Separação utilizando fluido

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Resumo
No estudo das operações unitárias geralmente se faz necessário o conhecimento da mecânica dos sólidos particulados e dos princípios da conservação da quantidade de movimento para o estudo dos sistemas sólido-fluido, sua separação e caracterização; da conservação de massa e energia para separação fluido-fluido, como na destilação e suas derivações.
Muitas são as operações unitárias da engenharia que envolvem sólidos particulados, além de fluídos. Em alguns casos, usa-se o movimento do fluido para separar os sólidos particulados da fase líquida, como na filtração ou na sedimentação. Em outros casos, o movimento do fluido é usado para separar as partículas sólidas uma das outras, como na classificação das partículas pelos diâmetros ou pelas densidades.
Portanto, a separação de materiais tem grande importância industrial por constituir um meio de preparar um produto para a sua comercialização ou para uma operação subsequente. A separação também pode ser a base para um método de análise físico-química.
Introdução
A grande maioria dos elementos na natureza são normalmente encontrados em estado impuro, isto é, misturado com outros elementos. [1]
O engenheiro químico defronta-se frequentemente com o problema de separar materiais. Em correspondência ao número de problemas, há uma grande variedade de técnicas à disposição do engenheiro para cada situação, todas visando a separação considerada. Muitas das vezes a grande dificuldade é saber a qual recorrer num caso específico. [2]
A noção de processo de separação está intimamente ligada à de operação unitária. Este conceito foi introduzido na Engenharia Química, pela primeira vez, por Arthur D. Little em 1915 (História da Engª Química) e foi essencial para a sistematização do ensino dos processos químicos. Os processos de separação constituem, desde sempre, uma etapa fundamental dos processos de fabrico da indústria química. [3]
Um processo de separação é qualquer processo de transferência de massa que converte uma mistura de substâncias em dois ou mais produtos (que possuem uma concentração maior de uma determinada substância). Em alguns casos, a separação pode levar a completa separação entre duas substâncias. [1]
Para que o processo reaccional decorra de acordo com as especificações, é necessário que as matérias-primas sejam introduzidas no reactor com o grau de pureza adequado, o que implica, necessariamente, um processo prévio de tratamento/purificação das matérias-primas. Ou seja, as correntes de entrada no reactor passam, quase sempre, por unidades prévias de separação. O mesmo se passa com os produtos da reacção. Na maior parte dos casos as correntes com os produtos da reacção transportam ainda alguma percentagem de reagentes podendo também ocorrer reacções paralelas que dão origem a produtos que não são os desejados. [3]
Os processos de separação são baseados nas diferentes propriedades físico-químicas das substâncias presentes na mistura como tamanho, formato, massa ou afinidade química. [1]
Tipos de separação
Uma separação satisfatória depende primordialmente da escolha do método mais apropriado. A preferência deve recair num método no qual o comportamento do material a separar sofra influência marcante de uma das suas propriedades, sendo a separação realizada com base nessa propriedade.[2]
As operações básicas de separação podem ser agrupadas segundo o estado da matéria ou matérias submetidas a tratamento. O conceito de FASE se refere a toda porção homogênea e mecanicamente distinta - ou mecanicamente separável de matéria. Por exemplo, água e areia representam duas fases ou matérias distintas e cada uma representa, isoladamente, uma fase distinta. [1]
Existem três grupos de separação: mecânica, físico-química e química.
Nas separações mecânicas, métodos puramente mecânicos são empregues para isolar as fases de um sistema heterogéneo, como por exemplo a peneiração, filtração e decantações de sólidos e líquidos. Nas separações físico-químicas, que visam separar os componentes de uma fase, lança-se mão de propriedades físico-químicas como a temperatura de ebulição ou solubilidade (a destilação está nesse grupo). Por fim, as separações químicas, são conseguidas através da reacção de um ou mais componentes da mistura com um reagente apropriado que não consegue atacar os demais. O reagente poderá volatilizar, precipitar ou coagular os componentes a separar.[2]
Classificação das separações mecânicas
Os processos mecânicos são utilizados na separação de misturas heterogêneas nos casos em que não for necessário nenhuma transformação física. Muitos desses processos parecem rudimentares, mas tem aplicações importantes nas colheitas de alimentos como trigo e arroz, na construção civil, na mineração de ouro, na purificação de minérios e enxofre etc. [4]
As separações mecânicas são classificadas em três critérios básicos: tipo de sistema, propriedade utilizada na separação e mecanismo. As classificações baseadas em qualquer um destes critérios isolados são insatisfatórias. Uma vez que a natureza das fases a separar é a melhor orientação para selecionar o método de separação adequado. [2]
As propriedades utilizadas como critério secundário para definir os métodos de separação são: tamanho, densidade, inércia e propriedades electromagnéticas. [2]
Separação sólido-líquido
A etapa de separação sólido-líquido está entre as operações unitárias mais importantes que hoje são empregadas em indústrias químicas, têxteis, farmacêuticas, no beneficiamento de minério, bem como no processamento de alimentos, tratamento de água e resíduos. [5]
Muitos produtos industriais são suspensões de sólidos em líquidos, sendo necessário separar as fases para isolar o produto, seja ele o sólido ou o líquido. Os métodos de separação empregados são classificados de acordo com dois critérios:
O movimento relativo das fases, distinguindo-se operações nas quais o sólido se move através do líquido em repouso (decantação) e operações nas quais o líquido se move através da fase estacionária (filtração).
Força propulsora. As operações serão gravitacionais, centrífugas, por diferença de pressão ou electromagnéticas. [2]
A direção do movimento de partículas sólidas em fluidos, para acima ou para abaixo, depende da densidade relativa do sólido com relação à do fluido. Tal fato constitui a base do procedimento de separação de sólidos segundo suas respectivas densidades conhecido como classificação ou separação hidráulica. Quando se dispõe de um fluido, cuja densidade seja intermediária entre as dos sólidos a separar as partículas podem ser classificadas simplesmente introduzindo-as numa determinada massa desse fluido. Umas flutuarão e as outras afundarão. [1]
No caso de se ter partículas mais densas que o fluido é possível ainda separá-las por diferença de velocidades de translação no seio do fluido. Classificação: a separação de um material granular em duas ou mais fracções utilizando a maior ou menor velocidade de translação das suas partículas no seio do fluido é denominada classificação. A classificação pode ser dividida em: por tamanhos, quando utilizada para separar por tamanho (e forma) materiais da mesma densidade; concentração, quando os tamanhos são equivalentes e a separação é realizada por diferença de densidades. [1]
Vários são os processos de separação sólido-líquido e neste trabalho destacam-se os seguintes:
CENTRIFUGAÇÃO: A centrifugação consiste na separação de duas fases por acção de uma força centrífuga a que se sujeita a mistura, quando entra em movimento de rotação. O sólido fica no fundo do tubo, enquanto o líquido fica à superfície. [6] 
Figura 2- centrifugadora em movimento
Figura 1- centrifugadora
DECANTAÇÃO: é um processo de separação grosseira, por exemplo, entre uma fase sólida e uma fase líquida. Deixa-se a mistura em repouso para que o sólido se deposite no fundo do recipiente; sendo em seguida o líquido sobrenadante transferidolenta e cuidadosamente, para outro recipiente. [6]
Figura 3- processo de decantação usando vareta e tubo
CRISTALIZAÇÃO: consiste na separação de um sólido de um líquido a partir da cristalização do sólido. O sólido cristalino pode ser obtido por arrefecimento da solução, evaporação do solvente ou por precipitação. [6]
Figura 4- cristalização do cloreto de sódio
SECAGEM: A secagem de um material é a operação que consiste na remoção de água ou de outro solvente desse mesmo material. Esta técnica baseia-se na evaporação do solvente à temperatura ambiente, ou a temperaturas mais elevadas. Poderão ser usadas estufas, exsicadores ou sistemas de vácuo. [6]
 
Figura 6- estufa
Figura 5- Secagem com exaustor
FILTRAÇÃO: consiste na separação de uma fase sólida de uma fase líquida, passando esta última através de um meio permeável e poroso. Ao meio poroso e permeável chama-se filtro e retém o resíduo sólido. A filtração pode ser feita por gravidade ou por pressão reduzida. Sendo que a filtração por gravidade consiste em fazer passar a mistura por um filtro suportado num funil. O líquido passa através do funil por acção da gravidade, enquanto o sólido fica retido no filtro. [6] 
 
Figura 8- filtração por gravidade ou simples
Figura 7- filtração por gravidade
Já a filtração a pressão reduzida consiste em fazer passar a mistura por um filtro suportado num funil. O líquido passa através do funil por acção de sucção devido à existência de vácuo no kitasato, enquanto o sólido fica retido no filtro. [6] 
Figura 10- filtração a pressão reduzida
Figura 9- filtração a pressão reduzida
Extração Sólido – Líquido: Extração é o termo aplicado a toda operação na qual um dos constituintes de uma substância sólida ou líquida é transferida a um líquido (o dissolvente). A expressão extração sólido/líquido, aplica-se somente nos casos em que existe uma fase sólida. Exemplos: óleo das sementes de soja e açúcar da beterraba. Sempre é realizada em duas etapas: 1. contacto do dissolvente com o sólido que libera o componente solúvel (soluto); 2. lavado ou separação da solução do resto do sólido. [1]
Figura 11- sistema de extracção
Na extração sólido-líquido, a separação da fase líquida, pode ser realizada de algumas formas. Uma das mais utilizadas é pela adição de um solvente conveniente. Para que essa extração seja mais satisfatória o sólido deve estar bastante triturado, assim o solvente terá um maior contato com seus constituintes. Normalmente o componente que se deseja extrair é solúvel no líquido e o restante da fase sólida é insolúvel. [8]
Existem duas técnicas de extração: contínua ou descontínua. Se a substância for mais solúvel no solvente orgânico do que na água, recorre-se ao método descontínuo. Caso contrário, utiliza-se o método contínuo. A escolha do solvente é feita a partir da facilidade de dissolução da substância e da facilidade com que se pode isolar o soluto extraído, isto é, do baixo ponto de fusão do solvente para sua posterior evaporação. [8]
Elutriação
 A elutriação corresponde a um processo de separação em que um fluxo ascendente de líquido vai arrastar as partículas sólidas que, consoante as suas densidades vão posicionar-se a diferentes níveis, podendo mesmo ser transportadas para fora do tanque mediante controlo adequado do fluxo. Este processo de separação de partículas consiste fundamentalmente numa “sedimentação ao contrário”: é o fluido que se move através da zona onde as partículas sólidas se encontravam dispersas inicialmente. [7]
Esta operação é realizada em um equipamento denominado elutriador, o qual consiste de um tubo vertical através do qual passa uma corrente de fluido ascendente, numa velocidade específica, enquanto a mistura de sólidos é injetada no topo da coluna. As partículas maiores, que sedimentam devido sua velocidade ser maior que a do fluido ascendente, ficam retidas no fundo da coluna, e as menores são arrastadas para o topo juntamente com o fluido. É um processo utilizado para separação de sólidos em uma mistura ou para separação de partículas de um mesmo material de diferentes tamanhos, utilizando um fluido de transporte, geralmente a água. [7]
Um exemplo de elutriação é a separação de produtos agrícolas, como milho, arroz, soja e café. A palha pode ser removida pela elutriação (arraste) por uma corrente gasosa ascendente. [7]
 
Figura 12- elutriador
Figura 13- sistema de classificação hidráulica para separação diferencial de misturas sólidas
Conclusões
Concluiu-se que o processo de separação eficiente, depende da escolha do método mais apropriado. O método de separação deve ter em conta as fases em que o material a separar apresenta, o comportamento das suas propriedades, e que o processo de separação será realizada segundo uma das suas propriedades mais marcantes, e como este método afectará os objectivos pretendidos. 
Os processos de separação englobam um procedimento vital para indústria de processamento químico, estão presentes no transcorrer de um processo, são variados e a selecção do processo mais adequado para um determinado tratamento depende das características da alimentação a tratar e dos objectivos a atingir (nomeadamente o grau de pureza pretendido para a corrente de saída) assim como de factores económicos. 
Referências
http://user.das.ufsc.br/~coutinho/DAS5101/Aula10.pdf acessado no dia 16/09/2015
Reynaldo Gomide, separações mecânicas, Volume 3- 1980
http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php?option=com_content&task=view&id=29&Itemid=136 acessado no dia 16/09/2015
http://aprendendoquimica.no.comunidades.net/separacao-de-misturas acessado no dia 16/09/2015
www.enq.ufsc.br/muller acessado no dia 17/09/2015
https://www.passeidireto.com/arquivo/1590191/aula-1---metodos-gerais-de-separacao acessado no dia 17/09/2015
https://fenix.tecnico.ulisboa.pt/downloadFile/3779571254548/CTA_11Abr06_sed.pdf acessado no dia 17/09/2015
http://gracyquimica.blogspot.com/2011/06/extracao-liquido-liquido.html acessado no dia 17/09/2015