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ENG07761 OperaesUnitriasdaEngenhariaQumicaIIUniversidadeFederaldoRioGrandedoSul

Prof FlvioMayer

PortoAlegre,02demaiode2012

Introduoy Extrao: serve para slidos e lquidos extrados porsolvente;y Seaalimentaoformisturalquida:extraolquidolquido;lquido;y Seaalimentaoformisturaslida:extraoslidolquidooulixiviao;

y comum no tratamento de minrios, na indstriaalimentcia, farmacutica e de cosmticos, naproduo de leos essenciais, etc.

1.EXTRAOLQUIDOLQUIDO

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1.1Introduoy separao dos constituintes de uma soluo lquidapelo contato com outro lquido insolvel (solvente);y um alto grau de separao pode ser obtido pelo uso decontatos mltiplos em srie;contatos mltiplos em srie;y a separao est relacionada com a distribuiodiferenciada do soluto pelas duas fases imiscveis;

1.1Introduoy UtilizarextraoLLquandoy Ocompostoasepararexisteempequenaquantidade;y Ocompostoaseparartempontodeebuliomuitoelevado;y Sepretendesepararmisturasaquosascomgrandey Sepretendesepararmisturasaquosascomgrandepercentagemdegua(comoaentalpiadevaporizaodaguaelevadaadestilaoimplicariagrandeconsumoenergtico);

y Sepretenderecuperarcompostossensveistemperatura(aextraopodesermaiseconmicadoqueadestilaosobvcuo);

y Sepretendesepararcompostoscompontodeebuliomuitoprximos;

y Sepretendesepararmisturasquedoorigemaazetropos.

ExtraoxDestilao

Figura 1 Recuperao de cido actico por extrao com solvente e destilao azeotrpica.

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Exemplo1:Separaodocidoactico

Solvente Coeficiente deDistribuio (20C)

Miscibilidade comgua (w/w% ,20C )

n-Butanol 1.6 >10

Tabela 2 Solventes para a extrao do cido actico.

Acetato de Etilo 0.9 10 Metil Isobutil Cetona (MIBC)

0.7 2.0

Tolueno 0.06 0.05 n-Hexano 0.01 0.015

1.2Caractersticasdoprocessoy Emumestgio:y Mistura;y Decantao;

Figura2 Estgiodeequilbrioemumprocessodeextraolquidolquido.

1.2Caractersticasdoprocessoy Processomultiestgio:y Aumentodaeficinciaglobal;y Contracorrente:aforamotrizpermanececonstanteaolongodoequipamento;

Figura 3 Extrao em contracorrente.

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1.2Caractersticasdoprocessoy Processomultiestgio:y Correntecruzada:maiorgastodesolvente;y Utilizadaemunidadesdebaixacapacidade(maisflexveis);

Figura 4 Extrao em corrente cruzada.

Exemplo2y Consumodesolventenaextraocorrentecruzada:

Nointeressamuitoon deandaresdoextratorporqueapartirdeumvalordeNrelativamentebaixo(N=3)noseconseguediminuirocaudaldesolventenecessrio!

Comparaoentrecorrentecruzadaecontracorrente

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1.3Escolhadosolventey Solventeideal:grandeafinidadeparaosolutoequetotalmente

imiscvelcomodiluente;y Seletividade afinidadeparaosolutoCenoparaodiluenteA;y Imiscibilidade comodiluenteA(deveseromaiselevadapossvel);y Densidade facilitaraseparaodasfases;y Densidade facilitaraseparaodasfases;y Facilidadederecuperao dosolventevolatilidaderelativa

solvente/soluto(toaltaquantopossvel);temperaturadeebuliodosolvente(tobaixaquantopossvelparaminimizaroscustosenergticosdadestilao);nodevehaverformaodeazetroposcomosoluto.

y Outraspropriedades aconsiderar viscosidade,tensosuperficial,estabilidadequmica,reatividade(nopodereagircomodiluentedaalimentao),toxicidadee,finalmenteocusto.

Exemplo3y Prtratamentopararemoodetoxicidadedeefluentesindustriais:y Escolhadatcnica:

C i d i d d ( y Carvoativadoouresinadeadsoro(remooemumaetapa);y Extraolquidolquido;y Trsproblemas:y Componentestxicosparcialmenteremovidosemumaetapa;y Oscontaminantesremovidoscontaminamosolvente;y Oefluenterestousaturadocomosolventeutilizado;

Exemplo3

Processodeextraoporsolvente

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Exemplo3y A superao dos problemas baseiase natermodinmica e no processo escolhido;y Geralmente, trs operaes esto associadas aoprocesso de extrao L L:processo de extrao LL:y Contato LL em contracorrente;y Recuperao do solvente;y Limpeza do refinado;

Exemplo3y A vazo de solvente necessria para extrair umadeterminada impureza depende:y Coeficiente de distribuio da impureza;O d d d i idy O grau de reduo de impureza requerido;y N de estgios tericos projetados para o equipamento;

Solvente!

Exemplo3y Escolha do solvente:y Possuir elevado coeficiente de distribuio para aimpureza;y Baixo custo de operao para o resto do processo;y Baixo custo de operao para o resto do processo;

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Exemplo3

Exemplo3y Estudodecaso:y Oefluentedeumprocessovemdeumdecantadorondeguaeprodutoestoemcontato.Aguaestsaturadacomprodutoecontmoutrastrsimpurezas(A BeC)comprodutoecontmoutrastrsimpurezas(A,BeC)quesoumpoucosolveisnagua.Oproblemaqueoprodutoeduasdasimpurezas(AeB)sorelativamentebiorefratrias enecessitamserreduzidasparanveisbaixosparaseremnotxicasaospeixes.Aterceiraimpureza(C)facilmentedegradadaporbiooxidao.

Exemplo3y Estudodecaso:y Com o auxlio da Tabela 1 foi possvel escolher umsolvente adequado para a remoo das trs impurezas. Aimpureza C excepcionalmente difcil de ser removida.y Um solvente encontrado foi capaz de remover as trsimpurezas:

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Exemplo3

Exemplo3

1.4Tiposdeequipamentosy Equipamentodesimplesestgio:umestgiodecontatoemumnicodispositivo;y Equipamentomultiestgio,ondeoequivalenteamuitosestgiospodeserincorporadoemumnicomuitosestgiospodeserincorporadoemumnicodispositivoouequipamento.

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1.4.1Simplesestgioy Misturador/decantador:

Figura 5 Vaso agitado para extraobatelada ou contnua.

1.4.1Simplesestgioy Misturador/decantador:y Utilizadoquandoonmerodeandaresrequeridoparaaseparaopequeno;y Equipamentosdegrandeporte;y Equipamentosdegrandeporte;y N deunidadesreduzido;y Permitemtemposderesidnciaelevados,assimcomotratarcaudaisapreciveis;

1.4.1Simplesestgioy Misturador/decantador:y A intensidade de mistura requerida depende daviscosidade, tenso superficial e diferena de densidadedas fases em contato;das fases em contato;y Cuidadocomavelocidadedeagitao:y Gotasgrandes menorreainterfacial;y Gotaspequenas dificultaadecantao;

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1.4.1Simplesestgioy Naextraooequilbriocontroladopelotamanhodamaiorgotanoequipamento,enquantoqueadecantaocontroladapelotamanhodamenorgota;

Figura 6 Decantador.

1.4.1Simplesestgioy Associaoemmultiestgio:

Figura 7 Extrator de urnio de Kerr-McGee

1.4.1Simplesestgioy Associaoemmultiestgio:

Figura 7.a Extrator de urnio

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1.4.Multiestgioy Colunasestticas:y Torredepulverizao;y Torredeenchimento;T d y Torredepratos;

y Colunascomagitao:y Discosrotativos;y Pulsantes;

y Extratorcentrfugo;

1.4.Multiestgioy Ascolunasdeextraososempreemcontracorrenteeolquidomaisdensoentrasemprenotopodacoluna,enquantoqueomaisleveentranabase;y Apenasumadascorrenteslquidasdeveserbombeadap qemqualquertaxa;y Ataxaparaosegundolquidodependedadiferenaentreasdensidades;y Seessataxaformuitoelevada,ocorreinundao(flooding);

y Quantomaiorareadaseotransversal,maioraresistnciainundao;

1.4.Multiestgio(estticas)y Colunadepulverizao(spray):y Baixocusto,baixamanutenoealtacapacidade;y Aliberdadequeamisturatemparaescoarprovocaseverosefeitosdemisturaaxial diminuindoaeficincia;severosefeitosdemisturaaxial,diminuindoaeficincia;

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1.4.Multiestgio(estticas)y Torredepulverizao(spray):

Figura 8 Torre de pulverizao.

1.4.Multiestgio(estticas)y Torresdeenchimento:y Orecheioserveparareduziramisturaaxialeascolisesedistoresdasgotculasdafasedispersay Aumentonataxadetransfernciademassa;y Aumentonataxadetransfernciademassa;

1.4.Multiestgioy Torresdeenchimento:

y Alturadeleitorecheado:Z=N.HEPT

Onde:Z alturadoleitorecheado;N nmerodeestgiostericos;HEPT Alturaequivalenteaopratoterico

Figura9 Torredeenchimentoparaextrao(lquidolevedisperso).

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1.4.Multiestgio(estticas)y Torresdepratos:y efetivas com relao a capacidade de manipulao delquidos e eficincia da extrao, particularmente parasistemas de baixa tenso interfacialsistemas de baixa tenso interfacial.1) a mistura axial da fase contnua est confinada

regio entre os pratos e no se espalha atravs da torre, e;2) as gotculas da fase dispersa coalescem e so refeitas

em cada prato, destruindo a tendncia a estabelecergradientes de concentrao dentro das gotas quepersistem em toda a altura da torre.

1.4.Multiestgioy Torresdepratos:

Figura10 Extratordepratosperfurados

1.4.Multiestgio(estticas)y Torresdepratos:y Altura da torre de pratos perfurados:

.

CZNZ = 42,05,0

0)/.().(65,5 CDC QQZ=

Onde:Z altura da torre (m);ZC espaamento entre pratos (m);0 eficincia global do prato; Tenso superficial (mN/m);QD vazo volumtrica da fase dispersa;QC vazo volumtrica da fase contnua;

0 0

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1.4.Multiestgio:comagitaoy As Colunas Estticas dependem dos internos para criarturbulncia, formar as gotas e promover atransferncia de massa (valor mnimo para o caudal dafase dispersa);fase dispersa);y As colunas com agitao permitem maiorflexibilidade:y Lquidos com alta tenso superficial;

1.4.Multiestgio:comagitao

Figura11 ExtratorOldshueRushton.

1.4.Multiestgio:pulsantey Existe um movimento alternado, de baixa amplitude,das fases que enchem a coluna, o que facilita atransferncia de massa e a separao;y Na fase ascendente o lquido leve mistura se maisy Na fase ascendente o lquido leve misturase maisfacilmente com a fase densa, enquanto que na fasedescendente se favorece a separao das fases;y Uma coluna pulsante requer normalmente um terodos andares das colunas no pulsadas equivalentes;y As colunas pulsantes podem ser de pratos ou deenchimento;

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1.4.Multiestgio:pulsante

Figura12 Colunapulsante

1.4.Multiestgio:extratorcentrfugoy Utiliza a fora centrfuga para facilitar quer a misturaquer a separao das fases (a transferncia de massaaumenta);y Nestes extratores o tempo de residncia y Nestes extratores o tempo de residncia normalmente baixo e o nmero de andares tericos prximo de um;y Este tipo de extrator muito usado na indstriafarmacutica ou quando as densidades das faseslquidas so muito prximas;

1.4.Multiestgio:extratorcentrfugo

Figura13 ExtratorcentrfugoPodbielniakFigura13 ExtratorcentrfugoPodbielniak

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1.4.3Eficinciasy Os valores de eficincia para equipamentos de extraoso escassos e, em boa parte, baseiamse em dados deplantas de pequeno porte (laboratrio);

Figura 14 Eficincia e faixa de capacidade para extratores de pequeno dimetro (50 150 mm).

Legenda:AC clulaagitada;PPC colunadeenchimentopulsante;PST pratoperfuradopulsante;RDC contator dediscorotativo;PC colunadeenchimento;MSmisturadordecantador;ST pratoperfurado;

Tabelacomparativa:

2.EXTRAOSLIDOLQUIDO

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2.1Introduoy A extrao slidolquido ou lixiviao a dissoluopreferencial de um ou mais constituintes de umamistura slida pelo contato com um solvente lquido.y As indstrias metalrgicas so, talvez, as maioresg , ,usurias da operao de lixiviao (elevada proporode constituintes indesejveis):y Porexemplo:cobre,ouro,alumnio,cobalto,mangans,etc.

y Muitos compostos orgnicos que ocorremnaturalmente :y Porexemplo:acardebeterraba,leosvegetais,taninos,produtosfarmacuticos,caf,ch,etc.).

2.1Introduoy A lixiviao depende de trs fatores:y Preparo do slido: exposio do soluto ao dosolvente;y Temperatura da lixiviao: o aumento da temperaturay Temperatura da lixiviao: o aumento da temperaturaaumenta a solubilidade do soluto no solvente. Aviscosidade do lquido menor e a difusividade maiorem temperaturas elevadas;y Mtodos de operao do equipamento: batelada ousemibatelada (estado no estacionrio) assim como emcondies completamente contnuas (estadoestacionrio);

2.2Operaoestadonoestacionrioy Asoperaesemestadonoestacionrioincluem:y aquelasemqueosslidoselquidosestoemcontatodeformabateladae;y aquelasemqueumabateladadeslidoestemcontatoq qcomumavazocontnuadelquido(mtodosemibatelada);

y Partculas slidas grosseiras so usualmente tratadasem leito fixo por mtodos de percolaoy Slidos finamente divididos, que so maisprontamente mantidos em suspenso, podem serdispersos atravs do lquido com a ajuda de algum tipode agitador;

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2.2Operaoestadonoestacionrioy Lixiviaoinloco:y Percolao dos minerais no local da mina, pelacirculao do solvente sobre e atravs do mineral;y Tem sido utilizado para a lixiviao de minerais comy Tem sido utilizado para a lixiviao de minerais combaixo teor de cobre contendo menos do que 0,5% decobre, cujo valor muito baixo para garantir os custos damina.;y Utilizado na remoo de sal de depsitos abaixo dasuperfcie pela dissoluo do sal em gua que bombeada para os depsitos;

2.2Operaoestadonoestacionrioy Lixiviaoempilha:y Minrios de baixo teor, cujos valores dos minerais nogarantem os custos de triturao e moagem, podem serlixiviados na forma de grandes pilhas sobre o cholixiviados na forma de grandes pilhas sobre o choimpermeabilizado;

2.2Operaoestadonoestacionrioy Tanquesdepercolao:y Slidos de tamanho intermedirio podem serconvenientemente exauridos por mtodos depercolao:percolao:y em tanques abertos;y Fechados: quando a queda de presso do lquido muitoelevada para a vazo por gravidade, exigindo o uso debombeamento do lquido atravs do leito de slidos (difusor);

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2.2Operaoestadonoestacionrioy Tanquesdepercolao:

Figura 15 Difusor para beterraba aucareira.

2.2Operaoestadonoestacionrioy Lixiviaoemfiltroprensa:y Slidosfinamentedivididos,muitofinosparatratamentoporpercolaoemtanquesrelativamentefundos;fundos;y Podemserfiltradoselixiviadosemumfiltroprensapelobombeamentodosolventeatravsdamassafiltrante;

2.2Operaoestadonoestacionrioy Vasosagitados:y Aformaodecanaispreferenciaisnapercolaoouemfiltraopodeserevitadapelaagitaodolquidoedoslidoemvasosdelixiviao:slidoemvasosdelixiviao:y Verticais;y Horizontais;

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2.2Operaoestadonoestacionrioy Vasosagitados:

Figura 16 Vasos delixiviao em bateladaagitados.

2.2Operaoestadonoestacionrioy Vasosagitados:

Figura Tanque Pachuca

2.2Operaoestadoestacionrioy Vasosagitados:y Slidosfinamentetrituradosequesofacilmentesuspensosemlquidosporagitao;y Devemserhabilitadosparapermitirumavazocontnuay Devemserhabilitadosparapermitirumavazocontnuadelquidoeslidoparadentroeforadotanque;y Cuidadosamenteprojetadosparaquenoocorranenhumacumulodeslidos;y Devidocompletamisturaobtida,estestanquessoumsimplesestgioemsuaao,poisolquidoeoslidotendemaficaremequilbriodentrodotanque;

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2.2Operaoestadoestacionrioy Lixiviaodesementesvegetais:y Sementesdealgodo,desoja,delinhoedeamendoim,farelodearroz,mamonaemuitosoutrosprodutossimilaressoregularmentelixiviadoscomsolventesorgnicos;

y Assementesdevemserespecialmentepreparadasparaumap p p plixiviaomaisvantajosa:y Descasque;y Prcozimento;y Ajustedoteordeumidade;y Laminao;

y Algumasvezesumapartedoleoremovidaporprensagem;y Ossolventessogeralmentenaftasdepetrleo(hexano);y Asoluoleosolventechamadademiscela.

2.2Operaoestadoestacionrioy Lixiviaodesementesvegetais:

Figura 17 Arranjoesquemtico do Rotocel.

2.2Operaoestadoestacionrioy Lixiviaodesementesvegetais:

Figura 18 Extrator Bollman.

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Exemplo1:ProvoEQ2002

Exemplo4:ProvoEQ2002

REFERNCIASTREYBAL, R. E., Mass Transfer Operations. Tokyo: Ed.McGrawHill 2 edio, 1968. 717p.

WALAS, S. M., Chemical Process Equipment: Selection andDesign. ButterworthHeinemann, 1990. 782p.Design. Butterworth Heinemann, 1990. 782p.

WELTY, J. R., WICKS, C. E., WILSON, R. E., Fundamentals ofMomentum, Heat, and Mass Transfer. New Jersey:Hoboken, 2007, 5 edio. 711p.

ROUSSEAU, R. W. Handbook of Separation ProcessTechnology. New York: JohnWiley and Sons, 1987. 1024p.

PERRY, R. H., Manual do Engenheiro Qumico. 7th ed. NovaYork: McGrawHill, 1999.