilhonar → transferência de massa da superfície das partículas para o globo da solução evita a sedimentação de partículas finas utilização mais eficiente da superfície interfacial Limitações (Temperatura): - alta temperatura pode resultar na extracção de outros materiais indesejáveis; - perdas de solvente (voláteis). 2021-01-0824/02/012 12 Métodos de operação e equipamento Os sistemas de extracção distinguem-se por: método de contacto (percolação por spray, imersão ou dispersão de sólidos) direcção das correntes (co-corrente, contra- corrente ou fluxo híbrido); tipo de estágios (simples ou múltiplos) ciclo de operação (descontínuo, contínuo, multi- descontínuo intermitente 2021-01-0824/02/012 13 Operações descontínuas e semi-descontínuas (operações em estado não estacionário) O contacto entre o sólido e o líquido é puramente descontínuo ou Uma carga de sólido é contactada com uma corrente do líquido em fluxo contínuo (método semi-contínuo) Partículas sólidas grosseiras são tratadas em leitos fixos por métodos de percolação Sólidos finamente divididos (mais facilmente mantidos em suspensão) são dispersos através de líquidos com a ajuda de agitadores 2021-01-0824/02/012 14 Tanques de percolação Os sólidos de tamanho intermédio podem ser extraídos por métodos de percolação abertos São relativamente baratos Usos: extracção de produtos farmacêuticos a partir de plantas; extracção de minérios de cobre Percolação por spray Imersão total Drenagem intermitente Solvente q entra Sólido Solvente q sai Sólido Solvente q entra Solvente q sai Solvente q sai Sólido Solvente q entra 2021-01-0824/02/012 15 Tanques abertos usados principalmente no caso de uso de solventes não recuperáveis ex: água Tanques de percolação • Tanques são cheios com sólidos • Bombeia-se uma carga de solvente para imergir completamente o sólido e a massa global e deixa-se durante um período de tempo predeterminado • Carga de líquido pode ou não ser circulada por cima do sólido • Operação global representa um andar simples • Repetição deste processo dissolverá eventualmente todo soluto 2021-01-0824/02/012 16 Tanques fechados – o líquido é bombeado através de um leito fixo de sólidos - conhecidos como difusores Usos: a queda de pressão para o escoamento do líquido é demasiado alta para o escoamento por gravidade líquido bombeado através do leito solvente volátil Extractor vertical de corpo cilindrico (extracção de açúcar de beterraba) Tanques de percolação fechados Difusor 2021-01-0824/02/012 17 Extracção com filtros prensa No caso de sólidos finamente divididos faz-se a lavagem e/ou extracção bombeando- se o líquido solvente através do bolo de filtração Vasos agitados Para aumento da eficiência (aumento da velocidade e extracção completa) Ex: Tanques tipo Pachuca (indústria metalúrgica) Tanques PACHUCA deflector 2021-01-0824/02/012 18 Instalação descontínua para extracção de óleo a partir de sementes 2021-01-0824/02/012 19 Operações em estado estacionário Pode-se ter equipamento que funciona em: descontínuo que se agrupa em unidades múltiplas para produzir o efeito de multiandares semi-continuo - com apenas o movimento do solvente Contínuo – um único dispositivo equivalente a muitos estágios Corrente directa Contra-corrente 2021-01-0824/02/012 20 Contacto múltiplo em contracorrente; o sistema de Shanks A extracção e a lavagem do soluto extraído dos tanques de percolação pelos métodos de corrente directa (tangencial) → soluções fracas (diluídas) do soluto. Uma solução mais forte (concentrada) → sistema em contracorrente → solução final descarregada é tirada do contacto com o sólido mais fresco e o solvente mais fresco é adicionado ao sólido do qual a maior parte do soluto já foi extraído ou lavado. Para evitar mover os sólidos fisicamente de tanque para tanque → usa-se um sistema de seis tanques → sistema de Shanks (1841, Inglaterra → extracção de carbonato de sódio no processo Leblanc). 2021-01-0824/02/012 21 Contacto múltiplo em contracorrente, sistema de Shanks 2021-01-0824/02/012 22 O Sistema Shanks Considere ( Fig. a) → sistema já se encontra a funcionar há algum tempo O tanque 6 está vazio; os tanques de 1 a 5 estão cheios com sólido; o tanque 5 mais recentemente e o tanque 1 há mais tempo Os tanques de 1 a 5 estão cheios com o líquido de extracção, e o tanque 5 com o líquido mais concentrado e em contacto com o sólido mais fresco Adiciona-se, no instante, o solvente fresco ao tanque 1 Descarrega-se a solução concentrada do tanque 5, transfere-se o líquido do tanque 4 para o tanque 5, do 3 para o 4, do 2 para o 3, e do 1 para o 2 Adiciona-se o sólido fresco ao tanque 6 2021-01-0824/02/012 23 OSistema Shanks Descarrega-se o sólido do tanque 1. Transfere-se o líquido do tanque 5 para o tanque 6, do 4 para o 5, do 3 para o 4, e do 2 para o 3 Adiciona-se o solvente fresco para o tanque 2 As circunstâncias são agora as mesmas que eram no início na Fig. a, excepto que os números dos tanques avançaram de uma unidade Continua-se a operação do mesmo modo que previamente Considere (Fig. b). 2021-01-0824/02/012 24 Usado essencialmente na extracção de sementes vegetais Modificação do sistema shank com movimento continuo dos tanques permitindo a entrada e descarga contínua Rotocel 2021-01-0824/02/012 25 Extractor Bollman • Bastante usado na extracção de óleo de sementes – Os sólidos são lançados em cestos perfurados. – A medida que os sólidos descem são extraídos em fluxo paralelo por uma solução óleo-solvente diluída bombeado do fundo do vaso e pulverizado por cima dos cestos no topo. – O líquido percola através dos sólidos de cesto para cesto, sendo recolhido no fundo. – Quando os sólidos ascendem são extraídos em contra-corrente por um spray de solvente fresco. 2021-01-0824/02/012 26 Extractor Kennedy Os sólidos são extraídos numa série de tanques de fundo semi-cilindrico num arranjo em cascata. Os sólidos são puxados por pás enquanto o solvente flui em contra-corrente Perfurações permitem drenagem de sólidos entre estágios, e os sólidos são descarregados de cada pá Saida do solução concentrada 2021-01-0824/02/012 27 Sólido extraído é passado por uma bateria de lavadores com fluxo de sólido e solvente em contra-corrente para se remover a solução aderente que possa existir em quantidade considerável. Sólidos finos → usam-se espessadores Sólidos relativamente grossos → usam-se classificadores Lavagem em contra-corrente 2021-01-0824/02/012 28 Tanques com agitação Agitador/espessador DORR 2021-01-0824/02/012 29 Classificador Dorr Fluxo dos sólidos e dos líquidos no classificador Dorr 2021-01-0824/02/012 30 Sistema de agitação e lavagem 2021-01-0824/02/012 31 Diagramas importantes D I S triangulares N = I D + S x, y = S D + S rectangulares Vértice do ângulo recto = inerte (I) Direita= componente a extrair (S) Esquerda = Solvente (D) 2021-01-0824/02/012 32 D I S y1 ysat saturada Não saturada P N x1 Para uma determinada temperatura (efeito da pressão considerada negligenciável), o diagrama triangular divide-se em duas zonas: Zona de saturação - os sólidos contidos no sistema são a soma da substância inerte e da parte não dissolvida de soluto Zona de não saturação - Os sólidos presentes são apenas o sólido inerte ysat - Composição da solução saturada; Ponto N - Inerte + solução de composição y1; Ponto P - Solução de composição ysat + soluto não dissolvido + inerte de composição X1 2021-01-0824/02/012 33 D I S ysat2 ysat1 I III II • Se S e D não forem miscíveis em todas as proporções tem-se dois pontos de saturação 2021-01-0824/02/012 34 Método de cálculo Calcular o número de lavagens (estágios) requeridos para reduzir o conteúdo de soluto do sólido a um determinado valor, sabendo a quantidade e a concentração do solvente da extracção. Calcular a quantidade de substância solúvel extraída dum sólido, conhecendo: • conteúdo inicial do soluto no sólido, • número e a quantidade de lavagens com solvente de extracção, • concentração do soluto no solvente de extracção e o • método (descontínuo ou contínuo em contracorrente). Alternativamente 2021-01-0824/02/012 35 Método de cálculo Solução sobrenadante = Fluxo superior (overflow) ou extracto Sólido inerte acompanhado de solução retida = Fluxo inferior (underflow) ou refinado Estágio ou etapa ideal ou teórica ou de equilíbrio Estágio do qual a solução resultante que abandona o estágio tem a mesma composição aderente ao sólido que abandona o estágio. 2021-01-0824/02/012 36 Procedimentos a seguir para o cálculo Hipóteses a colocar 1. o sistema é constituído por três componentes: Inerte, sólido insolúvel Soluto simples que pode ser sólido ou líquido ou mistura sólido-líquido Solvente que dissolve o soluto, mas não tem efeito sobre o sólido inerte ou está saturado com os sólidos inerte 2. O soluto não é adsorvido pelos inertes 3. O soluto é removido por simples dissolução no solvente sem reacção química 2021-01-0824/02/012 37 A determinação do número de estágios ideais necessários é baseada em: balanços mássicos, conhecimento da quantidade de solução retida pelos sólidos inertes como função da concentração do soluto na solução e a definição de estágio ideal. Esta determinação pode ser feita por métodos gráficos e em alguns casos por métodos analíticos. 2021-01-0824/02/012 38 No cálculo de processos de extracção sólido-líquido é preciso conhecer: quantidade de solução retida pelos sólidos inertes, que é representada pela curva KG, e se determina experimentalmente. Solução (D+S) retida/Inertes = constante e independente da concentração lugar geométrico das misturas de sólido inerte e (D+S) retida será representada pela recta KH. • Se a relação D/I, mantém constante, o lugar geométrico das misturas sólido inerte e solução retida será dado pela recta KS • Ex: pto B – composição x1 considera-se constituída por I e solução de composição y1. (D+S) retida = IB/BA D S K G I H B A,y1 x1 2021-01-0824/02/012 39 Diagramas rectangulares Solução retida/sólido inerte = Curva KG, experimental (D+S) retida/sólido inerte = constante, recta KH, paralela ao eixo das abcissas I/D = Constante, recta KS N = I D + S x, y = S D + S I A C E1 S G E1 ’ R1 F B B’ D D’ M1 K H D, A = Solvente S, C = Soluto I , B = Inerte N= M B/ M (A+C) = I /(D+S) x,y = MC/ M (A+C) = S/(D+S) 2021-01-0824/02/012 40 Tipos de estágio Contacto simples - contacto completo do sólido e o solvente fresco e subsequente separação mecânica num único estágio. Resulta numa baixa recuperação de soluto. É raramente usado na indústria. 2021-01-0824/02/012 41 x, y = composições do fluxo superior e inferior, respectivamente F0 + D0 = M = E1 + R1 (1) F0 x0 + D0 x0 = M xM = E1 y1 + R1 x1 (2) (xM)D = F0 x0 + D0 x0 (3) F0 + D0 Contacto simples Fluxo superior, E1, y1Alimentação, F Solvente, y0 Fluxo inferior, R1,x11 2021-01-0824/02/012 42 Exemplo de Cálculo 500 kg de um mineral de cobre de composição 12% de CuSO4, 3% de H2O e 85% de sólidos inertes é submetida à extracção com 3000 kg de água em contacto simples. A quantidade de solução retida pelos sólidos é de 0.8 kg/kg de sólidos. Usando o diagrama triangular e rectangular determine: a) As composições do fluxo superior e do inferior; b) As quantidades de extracto (overflow) e do refinado (underflow); c) A percentagem de CuSO4 extraído. 2021-01-08 43 Contacto Múltiplo: Co-Corrente Consiste na repetição do procedimento empregue para uma etapa em etapas sucessivas 1 2 n-1 n D1 D2 Dn-1 Dn R1 E1 Rn-1R2 Rn E2 En-1 En E F 2021-01-08 44 Contacto Múltiplo: Co-Corrente Subdivide-se a quantidade total de solvente em várias fracções, empregando uma fracção de solvente em cada etapa Fluxo inferior ou refinado procedente de uma etapa põe-se em contacto com novo solvente da etapa seguinte e assim sucessivamente Sólido inerte contendo solução retida procedente de uma etapa constitui a alimentação para a etapa seguinte Resulta em soluções diluídas Vantagem (em relação ao contacto simples) Melhoria no rendimento em relação ao contacto simples 2021-01-08 45 Os cálculos são realizados de estágio para estágio. 1 2 n-1 n D1 D2 Dn-1 Dn R1 E1 Rn-1R2 Rn E2 En-1 En E F a 1ª Etapa: B.M.: F + D1 = E1 + R1 = M1 B.C.: F*xFs + D1*yD1s = M1*xM1s M1 = (F*xFs + D1*yD1s)/(F + D1) 2021-01-08 46 D I F M1 R1 E K E1 M 2 M 3 En-1 En Rn S 2ª Etapa: B.M.: R1 + D2 = E2 + R2 = M2 B.C.: R1*xR1 + D2*yD2s = M2*xM2sM2 = (R1*xR1 + D2*yD2s)/(R1 + D2) 2021-01-08 47 Contacto Múltiplo: Contra-corrente 1 2 n-1 n E1 E2 En-1 EnEn-2D R2 Rn-1 RnR1 R3 F • A alimentação e o solvente entram em extremos opostos do sistema de extracção. • Método mais empregue na prática industrial. Fluxo inferior (refinado) empobrece de soluto da última à primeira etapa enquanto o fluxo superior ou extracto torna-se mais concentrado de soluto da primeira à última etapa. Vantagem: Minimiza o uso do solvente & o custo de recuperação tanto do soluto quanto do próprio solvente 2021-01-08 48 Contacto Múltiplo: Contra-corrente 1 2 n-1 n E1 E2 En-1 EnEn-2D R2 Rn-1 RnR1 R3 F Balanço Global (BG.) aplicado a toda instalação F + D = En + R1 = M 2021-01-08 49 Contra-corrente S D I F M Rn-1 Rn R1 E K En-1 En E1 P O ponto de mistura se situa na recta FD Se o solvente for puro (xM)s = F*xF /(F + D) R1En e DF cruzam-se no ponto de mistura Localização do ponto En por intersecção de R1M com a hipotenusa do triângulo. F-En = R1 - D = P EnD 1 n-1 n R1 F Equação da Diferença entre os FLUXOS de entrada e saída 2021-01-08 50 P - ponto que indica que a diferença entre os fluxos de entrada e saída é constante para os extremos da instalação Denomina-se: polo, ponto de diferença ou ponto operatório Localiza-se na intersecção das rectas EnF e DR1 e as rectas operatórias que intersectam a curva do fluxo inferior e a hipotenusa nos pontos que correspondem ao refinado e ao extracto de duas etapas adjacentes. Contra-corrente 2021-01-08 51 Procedimento para a determinação do nº de etapas (método gráfico) A recta EnI passará pela curva do fluxo inferior pelo ponto Rn se se alcança o equilíbrio correspondente a uma etapa ideal. Em geral Rn localiza-se pela intersecção com a curva do fluxo inferior da recta de repartição ou tie-line que passa por En. A recta operatória PRn intersecta a hipotenusa do triângulo no ponto En-1 e com a recta de repartição que passa por En-1 se localiza o ponto Rn-1, e assim sucessivamente. Se se conhecer as composições das correntes extremas, pode-se calcular facilmente o número de etapas. Localiza-se o ponto operatório (P) (rectas que passam por xFyn e x1yD) 2021-01-08 52 A composição do fluxo inferior (xn) procedente da última etapa determina-se na intersecção da recta de repartição que passa por yn com a curva KE (ver esboço gráfico em contra-corrente ) A composição yn-1 do fluxo superior que abandona a etapa n-1 estará na intersecção da recta operatória Pxn-1 com a hipotenusa. Procede-se sempre do mesmo modo até se atingir a composição do refinado x1, da primeira etapa. A relação solvente/alimentação (D/F) pode-se calcular aplicando a regra da alavanca aos segmentos de recta PEn e PE1 nnn PEFEFEF 11 PRFEDRD n 1 1 DR FE PR PR F D n n P En F 2021-01-08 53 1. Uma farinha de peixe possui óleo que é extraída com benzeno, opera-se em etapas múltiplas em corrente directa. Experimentalmente determinou-se que a solução retida pelos sólidos inertes é função da composição da solução de acordo com a tabela abaixo. O sistema de extracção que consiste de três etapas entram 1000 Kg/h de alimentação que contém 40% em peso de óleo e a quantidade de benzeno empregue em cada etapa é 750 Kg. Calcule: a) A composição global do extracto. b) A composição do refinado procedente da última etapa. c) A percentagem do óleo recuperado. Exercícios 2021-01-08 54 Dados de equilíbrio (exercício 1.): Composição da solução Kg de solução retida/ Kg de inerte 0.00 0.500 0.10 0.505 0.20 0.515 0.30 0.530 0.40 0.550 0.50 0.571 0.60 0.595 0.70 0.620 2021-01-08 55 2. Num sistema de extracção de etapas múltiplas em contra-corrente devem-se tratar 60 ton/dia de um mineral de cobre cuja composição depois de submetê-lo a tratamento térmico é: • CuSO4 ….8% • Água …. 4% • Ganga inerte ….88% Como agente extractor emprega-se uma quantidade de água tal que a concentração da solução que se separa seja 12% em CuSO4 e nela se encontram 98% do cobre que entram na alimentação. A quantidade de água retida pelo sólido inerte nas condições de operação é de 1.6 kg de água/kg de inerte. Calcule: a) A quantidade de água necessária b) As coordenadas do pólo c) O número de etapas 3. Num sistema de extracção de múltiplas etapas em contracorrente se tratam 1000 kg/h de uma farinha de peixe que contém, em peso, 40% de óleo. O agente extractor (o benzeno) é introduzido a um caudal de 600 kg/h e contém 5% de óleo. A extracção há-de efectuar-se até que a concentração do óleo referida ao sólido inerte seja 6%. A solução retida pelo sólido inerte é função da sua concentração e se ajusta aos dados do exemplo 2 (Ficha de Exercícios). Empregando o diagrama triangular, calcule: a) A composição do fluxo inferior ou refinado; b) A composição do solução retida; c) As coordenadas do ponto de mistura; d) A composição do fluxo superior ou extracto; e) As quantidades de extracto e do refinado; f) A quantidade da solução retida; g) As coordenadas do polo; h) O número de etapas ideais. Sumário 2021-01-08 57 Métodos analíticos: - Método de Baker e o método de McCabe-Smith 2021-01-08 58 Métodos Analíticos Usados para resolver problemas de extracção sólido-líquido em múltiplas etapas e em contracorrente. Estes métodos são: - Método de Baker - Método de McCabe-Smith Baseiam-se no conceito da etapa teórica supõe que em cada etapa a concentração da solução retida pelo sólido inerte é igual à do fluxo superior; relação D/I é constante em todos os refinados. 2021-01-08 59 Método de Baker Onde: f - Soluto no refinado Rn/ soluto na alimentação a - Extracto que sai da etapa E1/ solução retida pelo sólido inerte an - Extracto obtido em En/ solução retida pelo sólido inerte WD” - Peso do soluto no solvente Wn” - peso do soluto no refinado Rn n n n n n Dn n aa W W aa f 2 2 1 1 11 1 • Este método permite determinar a quantidade de soluto no refinado conhecido o número de etapas teóricas. 2021-01-08 60 Método de Baker Quando no refinado permanece constante a relação D/I, empregam-se as mesmas equações anteriores, e substitui-se a por a’ e an por a’n e que são dadas por: a’ – Dissolvente que sai no extracto E1/solvente retido pelo sólido inerte a’n – Dissolvente que sai no extracto En/solvente retido pelo sólido inerte n n n aa f 1 11 1 Se o solvente for puro (não contém soluto), WD” = 0 2021-01-08 61 Método de McCabe-Smith Este método permite calcular o número de estágios a partir da concentração da solução. Se for constante a relação (D+S) retida/sólido inerte yf = Composição da alimentação x1, xn = Composição do refinado na primeira e última etapa yn-1 = Composição do extracto na penúltima etapa fnn fnn yyxx yxyx n 11 11 log log 1 Todas as concentrações estão expressas em kg de soluto/kg de solução 2021-01-08 62 Método de McCabe-Smith Quando o que permanece constante é a relação D retido/I também se pode usar a equação anterior, expressando as concentrações do extracto e do refinado em kg de soluto/kg de solvente 2021-01-08 63 Exercícios 1. Num sistema de extracção de três etapas em contra corrente, trata-se 5000 kg/h de um mineral que contém 10% de soluto, 5% de água e 85% de sólido inerte. Como solvente emprega- se 6000 kg/h de água e a solução retida pelos sólidos é 0.5 kg de solução/kg de sólido inerte. Calcule a percentagem de soluto recuperado e a composição do extracto separado. 2. Cobre contido num mineral previamente tratado é extraído em múltiplas etapas em contra-corrente. No sistema de extracção entram por hora 10 ton de ganga inerte, 1.2 ton de sulfato de cobre e 0.5 ton de água (com o mineral). Pretende-se recuperar até 98% de sulfato num extracto com uma concentração de 0.07 kg de sulfato de cobre/kg de solução. A solução retida é de 2 kg/kg deinerte. Calcule o número necessário de etapas teóricas.
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