Aula 2 - Extração Líquido-Líquido (2)

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Operações Unitárias B 
 
Extração Líquido - Líquido 
Profª. Maraísa Lopes de Menezes 
Projeto da Coluna ELL 
•O projeto de um equipamento de extração passa pela determinação do 
número de andares em equilíbrio após a definição do solvente a ser usado 
e das condições de operação (pressão e temperatura). 
 
Fases Parcialmente Miscíveis: 
 
•No caso geral de miscibilidade parcial dos componentes A e B, diluente 
e solvente, respectivamente, os balanços mássicos e as relações de 
equilíbrio a resolver para o cálculo do número de andares teóricos podem 
representar-se no diagrama triangular. 
 
Projeto da Coluna ELL 
Fases imiscíveis 
 
•Caso o solvente seja imiscível no diluente, os diagramas triangulares são 
apresentados por meio de curvas de solubilidade do soluto no solvente e 
soluto no diluente. 
 
•O cálculo do número de estágios teóricos é baseado no diagrama de 
equilíbrio e na reta de operação. 
 
 
 
Soluções Parcialmente Miscíveis 
•Diagramas ternários: podem ser representados de duas formas: 
retangular e equilátero. 
 
•Precisaremos saber como fazer a leitura de uma determinada mistura 
dentro deste diagrama. 
 
•Iremos definir as características e um diagrama ternário: linha de 
equilíbrio, ponto crítico de mistura e linhas de amarração (união). 
 
•Avaliar a influência da quantidade de solvente na composição da 
mistura. 
 
Soluções Parcialmente Miscíveis 
•Diagramas ternários são utilizados quando se trabalha com soluções 
onde teremos misturas envolvendo três componentes. 
 
•Soluto, solvente e diluente apresentam alguma afinidade, ou seja, ao 
atingir o equilíbrio, solvente e diluente podem estar presentes nas duas 
fases. 
 
•Independente do tipo de diagrama ternário, a leitura das composições é 
parecida. 
Soluções Parcialmente Miscíveis 
•Vimos que nos vértices sempre teremos o componente puro. Em um ponto 
dentro do diagrama, quanto mais próximo de um vértice ele estiver, mais rico 
neste componente ele será. 
 
Em qualquer lado, teremos uma mistura binária e dentro 
do triângulo, teremos uma mistura ternária. 
Sempre utilizar o lado oposto ao vértice como 
referência. 
Para saber a composição de A, precisaremos identificar 
em qual vértice ele está, e o seu lado oposto, ou seja, lado 
BC. 
Uma reta paralela a este lado vai passar pela mistura 
(P), sendo possível fazer a leitura da composição em um 
dos eixos (AC ou AB), podendo ter especificação 
diferente em cada eixo. 
Para B, o lado oposto seria o lado AC, a reta paralela 
seria a linha verde, e para C, o lado oposto seria o lado 
AB, e a reta paralela seria a vermelha. 
Soluções Parcialmente Miscíveis 
•Triângulo retângulo: a leitura das composições é mais simples, pois são 
considerados apenas os vértices oposto ao ângulo reto, ou seja, A e C. 
 
•A composição de A é lida no próprio eixo y, e a composição de C é lida no eixo 
x. 
 
•O componente que se encontra no vértice do ângulo reto não é lido no 
diagrama, e sim é determinado por diferença, ou seja, sabendo-se que a soma das 
composições é igual a 1, obtém-se a composição em B (zb=1- ya –xc). 
 
 
Soluções Parcialmente Miscíveis 
•O diagrama ternário é composto por uma linha de equilíbrio e linhas de 
amarração. 
 
•Linha de equilíbrio ou linha de imiscibilidade (linha vermelha): separa a 
zona bifásica (mistura ternária bifásica, como por exemplo, o ponto B) da zona 
monofásica (mistura ternária monofásica - ponto C). 
 
•A linha de equilíbrio pode variar com a temperatura e pressão. 
 
 
Diagrama Acetona – Tolueno - Água 
Região de interesse: 
formação de rafinado e 
extrato 
Soluções Parcialmente Miscíveis 
•Ponto P: ponto crítico da mistura (ou plait point) – referência entre extrato e refinado. 
 
•Neste ponto as duas fases (extrato e refinado) possuem a mesma composição. 
 
•Se a água é o solvente e a acetona o soluto, ao final da extração teremos: 
Extrato: fase rica em solvente: água (direita de P). 
Refinado: fase rica em diluente: tolueno (esquerda de P). 
 
 
 Exemplo: qualquer ponto a 
esquerda de P estará mais rico 
em diluente(tolueno) do que 
em solvente. 
Soluções Parcialmente Miscíveis 
•Linhas de união: (linhas azuis) – indicam a composição da mistura após atingir o 
equilíbrio. 
•A partir de um ponto de uma mistura bifásica, quando esta mistura alcança o equilíbrio, 
saberemos a localização exata para a leitura do refinado e extrato. 
•Como exemplo o ponto Y, vai existir uma linha de união, que vai unir o refinado e o 
extrato que passa por Y. 
•Ou seja, quando esta mistura atingir o equilíbrio, ela apresenta um refinado R1 e um 
extrato E1. 
 
 
 
Soluções Parcialmente Miscíveis 
•Extração em único estágio: 
 
•Se as composições da alimentação (xa,f; xd,f; xs,f) e do solvente (ya,s; yd,s; ys,s) são 
conhecidas, localizamos os pontos F e S no diagrama, unindo-os por uma reta. 
 
•Conhecidas as composições, podemos marcá-las no diagrama. A alimentação F (contém 
diluente e soluto, F é marcado na linha Soluto-Diluente e o Solvente é marcado no vértice 
por ser puro. 
 
 
 
Soluções Parcialmente Miscíveis 
•Extração em único estágio: 
 
•Conhecidas estas composições, a mistura (ponto M) vai estar localizada em um ponto 
sobre a linha que liga o solvente com a alimentação SF, sendo determinado por balanço 
de massa. 
 
•O ponto M se localiza sobre a reta SF e entre a linha de equilíbrio. 
 
 
 
Soluções Parcialmente Miscíveis 
•Extração em único estágio: 
 
•Determinado M por balanço de massa, sabemos que irá existir uma única linha de 
amarração que passa pelo ponto M, e esta linha vai indicar exatamente o ponto do extrato 
e do refinado no equilíbrio. 
 
 
 
 
 
 
 
 
•Se variar a quantidade de solvente, por exemplo, aumentar, o ponto M vai ficar com uma 
composição mais próxima a do solvente, no máximo até na linha de equilíbrio. Ou seja, 
conseguimos estimar a quantidade mínima e máxima de solvente. 
 
 
 
Exercício 1 
•Extração em único estágio: 
 
Uma mistura de 100 kg contém 30 kg de éter isopropílico (solvente), 10 kg de ácido 
acético (soluto) e 60 kg de água (diluente). O sistema encontra-se em equilíbrio e os 
dados são apresentados na Figura abaixo. Determine as composições das fases extrato e 
rafinado. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Exercício 1 
•Extração em único estágio: 
 
Podemos calcular as frações e determinar a localização do ponto de mistura (M) no 
diagrama, com este ponto encontramos a linha de união e conseguimos determinar as 
composições das fases de extrato e rafinado. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Exercício 1 
•Extração em único estágio: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Exercício 2 
•Extração em único estágio: 
 
•A 25oC e 1 atm misturam-se 100 g de uma solução com 45% (em massa) de etilenoglicol 
e 55% (em massa) de água com 200 g de furfural puro. Usando o diagrama de equilíbrio 
triangular equilátero determine as composições e as quantidades das correntes de 
rafinado e extrato resultantes da mistura. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Equilíbrio líquido-líquido 
Etilenoglicol/Água/Furfural 
25oC e 1 atm 
Exercício 2 
•Extração em único estágio: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
•Quando misturamos a corrente da alimentação (F) com o solvente (S), teremos uma 
corrente M correspondente a esta mistura, cujas composições correspondentes ao soluto 
A, diluente D e solvente S não conhecemos. 
•Precisaremos determinar a corrente M e estas composições para encontrar as correntes 
do refinado e extrato, bem como suas composições. 
Exercício 2 
•Extração em único estágio: 
 
•Balanço de massa (misturador): 
 
F=100 g e S = 200g 
 
 
 
 
Para determinar a composição desta corrente, teremos que fazer um balanço por 
componente no misturador: 
 
•Etilenoglicol: soluto 
 
 
 
 
 
 
Não tem soluto no solvente (solvente puro) 
Exercício 2 
•Extração em único estágio:•Água: diluente 
 
 
 
 
 
 
•Furfural: solvente – Pode ser obtido por diferença, uma vez que a soma das frações 
é igual a 1. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Não tem diluente no solvente (solvente puro) 
Exercício 2 
•Extração em único estágio: 
 
•Composição da corrente M: 
 
 
 
 
•É possível identificar os pontos S, F e M 
no diagrama ternário. 
 
•A mistura vai estar em um ponto sobre a 
linha SF. 
 
 
 
 
 
 
 
Solvente puro e conhecemos a 
composição da alimentação. 
Exercício 2 
•Extração em único estágio: 
 
•Composição da corrente M: 
 
 
 
 
•É possível identificar os pontos S, F e M 
no diagrama ternário. 
 
•A mistura vai estar em um ponto sobre a 
linha SF. 
 
 
 
 
 
 
 
Solvente puro e conhecemos a 
composição da alimentação. 
Exercício 2 
•Extração em único estágio: 
 
•Composição da corrente M: 
 
 
 
 
•É possível identificar os pontos S, F e M 
no diagrama ternário. 
 
•A mistura M vai estar em um ponto sobre 
a linha SF. 
 
 
 
 
 
 
 
Solvente puro e conhecemos a 
composição da alimentação. 
Exercício 2 
•Extração em único estágio: 
 
•Identificar a linha de amarração para 
determinar refinado e extrato, e que passa 
pelo ponto M. 
 
•No diagrama, temos várias linhas que 
unem o refinado e o extrato. 
 
•Lembrando que o furfural é o solvente, 
então a esquerda teremos o extrato e a 
direita o refinado. 
 
•Linha de amarração fornece E e R. 
 
•Fazendo a leitura pelo diagrama, é 
possível determinar as composições do 
extrato e do refinado. 
Interpolação 
Exercício 2 
•Extração em único estágio: 
 
•Identificar a linha de amarração para 
determinar refinado e extrato, e que passa 
pelo ponto M. 
 
•No diagrama, temos várias linhas que 
unem o refinado e o extrato. 
 
•Lembrando que o furfural é o solvente, 
então a esquerda teremos o extrato e a 
direita o refinado. 
 
•Linha de amarração fornece E e R. 
 
•Fazendo a leitura pelo diagrama, é 
possível determinar as composições do 
extrato e do refinado. 
Interpolação 
Exercício 2 
•Extração em único estágio: 
 
•Composição do refinado: 
 
 
 
 
 
 
•Composição do extrato: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Interpolação 
Exercício 2 
•Extração em único estágio: 
 
•Balanço de Massa no Extrator para determinar a corrente de extrato e de refinado: 
 
 
 
 
 
•Etilenoglicol: soluto Conhecendo E determina-se R: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Considerando que não terá perdas 
Método Hunter-Nash 
Método Hunter-Nash 
Método Hunter-Nash 
Correntes que saem de um estágio, saem em equilíbrio. 
 
 
 
 
 
Correntes de passagem: correntes que estão em um dos lados do estágio. 
 
 
 
 
 
A diferença entre as correntes de passagem são iguais considerando o mesmo 
estágio, ou seja, a diferença entre S e R1 vai ser igual a diferença entre E1 e R2. 
 
Índices iguais são 
correntes em equilíbrio. 
Método Hunter-Nash 
Isto se mantém constante em todos os estágios, que é da onde surge o delta, 
referência gráfica para a determinação do número de estágios. 
Delta é um valor constante, ou seja, se mantém em todos os estágios. 
Método Hunter-Nash 
Em um problema de extração múltiplos estágios, necessariamente conheceremos a 
composição de F (alimentação) e S do solvente que será alimentado para a extração do 
composto de interesse. 
Método Hunter-Nash 
Conhecendo R1 também podemos determinar o ponto M sobre a reta SF. 
Método Hunter-Nash 
Automaticamente determinamos o ponto onde se localiza a corrente de extrato que sai da 
coluna EN, e definimos a composição desta corrente de extrato. 
Método Hunter-Nash 
Determinação do delta: como é um valor constante, ou seja, todas as linhas de operação 
passarão por ele. Ligar R1S e FEN. Estas duas retas vão se encontrar em um ponto, que é o 
delta. 
Método Hunter-Nash 
No estágio 1, R1 está e equilíbrio com E1, e isto é definido pela linha de amarração. 
Método Hunter-Nash 
Agora delta, vai passar por E1, teríamos a mesma corrente de passagem, consequentemente, 
fornecendo R2.A linha de operação, seria a diferença entre as linhas de passagem. 
Método Hunter-Nash 
Consequentemente, R2 estará em equilíbrio com E2, sendo ligados pela linha de amarração. 
Método Hunter-Nash 
Novamente, traçando uma reta a partir de delta passando por E2, definimos R3. 
Método Hunter-Nash 
R3 vai estar em equilíbrio neste caso com EN, finalizando o número de estágios suficientes para esta 
extração. O número de estágio seria o número de linhas de amarração, ou seja, 3 estágios. 
Exercício 3 
•Deseja-se extrair acetona contida em uma solução aquosa binária com 40% 
(em massa) de acetona (ou seja, 60% de água). O processo ocorre a 25oC e 1 
atm, onde são alimentados 200 kg/h da solução aquosa. O solvente utilizado 
é o 1,1,2 – tricloroetano (TCA) puro, que entra em contracorrente a uma 
vazão de 75 kg/h, e ao final deve ser obtido um rafinado com 10% (em 
massa) de acetona (ou seja, a acetona é o soluto). Determine o número de 
estágios de equilíbrio necessários para realizar a operação. 
Todas as etapas vão fazer parte desta mistura. 
Exercício 3 
•Cálculo da vazão da mistura M: 
 
 
 
•Composição da mistura M: 
•Balanço do soluto: 
 
 
•Balanço do diluente: 
 
 
•Balanço do solvente: 
Exercício 3 
•Com as composições de S e F, é possível localizar os pontos no diagrama. 
A composição de F foi dada, 40 % de acetona e 
60% de água. O solvente é puro. 
Exercício 3 
•A mistura M estará localizada sobre a reta SF. 
Conhecendo a composição de M, podemos 
definir a sua localização no diagrama. 
 
Conhecemos também a composição do 
rafinado R1, 10% de acetona. 
 
O rafinado vai estar sobre a curva de 
equilíbrio. 
Exercício 3 
•A mistura M estará localizada sobre a reta SF. 
Conhecendo a composição de M, podemos 
definir a sua localização no diagrama. 
 
Conhecemos também a composição do 
rafinado R1, 10% de acetona. 
 
O rafinado vai estar sobre a curva de 
equilíbrio. 
 
Se fazermos a relação entre R1 e M, vamos 
obter EN. 
Exercício 3 
•Precisamos definir o delta: 
Para marcar o delta, unir S a R1 e EN a 
F. 
 
Neste diagrama não temos as linhas de 
amarração, mas temos a linha conjugada 
que serve de referência para traçar a 
linha de amarração. 
Exercício 3 
•Marcar R1 e E1: 
Se seguirmos a linha conjugada, 
obtemos E1, e traçamos a linha de 
amarração. 
 
O R1 está associado a EN no balanço 
global, mas existe uma relação de 
equilíbrio que é dada por uma linha de 
amarração que une R1 a E1. 
 
Exercício 3 
•Marcar R2 e E2: 
A partir de delta traçamos uma 
linha até E1 para obter R2. 
 
A partir de R2 e com base na linha 
conjugada, marcamos E2 e traçamos 
a linha de amarração. 
Exercício 3 
•Repetimos este procedimento até alcançar EN. Assim, seriam necessários 4 
estágios para esta separação. 
Exercício 4 
•8000 kg/h de uma solução de ácido acético (A) e água (B), na qual 40% é de ácido acético, 
vão ser extraídos em contracorrente com éter isopropílico (C) para reduzir a concentração de 
soluto até 5% no rafinado. Calcular o número de estágio teóricos necessários se serão 
utilizados 12000 kg/h de solvente puro. 
Exercício 4 
Para o processo de extração líquido-líquido temos uma mistura das correntes de 
alimentação de solução (F) e de solvente (S), como esquematizado: 
Exercício 4 
Através de um balanço de massa, podemos determinar a vazão da corrente de 
mistura. 
E realizando um balanço por componente, conseguimos encontrar as frações de 
composição da corrente M: 
Exercício 4 
Exercício 4 
F 
R1 
EN 
S 
M 
Exercício 4 
S 
Exercício 5 
S 
Uma vazão de 1000 kg/h de uma mistura aquosa contendo 30% (em massa) de ácido 
acético é alimentada no primeiro estágio de um extrator de dois estágios, utilizando-se 
como solvente éterisopropílico contendo 1% (em massa) de ácido acético. O solvente é 
alimentado a uma vazão de 1250 kg/h em fluxo cruzado em cada estágio. Se a extração 
ocorre a 1 atm e 20oC. Determine: 
 
a) As frações de extrato e rafinado que saem do extrator. 
b) As vazões de extrato e rafinado que saem do extrator. 
Exercício 5 
S 
Exercício 5 
S 
M1 está sobre a reta SF 
M1 origina R1 e E1 ao atingir o equilíbrio (linha de união) 
Exercício 5 
S 
Exercício 5 
Pela linha conjugada encontrar R1 e E1 
Exercício 5 
S 
Pela linha conjugada encontrar R1 e E1 
Exercício 5 
S 
Exercício 5 
S 
R1 é a alimentação do estágio 2: precisamos determinar R1 
Exercício 5 
Exercício 5 
S 
A alimentação agora é R1: traçar reta SR1 
Exercício 5 
S 
A alimentação agora é R1: traçar reta SR1 
M2 estará sobre a reta SR1 
Exercício 5 
M2 irá originar R2 e E2 pela metodologia da linha conjugada 
Exercício 5 
S 
Exercício 5 
S