UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE ALIMENTOS DISCIPLINA: Operações Unitárias para a Indústria de Alimentos II PROFESSORA: Dr a. Miriam Carla B. Ambrosio Ugri
10 – EXTRAÇÃO EXTRAÇÃO SÓLIDO-LÍQUIDO 10.1 – Introdução Introdução Extração Sólido-Líquido é um processo de transferência de massa que separa um ou mais componentes contidos na fase sólida utilizando uma fase líquida, conhecida por solvente. A Extração Sólido-Líquido também pode ser chamada de percolação, lixiviação, lavagem e outros. Definições importantes: SOLUTO: componentes na fase sólida que é transferido para a fase líquida (A) SOLVENTE: fase líquida que separa o soluto sem ter ação sobre o inerte (S). O solvente deve ser pouco viscoso para poder circular livremente entre os sólidos. INERTE: sólido insolúvel, que permanece na fase sólida (B)
Existe diferentes maneiras do soluto estar contido dentro do sólido: pode ser um sólido disperso no material insolúvel; insolúvel; pode recobrir a superfície do sólido; pode ser um líquido aderido ou retido r etido dentro do sólido; ou pode ser um líquido contido na sua estrutura molecular. Algumas aplicações da Extração Sólido-Líquido na indústria de alimentos: manufatura de chá e café instantâneo; extração de óleo e lipídeos animal e vegetal; obtenção de açúcar de beterraba; obtenção de extratos de origem animal e vegetal, etc.
10.2 – Estágio Estágio Ideal – Rendimento Rendimento de Estágio Considerando um processo de extração em que o sólido misturado com o solvente são mantidos em contato por um tempo suficiente, de maneira que seja atingida a condição de equilíbrio para a mistura. Este contato recebe o nome de estágio ideal ou estágio com 100% de rendimento. Na prática, este tempo não é suficiente para que a condição de equilíbrio seja atingida, assim, é necessário definir a eficiência ou o rendimento (R) de um estágio. PROCESSO EM BATELADA R
concentração da solução real cocentração da solução em estágio ideal
1
PROCESSO CONTÍNUO R
número de estágios ideais para p ara realizar uma uma determinad a extração número de estágios reais realmente empregados
No projeto de uma bateria de extratores, calcula-se calcula- se o número de estágios ideais e, a partir do rendimento (R), determina-se deter mina-se o número de estágios reais realmente necessários.
10.3 – Equilíbrio Equilíbrio Sólido - Líquido Sabe-se que a transferência de massa ocorre até o equilíbrio ser atingido; que é atingido quando o soluto está totalmente dissolvido, obtendo uma solução com concentração uniforme. Quando a quantidade de soluto contida no sólido é suficientemente alta, considera-se que o equilíbrio foi atingido quando a solução em contato com o sólido estiver saturada. Se um sistema atingiu o equilíbrio, considera-se: 1. Extrato ou “overflow” a solução que foi separada (soluto+solvente), que pode ser chamada de miscela; 2. Sólido esgotado ou “underflow” o resíduo formado pelo sólido inerte e a solução que ficou retida dentro dele. As variáveis a serem usadas nos balanços serão definidas como: – vazão mássica do “overflow” (kg/h) E – vazão – vazão mássica do “underflow” (kg/h) R – vazão A
Yi – fração – fração mássica do componente i no “overflow” ( Y A
Xi – fração – fração mássica do componente i no “underfl “under flow” ow” ( X A
i – soluto soluto (A), solvente (S), inerte (B)
A S A
)
A S
)
Como o inerte não pode ser dissolvido no solvente, então não há inerte no “overflow” e, assim, YB = 0. A composição de qualquer corrente é expressa como fração mássica, com dois subscritos: o primeiro indica o componente e o segundo a corrente. Por exemplo: XAR – fração mássica do soluto na corrente R; YSE – fração fração mássica do solvente na corrente E.
10.4 – Retenção Retenção da Solução e do Solvente Na Extração Sólido-Líquido, o “overflow” deve ter a mesma composição do líquido que permanece retido no sólido. Para qualquer concentração da solução, a quantidade retida é a mesma para a mesma massa de sólidos, se a viscosidade da solução não variar com a concentração. Quando a viscosidade da solução varia com a concentração, a quantidade retida para a mesma massa de sólidos varia com a concentração.
2
PROCESSO CONTÍNUO R
número de estágios ideais para p ara realizar uma uma determinad a extração número de estágios reais realmente empregados
No projeto de uma bateria de extratores, calcula-se calcula- se o número de estágios ideais e, a partir do rendimento (R), determina-se deter mina-se o número de estágios reais realmente necessários.
10.3 – Equilíbrio Equilíbrio Sólido - Líquido Sabe-se que a transferência de massa ocorre até o equilíbrio ser atingido; que é atingido quando o soluto está totalmente dissolvido, obtendo uma solução com concentração uniforme. Quando a quantidade de soluto contida no sólido é suficientemente alta, considera-se que o equilíbrio foi atingido quando a solução em contato com o sólido estiver saturada. Se um sistema atingiu o equilíbrio, considera-se: 1. Extrato ou “overflow” a solução que foi separada (soluto+solvente), que pode ser chamada de miscela; 2. Sólido esgotado ou “underflow” o resíduo formado pelo sólido inerte e a solução que ficou retida dentro dele. As variáveis a serem usadas nos balanços serão definidas como: – vazão mássica do “overflow” (kg/h) E – vazão – vazão mássica do “underflow” (kg/h) R – vazão A
Yi – fração – fração mássica do componente i no “overflow” ( Y A
Xi – fração – fração mássica do componente i no “underfl “under flow” ow” ( X A
i – soluto soluto (A), solvente (S), inerte (B)
A S A
)
A S
)
Como o inerte não pode ser dissolvido no solvente, então não há inerte no “overflow” e, assim, YB = 0. A composição de qualquer corrente é expressa como fração mássica, com dois subscritos: o primeiro indica o componente e o segundo a corrente. Por exemplo: XAR – fração mássica do soluto na corrente R; YSE – fração fração mássica do solvente na corrente E.
10.4 – Retenção Retenção da Solução e do Solvente Na Extração Sólido-Líquido, o “overflow” deve ter a mesma composição do líquido que permanece retido no sólido. Para qualquer concentração da solução, a quantidade retida é a mesma para a mesma massa de sólidos, se a viscosidade da solução não variar com a concentração. Quando a viscosidade da solução varia com a concentração, a quantidade retida para a mesma massa de sólidos varia com a concentração.
2
A quantidade de solução retida para a mesma massa de sólidos é obtida experimentalmente e é representada pela Curva de Retenção de uma Solução, como mostrado na Figura 1.
Figura 1 - Curva de Retenção
10.5 – Cálculo Cálculo de uma Operação Batelada Considere a Figura 2.
Figura 2 – Extração Extração Sólido-Líquido em Batelada em que: E0 – massa massa do solvente parcialmente contaminado com o soluto A
(YA)0 – concentração concentração do soluto no solvente (Y A ) 0
soluto
E 0
R 0 – massa massa de solução (soluto+solvente) retida numa massa B (sólidos inertes)
(XA)0 – concentração concentração do soluto em R 0 ( X A ) 0
soluto
R0
E1 – massa massa da solução obtida isenta de sólidos
(YA)1 – concentração concentração do soluto na solução obtida (Y A )1
soluto
E 1
R 1 – massa massa de solução retida no sólido inerte (XA)1 – concentração concentração do soluto na solução retida pelos sólidos inertes (XL)1 – relação relação entre a massa da solução e a massa de sólidos inertes
3
CASO 1: Conhecidas as quantidades de sólido e de solvente, bem como suas composições, deseja-se determinar a concentração da solução obtida numa determinada batelada. balanço massa total:
E 0 R0 E 1 R1
(1)
balanço massa em soluto:
E 0 Y A 0 R0 X A 0 E 1 Y A 1 R1 X A 1
(2)
Y A 1 X A 1
no equilíbrio:
(3)
E 0 Y A 0 R0 X A 0 E 1 Y A 1 R1 Y A 1
substituindo (3) em (2):
substituindo em (1):
Y A 1
Y A 0 E 0 X A 0 R0 E 1 R1
tem-se a eq. (4):
Y A 1
Y A 0 E 0 X A 0 R0 E 0 R0
(4)
Deseja-se Exemplo 1:
extrair, com éter etílico, o óleo contido no fígado de bacalhau. O fígado contém 25,7% em peso de óleo puro. Tratando-se em uma batelada 1000kg de fígado com 250kg de éter etílico puro, qual a concentração de óleo na solução obtida?
CASO 2: Conhecendo a composição do sólido e do solvente, deseja-se saber qual a quantidade de solvente necessária para se obter uma solução de concentração especificada, isto é, conhecidas R 0, (XA)0 e (YA)1 deseja-se determinar E0.
Y A 1 E 0 Y A 1 R0 Y A 0 E 0 X A 0 R0 Da expressão (4):
Y A 1 E 0 Y A 0 E 0 X A 0 R0 Y A 1 R0 E rearranjando: E 0
R0 [ X A 0 Y A 1 ]
Y A 1 Y A 0
(5)
Quantos Exemplo 2:
kg de éter etílico deverão ser utilizados para se obter uma solução com 0,6 kgóleo/kgsolução, tratando-se 1000kg de fígado de bacalhau contendo 25,7% em peso de óleo? Sabe-se que o éter etílico usado como solvente contém 2% em peso de resíduo de óleo.
4
CASO 3: Conhecendo a composição do sólido e a composição do solvente, deseja-se saber qual a quantidade de soluto que permanece retida no sólido após uma batelada. Considerando duas situações: Situação 1 – A massa de solução retida por uma mesma massa de sólidos inertes é
constante, qualquer que seja a concentração da solução obtida, sendo este dado conhecido. 1000kg Exemplo 3:
de fígado de bacalhau contendo 25,7% em peso de óleo são tratados com 250kg de éter etílico puro. Sabendo-se que, qualquer que seja a concentração da solução, a relação existente entre a quantidade de solução retida pelo sólido inerte e o sólido inerte é igual a 0,405 pede-se: a - a concentração da solução obtida (YA)1 b - a massa da pasta obtida c - a massa da solução obtida (E1) d - a massa de soluto ainda retida nos sólidos ou na pasta (A1) Situação 2 – A massa de solução retida por uma mesma massa de sólido varia com a
concentração da solução obtida, sendo uma função desta concentração. Neste caso, deve-se conhecer os dados experimentais relacionando as concentrações das soluções com a quantidade de solução retida por kg de sólidos inertes, a qualquer concentração. 1000kg Exemplo 4:
de fígado de bacalhau contendo 25,7% em peso de óleo são tratados com 600kg de éter etílico puro. Experimentalmente, foram relacionadas as concentrações das soluções e a massa de solução retida por kg de sólidos inertes. Pede-se: (a) a massa de solução retida nos sólidos inertes (R) (b) a massa de solução obtida (E1) YA (kgóleo / kgsolução) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,65 0,70 0,72
XL (kgsolução retida / kginertes) 0,205 0,242 0,286 0,339 0,405 0,489 0,600 0,672 0,765 0,810
5
0,9 )
e t r e n i
g k / o ã ç u l o s
g k (
0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3
L
X 0,2
0,1 0 0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
YA (kgóleo / kgsolução)
CASO 4: Conhecendo a composição do sólido e a composição do solvente, deseja-se saber quantas bateladas deve-se submeter uma determinada quantidade de sólido, de modo a reduzir as perdas de soluto, na solução retida, a um valor previamente determinado. Este problema é resolvido calculando a concentração da solução obtida em estágios ou bateladas sucessivas, assim como a quantidade de soluto retida nos sólidos, até se chegar a uma batelada onde esta quantidade corresponda ao valor fixado. Deseja-se Exemplo 5:
extrais 95% do óleo de 1000kg de fígado de bacalhau contendo 25,7% em peso de óleo. Quantas bateladas serão necessárias para se conseguir a extração desejada, sabendo que são gastos, em cada uma, 600kg de éter etílico puro? Qual será a massa de éter consumida? A relação entre a concentração da solução e a quantidade de solução retida por kg de inerte está no gráfico do exemplo 4.
10.6 – Extração Contínua A – Correntes Paralelas Uma vez que as duas fases que deixam um estágio ideal estão em equilíbrio, não se pode obter uma separação do soluto maior do que a obtida nestas condições em um estágio ou batelada. Para aumentar a recuperação do soluto a ser extraído pode-se colocar a pasta em contato com o solvente puro em vários estágios sucessivos, através da extração em correntes paralelas, como na Figura 3.
6
Figura 3 – Extração contínua em correntes paralelas -
Particularidades a serem consideradas: cálculos é igual considerando várias bateladas consumo elevado de solvente em cada estágio, a produção de uma solução é muito diluída em soluto
B – Contracorrente A finalidade é economizar solvente e obter soluções mais concentradas de soluto. A Figura 4 apresenta um esquema da extração em contracorrente.
Figura 4 - Extração contínua em contracorrente R0 E N 1 E 1 R N
b. massa global: b. massa soluto: b. massa entre 1 e n:
X A 0 R0 Y A N 1 E N 1 Y A 1 E 1 X A N RN
global em soluto
eliminando En+1:
Y A n1
(6) (7)
R0 E n1 Rn E 1
X A 0 R0 Y A n1 E n1 Y A 1 E 1 X A n Rn
X A n Rn Y E X A 0 R0 A 1 1 Rn R0 E 1 Rn R0 E 1
(8)
As equações (6), (7), e (8) serão usadas para a resolução de uma extração contínua em contracorrente. Deseja-se Exemplo 6:
extrair, com éter etílico, 95% em peso do óleo de fígado de bacalhau em uma bateria de extratores em contracorrente. Os fígados frescos contêm 25,7% em peso ed óleo e a quantidade de solução retida pelo material inerte em função da concentração da solução sobrenadante está representada pelo gráfico do Exemplo 4. Como a solução final obtida na operação deve conter 70% em peso de óleo, deseja-se saber: (a) quantos kg de éter etílico puro serão necessários para o trabalho com 1000kg de fígado de bacalhau? 7
(b) quantos extratores ideais deverão formar a bateria? (c) quantos extratores reais deverá ter a bateria se o rendimento em cada um deles é de 70%? 0,3 )
e t r e n i
g k / e t n e v l o s
g k (
0,25 0,2 0,15 0,1
S
X 0,05
0 0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
X'A (kg óleo / kg inerte)
10.7 – Cálculos Gráficos em uma Extração Sólido-Líquido 10.7.1 – Princípios Fundamentais para a Resolução Gráfica A – Lei da Adição Gráfica “O ponto representativo da composição de uma mistura, resultante da adição de
duas misturas, cai sobre a linha reta que une os pontos representativos das composições das duas misturas adicionadas”.
Assim, considerando a Figura 5, têm-se os seguintes balanços: b. massa global:
M N F
(9)
b. em soluto:
X A M M X A N N X A F F
(10)
b. em sólidos:
Y B M M Y B N N Y B F F
(11)
Figura 5 – Mistura em 1 estágio de equilíbrio 8
substituindo F da eq. (9) em (10) e (11):
X M X A N N X A F A M
(12)
Y M Y B N N Y B F B M
(13)
M N
M N
As equações (12) e (13) são expressões para as coordenadas do ponto representativo da composição da mistura formada, em função dos fluxos componentes (Figura 6.a).
Figura 6 – Gráfico representativo da adição gráfica. Deseja-se mostrar que o ponto F ficará sobre a reta MN. Para isto, a inclinação da reta MN deve ser igual à da reta NF. Inclinação MN:
Y B M Y B N X A M X A N
(14)
Inclinação NF:
Y B F Y B N X A F X A N
(15)
Substituindo (12) e (13) em (15):
Y B M Y B N X A M X A N
(16)
Comparando as eqs. (16) e (14), conclui-se que F está sobre a reta MN, como demonstrado na Figura 6.b.
B – Regra da Alavanca “O ponto F divide o seguimento MN em dois seguimentos inversamente proporcionais à massa ou vazão mássica dos fluxos M e N”.
Ou seja: M N
NF MF
(17)
9
Dedução: substituindo em (1) o valor de F, dado pela eq. (9), e resolvendo para (XA)F:
X M X A N N X A F A M M N
X A F
M M N
N M N
X A N
dividindo por N
M 1 N X X A M M 1 M 1 A N N N M N
X A N X A F X A F X A M
X A N X A F NF X A F X A M MF
como
X A M
(18)
substituindo na eq. (18): M N
NF MF
Em um gráfico, o ponto F chama-se ponto de adição, pois representa a composição de um fluxo resultante da adição de dois fluxos M e N. Um ponto de adição estará sempre situado mais próximo do ponto representativo do fluxo de maior massa. A subtração das misturas pode ser feita graficamente. Quando um fluxo é subtraído do outro, o ponto representativo do fluxo resultante chama-se ponto de diferença e está situado sobre o prolongamento da linha que passa pelos pontos de fluxos subtraídos e do lado do ponto representativo do fluxo de maior massa.
10.7.2 – Diagramas Retangulares abcissa X A
A
massa de soluto
A S massa de solução
ordenada Y B
B A S
X A Y A
1 massa de sólidos inertes X L
massa de solução
A mistura A+B+S é representada no diagrama YB versus XA (Figura 7) pelo ponto M de coordenadas: X A
A A S
e Y B
B A S
Quando o sólido é seco, ou seja, contém inerte e soluto X A
A A 0
S = 0, assim:
1 e, isto significa que YB passa a ser a relação entre o material inerte e o
material solúvel existente no sólido.
10
Figura 7 – Diagrama YB versus XA Quando o soluto é puro A = 0 e B = 0 XA = 0 e Y B
B 00
0 X A 1 0 Y B
Assim, pode-se concluir que
Como visto anteriormente, em cada estágio da extração sólido-líquido tem-se dois fluxos: - um fluxo formado por uma solução isenta de sólidos em suspensão a composição de qualquer solução retirada num estágio é representada por um ponto sobre o eixo x, no diagrama Y-X, pois YB = 0; - um fluxo formado pela pasta (inertes + soluto + solvente) a composição de qualquer pasta retirada de um estágio é sempre um ponto na curva ab, no diagrama Y-X. A Figura 8 apresenta o diagrama da extração com os dois fluxos formados.
Figura 8 – Fluxos Formados em cada Estágio da Extração Sólido-Líquido
11
No equilíbrio X A para a pasta;
A A S
é a mesma para a solução, ou mistura sobrenadante, e
as
linhas de amarração são verticais paralelas a Y Qualquer suspensão ou mistura de sólidos em uma solução (soluto+solvente) ficará com sua composição representada por um ponto F (entre a curva ab e o eixo x, na Figura 8). Se esta suspensão sedimentar, obtém-se uma solução com composição dada pelo ponto M. Localização do ponto J:
R0 E 0 J R1 E 1
(19)
Sendo J o ponto de mistura Este resultado pode ser observado na Figura 9.
Figura 9 – Localização do ponto J Na Figura 9 considera-se: R 0 – corrente rica em soluto; E0 – solvente supondo que esteja contaminado com um pouco de soluto. Misturando R 0 + E0 obtém-se o ponto J, localizado sobre a linha que une R 0 a E0. O ponto J é localizado pela regra da alavanca: R0 E 0
JE 0 R0 J
(20)
12
Como R 0 e E0 são conhecidos, pode-se medir com a régua a distância: R0 E 0 JE 0 R0 J . Assim:
R0 E 0
R R x 0 y x y 0 0 y E 0 E 0
x
Considerando que, medindo como a régua x + y = z cm, então y = z - x. Assim, encontra-se o valor de x e localiza-se o ponto J. Exemplo 7
– Deseja-se extrair, por processo batelada, óleo de 2000kg (peso de sólidos
completamente exaustos) de um farelo, utilizando o benzeno como solvente. O farelo rico contém 800kg de óleo e 50kg de benzeno e o solvente é constituído por 20kg de óleo e 1310kg de benzeno. Experimentalmente determinou-se a relação entre a concentração de solução sobrenadante e a quantidade de solução retida nos sólidos, obtendo-se a tabela abaixo. Pede-se: (a) a composição da solução sobrenadante obtida e a composição da solução retida pelos sólidos inertes; (b) a massa de solução retida nos sólidos inertes (c) a massa de solução sobrenadante obtida no processo. (YA) = (XA) XL 0 0,5 0,1 0,505 0,2 0,515 0,3 0,530 0,4 0,550 0,5 0,571 0,6 0,595 0,7 0,620 2,5 ) o ã ç u l o s
g k / B
g k (
2 1,5 1
B
Y
0,5 0 0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
XA (kgóleo / kgsolução)
13
A – Extração em Correntes Paralelas A extração em correntes paralelas é equivalente à extração onde o material é submetido a baterias sucessivas utilizando, em cada batelada, um solvente de composição constante. Considerando a Figura 10:
Figura 10 – Extração em Correntes Paralelas Seguindo os seguintes passos é possível efetuar a construção do gráfico apresentado na Figura 11.
Figura 11 – Diagrama retangular de uma extração em correntes paralelas. 1 – traçar a curva a-b, que representa as pastas 2 – localizar o ponto R 0 da solução contida nos sólidos a extrair 3 – localizar o ponto E0 (solvente) 4 – localizar R N, que é a solução que se deseja obter retida na pasta no último estágio 5 – ou localizar o ponto E N, que é a solução sobrenadante retirada do último estágio 6 – pela regra da alavanca, determinar J1, em função de R 0 e E0 7 – a linha de amarração que passa por J1 fornece a composição da pasta R 1 e da solução E1 que saem do 1o estágio
14
8 – a solução retida na pasta do 1o estágio é tratada com a mesma quantidade E0 de solvente. Assim, ligando os pontos R 1 e E 0 obtém-se a reta R1 E 0 e, pela regra da alavanca, determina-se o ponto J2 9 – a linha de amarração que passa por J2 fornece as composições R 2 e E2 que saem do 2o estágio 10 – prossegue-se desta maneira até que seja traçada uma linha de amarração que passe pelos pontos R N e EM ou que fique bem próxima daquela que as contenha 11 - o número de linhas de amarração traçadas representa o número de estágios necessários para efetuar a separação desejada.
B – Extração em Contracorrente Considerando a Figura 12. Conhecendo E1 e (YA)1, as relações de equilíbrio permitem calcular R 1 e (XA)1. Precisa-se determinar uma relação entre R 1(XA)1, E2 e (YA)2. Os fluxos E2 e R 1 passam um pelo outro entre os estágios 1 e 2. Para calcular a quantidade e a composição de E2, quando conhecida a de R 1, introduz-se o conceito de fluxo líquido (“net flow”). O fluxo líquido é um fluxo fictício definido pela diferença entre
dois fluxos que na realidade não são subtraídos um do outro.
Figura 12 – Extração em Contracorrente b.massa global entre 1 e 2:
R0 E 2 R1 E 1 R0 E 1 R1 E 2
(21.a)
b.massa global entre 1 e 3:
R0 E 4 R3 E 1 R0 E 1 R3 E 4
(21.b)
b.massa global entre 1 e n:
R0 E n 1 Rn E 1 R0 E 1 Rn E n1
(21.c)
Assim, fica demonstrado que os fluxos que se cruzam são constantes. Chamando de o fluxo líquido: R0 E 1 Rn E n1 R N E N 1
(22)
(xA) é a composição do soluto em :
x A x A 0 R0 x A 1 E 1 x A n Rn x A n1 E n1 x A N R N x A N 1 E N 1
(23)
(yB) é a composição do sólido em :
y B y B 0 L0 0 y B n Ln 0
(24)
O fluxo líquido (), por ser uma diferença entre dois fluxos, representa graficamente o ponto de diferença. Como não existe fisicamente, suas coordenadas podem ser + ou -, dependendo se R 0 > E1 ou R 0 < E1. 15
No diagrama Y versus X, Figura 13, a localização gráfica de é dada por: - pela eq. (22): e R N E N 1 R0 E 1 - pela regra da adição gráfica: deverá estar sobre a reta que passa pelos pontos R 0 e E1e sobre a reta que passa por R N e E N+1. As composições dos fluxos dos estágios intermediários são determinadas graficamente utilizando as linhas de amarração juntamente com a regra da adição gráfica aplicada à eq.(22). O número de linhas de amarração traçadas entre as retas R0 e R N será o número o total de estágios para a extração desejada.
Figura 13 – Localização do ponto Resolva Exemplo 8:
o Exemplo 6 graficamente. Abaixo são apresentados os dados para a construção do gráfico. Ya (kg óleo / kg solução) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,65 0,7 0,72
XL (kg solução / kg inerte) 0,205 0,242 0,286 0,339 0,405 0,489 0,6 0,672 0,765 0,81
YB (kgB / kg solução) 4,88 4,13 3,50 2,95 2,47 2,04 1,67 1,49 1,31 1,23
16
5,0 4,5 )
o ã ç u l o s
g k /
B
g k (
B
Y
4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
XA (kgóleo / kgsolução)
17
10.7.3 – Diagramas Triangulares Nos Diagramas Triangulares, como na Figura 14, X e Y tem significado diferente daquele dado até agora. Assim, uma mistura contendo sólidos inertes, soluto e solvente: XA - % em peso de soluto na mistura que constitui a fase pesada XS - % em peso de solvente na fase pesada XB - % em peso de sólido na fase pesada X A X B X S 100 X X X 1 B S A
Então:
(25)
Do mesmo modo: YA - % em peso de soluto na mistura que constitui a fase leve YS - % em peso de solvente na fase leve YB - % em peso de sólido na fase leve Y A Y B Y S 100 Y Y Y 1 S A B
Então:
(26)
Por outro lado: R – mistura de sólidos inertes, solvente e soluto na fase pesada E - mistura de sólidos inertes, solvente e soluto na fase leve Neste tipo de diagrama será usado um triângulo retângulo. Sendo: A, B e S – soluto puro, sólidos puro e solvente puro, respectivamente Ponto M (mistura) – 0,3kg soluto; 0,3 kg sólidos e 0,4 kg de solvente Ponto N (mistura de A+S) – 0,6 kg/kg soluto e 0,4 kg/kg solvente Ponto R (mistura S+B) – 0,7 kg/kg solvente e 0,3 kg/kg sólidos Ponto P (mistura A+B) – 0,5 kg/kg soluto e 0,5 kg/kg sólidos
Figura 14 – Diagrama Triangular
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Também são válidos os princípios da adição gráfica e da regra da alavanca, ou seja, um ponto representativo do fluxo J (J=R+E) localizado entre os pontos respectivos, e sobre a mesma linha, dos fluxos R e E, como na Figura 15.
Pela regra da adição gráfica: E Z A X A Z S X S R Y Z Y Z A A S S E Z A X A J Y A X A
As coordenadas do ponto J são dadas por um balanço de massa: Z S Z A Z B
Figura 15
Y S . E X S . R E R Y A . E X A . R E R Y B . E X B . R E R
A – Construção da Curva ab: Realizada a partir de dados experimentais de XL e XA (ou YA). X L
solução retida B
como B 1 X L solução retida
soluto retido = A = (XA).XL solvente na solução retida = S = XL-(XA).XL = XL.(1-XA) X A
Assim:
X B X S
X A X L X A X L 1 X L 1 X A 1 X L 1 X L 1 X A X L 1
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B – Cálculo em Bateladas A Figura 16 apresenta a descrição gráfica dos seguintes passos para a construção do gráfico: 1 – traçar a curva ab 2 – loca-se os pontos R 0 e E0 (solvente puro) 3 – pela regra da alavanca, determinar ponto J 4 – a mistura J se divide em 2 partes: uma solução sobrenadante com composição dada por E1 e uma pasta de composição R 1. A locação destes pontos é dada por: se separássemos os sólidos inertes da mistura J, estes seriam representados pelo ponto B e a solução restante seria E1; como isto não acontece, a pasta R 1 ficará na interseção da curva ab com a linha que une J a B e E1 no prolongamento desta linha até a hipotenusa do triângulo. Figura 16 – Diagrama Triangular para processo Batelada
C – Cálculo em Correntes Paralelas: A Figura 17 apresenta a descrição gráfica dos seguintes passos para a construção do gráfico:
Figura 17 - Diagrama Triangular para processo em Correntes Paralelas
1 – traçar curva ab 2 – localizar E0 (solvente puro) e R 0 e localizar o ponto J, que é a mistura formada no 1o estágio 3 – J 1 se divide em E1 e R 1, localizados como no processo em batelada 4 – a pasta R 1 é misturada novamente com o solvente, traçando a reta SR1 e, assim, determinando J2. Esta mistura se divide em E2 e R 2. 5 – Prossegue desta maneira até que seja locada uma pasta cuja composição seja igual, ou aproximadamente igual, à composição R N da pasta desejada 6 – o número de pontos J traçados é o número de estágios necessários para a extração.
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D – Cálculo em Contracorrente: A Figura 18 apresenta a descrição gráfica dos seguintes passos para a construção do gráfico: 1 – traçar curva ab 2 – localizar R 0 (sólido fresco) e E N+1 (solvente puro) 3 - L0 E N 1 J E 1 R N . O ponto J, pela regra da alavanca, se divide em E1 (conhecida) e R N (conhecido ou não). Se desconhecido, a reta que passa por E1 e J determina R N na curva ab. 4 – ligando os pontos E N+1 a R N e E1 a R 0, são construídas duas retas cujos prolongamentos determinarão o ponto R0 E 1 R1 E 2 Rn E n1 R N E N 1 5 – determinando R 1: a solução contida em R 1 tem a mesma composição que em E1; adicionando sólido a esta solução chegaria-se ao ponto B, seguindo a reta E 1 B ; deste modo, R 1 deve estar na interseção desta reta com a curva ab, no ponto x1.6 – determinação de E2: R1 E 2 , unindo R 1 e por uma reta acha-se E2 7 – repetir o passo 5 para determinar R 2 e x2 a partir de E2 8 – prosseguir desta maneira até que seja localizada uma pasta cuja composição seja igual, ou aproximadamente igual, à composição R N da pasta desejada. 9 - o número de retas ER traçadas é o número de estágios necessários para a extração. Figura 18 - Diagrama Triangular para processo em Contracorrente
E – Efeito da Saturação: Para a Extração Sólido-Líquido na qual o soluto está na fase sólida, a quantidade de soluto que pode ser dissolvida é limitada pela saturação da solução, que é função da temperatura e da pressão. O efeito de pressão é pequeno e pode ser desprezado. O diagrama Triangular, como o apresentado na Figura 19, pode ser dividido em duas partes, para uma determinada temperatura: uma região saturada e outra não saturada.
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Se a concentração da solução saturada (ysat) for representada na hipotenusa do triângulo, então a linha By sat representa a mistura de sólidos inertes e a solução saturada. As soluções na zona acima desta linha serão linhas não-saturadas, enquanto que a zona abaixo desta linha corresponde às soluções saturadas. Qualquer ponto N na zona não saturada representa uma mistura ternária, tanto que o “overflow” separado tem composição y1, obtido pela interseção da linha BN e da hipotenusa SA . O ponto P, na zona saturada, produzirá um “overflow” de solução saturada (ysat), enquanto que o soluto retido pelos sólidos inertes tem concentração x, obtida pela interseção das linhas y sat P e BA .
Figura 19 – Efeito da Saturação para uma extração sólido-líquido na qual o soluto está na fase sólida Se o soluto está inicialmente na fase líquida, ele pode ser miscível no solvente em qualquer proporção. Neste caso, todos os pontos da hipotenusa representam um sistema simples e todo o triângulo representa uma solução não saturada, pois o ponto (ysat) estará situado sobre o ponto A. Quando a solução não é completamente miscível no solvente, o triângulo é dividido em 3 zonas distintas, como na Figura 20, definidas pela saturação do soluto no solvente (y2,sat) e pela saturação do solvente (y1,sat) no soluto. A zona entre as duas linhas de saturação é onde geralmente ocorre a extração sólido-líquido. As zonas 1 e 3 são formadas por uma fase líquida não saturada e sólidos inertes, enquanto que a zona 2 é formada por sólidos inertes e duas fases líquidas saturadas com composição (y1,sat) e (y2,sat).
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Figura 20 – Diagrama Triangular para uma solução que não é totalmente miscível no solvente.
10.8 – Equipamentos para Extração Sólido-Líquido 10.8.1 – Percoladores Batelada Este tipo de extrator consiste principalmente em um contêiner aberto com fundo falso, que geralmente é um tipo de filtro ou uma grade. As partículas sólidas são colocadas no contêiner. O solvente é distribuído na superfície do sólido de tal maneira que ele possa percolar através dos mesmos. A solução resultante sai do contêiner pelo fundo falso, sendo recuperada como o “overflow” ou extrato. Em muitos casos, é adicionada uma quantidade
de solvente que cobre todos os sólidos até que fiquem submersos. Estes extratores são usados em pequenas indústrias de extração de açúcar de beterraba, óleo de sementes de oleaginosas ou de frutas secas, café de grãos tostados e moídos etc. Em muitos casos devem-se utilizar solventes voláteis, como na extração de óleo a partir de sementes, ou trabalhar sob pressão para garantir uma melhor percolação do solvente através das partículas sólidas. Por estas razões, e por considerações higiênicas, estes extratores são fechados. A Figura 21 apresenta um percolador batelada usado para extração de óleo a partir de sementes. Consiste em um vaso cilíndrico fechado dividido em duas zonas por uma divisão inclinada. As sementes são carregadas pelo topo, primeira seção, e atomizadas com o solvente. O solvente percola pelas sementes e extrai o óleo. O extrato ou “overflow”
passa para a segunda seção onde é aquecido até entrar em ebulição. O solvente mais a água extraída da semente vaporizam e o vapor vai para um condensador, o condensado passa para um separador para eliminar a água e o solvente retorna para a câmara.
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Figura 21 - Percolador Batelada.
10.8.2 – Sistemas de Leito Fixo Multiestágios Em alguns casos a taxa de extração é alta, e é possível realizar a extração desejada em um estágio. No entanto, isto não acontece freqüentemente, e é necessário circular o solvente contracorrente em tanques em série que contém os sólidos. Assim, solvente puro é adicionado no tanque que contém a maior quantidade de material quase exaurido, escoa através de diferentes tanques e sai do sistema pelo tanque que foi alimentado com sólidos frescos. Uma série deste tipo de tanque é chamada de bateria de difusão. Quando um solvente é volátil ou o leito de sólidos não é muito permeável, é necessário usar um vaso fechado que opera sob pressão para ajudar o solvente a passar pelo leito. Nestes casos, a série de tanques de extração é chamada de bateria de difusão de Robert. Os processos que utilizam este tipo de extrator são café, óleo e açúcar de beterraba. 10.8.3 – Percoladores Contínuos Este tipo de percolador tem um leito móvel e muitos operam em contracorrente. A – Extrator Bollmann: Também chamado Hansa-Mühle, consiste de um elevador de canecos em uma câmara vertical, como mostrado na Figura 22. Os canecos são carregados com o sólido no topo do lado direito e atomizados com uma solução de “meia miscela” enquanto eles descem. Nesta região do extrator, o sólido e a solução descem paralelos. A miscela recuperada no fundo à direita do extrator é chamada de “miscela completa”. Os canecos
com sólidos parcialmente exauridos sobem pelo lado esquerdo do extrator e são atomizados com solvente puro em um determinado ponto da região superior do extrator. Nesta região, o sólido e o solvente circulam em contracorrente de tal maneira que a “meia miscela” é
obtida no fundo, enquanto os canecos com os sólidos exauridos são descarregados no topo. Este tipo de extrator é utilizado em processos de extração de óleo de sementes.
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Figura 22 - Extrator Bollman
B – Extrator Hildebrandt: A Figura 23 apresente um extrator de imersão, pois os sólidos estão sempre imersos no solvente. Consiste principalmente em três elementos dispostos em forma de U. Os sólidos são alimentados por uma abertura vertical e levados até o fundo por uma rosca. Uma rosca horizontal os transporta até outra rosca vertical, onde eles sobem até serem descarregados no topo. O sólido se movimenta devido aos parafusos, que têm sua superfície perfurada. O solvente é alimentado na rosca de ascensão do sólido, assim o líquido e o sólido circulam em contracorrente. Estes extratores são usados para a extração do açúcar de beterraba e de óleo de soja.
Figura 23 - Extrator Hildebrandt
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C – Extrator Bonotto: A Figura 24 apresenta um extrator que consiste em uma coluna vertical dividida em compartimentos por pratos horizontais. Cada prato tem uma abertura alternada em dois pratos consecutivos. Uma haste vertical contém pás colocadas entre os pratos que raspam os sólidos fazendo com que caiam para o prato inferior através da abertura. Os sólidos são alimentados pelo topo da coluna e descem, enquanto o solvente entra pelo fundo, e a miscela sai pelo topo da coluna. O líquido e o sólido escoam em contracorrente. Estes extratores são usados para extrair óleo de sementes e frutas secas.
Figura 24 - Extrator Bonotto
D – Extrator Rotocel: A Figura 25 apresenta o extrator Rotocel que é constituído por uma cesta horizontal dividida em compartimentos que apresentam um fundo perfurado, permeável ao líquido. A cesta gira lentamente em um eixo vertical. Os sólidos são admitidos em cada compartimento no ponto de alimentação; sucessivamente, os compartimentos passam por alguns “sprays” de solvente, uma seção de drenagem e um ponto de descarga no qual o
fundo do compartimento abre para descarregar os sólidos exaustos. O compartimento vazio se move até o ponto de alimentação para receber sua próxima carga de sólidos. Para que ocorra uma extração em contracorrente, o solvente novo (“fresh”) é alimentado somente no
último compartimento antes do ponto de descarga, e os sólidos nos compartimentos anteriores são lavados com o efluente do compartimento seguinte. Este tipo de extrator é mais usado na extração de açúcar e de óleos vegetais.
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Figura 25 - Extrator Rotocel
10.8.4 – Outros Tipos de Extratores A – Extrator por Percolação C.M.B.: É um extrator por percolação com leito móvel formado por uma câmara de metal que contém uma série de cestas perfuradas, como apresentado na Figura 26. As cestas contêm os sólidos, que são atomizados com uma solução intermediária vinda do fundo da câmara. A solução drena através dos sólidos enquanto as cestas se movem. O solvente novo (“fresh”) é atomizado próximo do final da câmara. Uma vez o solvente drenado através do
sólido, o mesmo está exausto e a cesta é descarregada. Então, o cesto vazio é carregado com novos sólidos, e o processo de extração começa novamente. A miscela final é coletada no fundo da câmara na seção correspondente ao retorno da zona de alimentação dos sólidos. Observa-se que, neste processo, o solvente e o sólido circulam em contracorrente devido a uma série de bombas que atomizam a miscela em diferentes cestas. Este extrator é muito usado por ser simples e fácil de operar.
Figura 26 - Extrator de Percolação 27
B – Extrator Soxhlet.: Geralmente é utilizado em escala de laboratório, Figura 27, pois admite pequenas quantidades. Observa-se que o solvente é aquecido em um ebulidor e os vapores produzidos, após serem condensados, vão para um vaso em que o sólido está colocado. O “overflow” é retornado para
a caldeira onde são produzidos os vapores do solvente que é usado para uma nova extração. Desta maneira, a caldeira acumula o soluto.
Figura 27 - Extrator Soxhlet
10.9 – Aplicações na Indústria de Alimentos 10.9.1 – Extração de Açúcar de Beterraba O açúcar pode ser obtido a partir da beterraba utilizando água como solvente. Os extratores usados geralmente são: bateria de difusão ou extrator Bonotto ou o Hildebrandt. Para facilitar a extração, as beterrabas são cortadas no comprimento em fatias em forma de V para formar um leito e então são imersas na água. O líquido pode ter dificuldade em percolar pelo leito, então é conveniente introduzir a água sob pressão. A estrutura celular não pode ser danificada para que não ocorra a extração de outros componentes além do açúcar. A temperatura deve ser controlada, porque se ela for muito alta, compostos de não-açúcares indesejados podem ser extraídos. Em geral, o extrato final obtido contém aproximadamente 15% de sólidos dissolvidos. O extrato deve ser purificado pelos processos de sedimentação ou filtração e, então, concentrado em evaporadores sob pressão. Os cristais são separados por centrifugação, obtendo finalmente o açúcar. 10.9.2 – Elaboração de Café Instantâneo O processo de extração é um dos estágios mais importantes na produção de café instantâneo. A extração geralmente é feita nos grãos torrados e moídos, usando água como solvente, obtendo uma solução final que contém em torno de 25 a 30% de sólidos. A solução é atomizada, produzindo grãos de café instantâneo como produto final. A extração do café é realizada em equipamentos projetados especialmente para isto, consistindo em extratores que trabalham em contracorrente, sistemas multiestágios e leito fixo. O sólido 28
carregado é extraído com água a 100C e, como o processo é contínuo, a temperatura da água é aumentada. Altas temperaturas favorecem a hidrólise de carboidratos insolúveis que, desta maneira, tornam-se solúveis, aumentando o conteúdo de sólidos solúveis na solução final. No entanto, temperaturas muito altas podem hidrolisar substâncias que podem conferir aromas e sabores indesejáveis ao extrato.
10.9.3 – Elaboração de Chá Instantâneo O estágio inicial para obter o chá instantâneo é a extração com água quente, uma operação realizada em extratores de leito fixo, usando água a 70C nos primeiros estágios e atinge 90C no final. Aplica-se vácuo no extrator para facilitar a operação. O extrato final tem uma concentração de sólidos em torno de 2,5 a 5%, que é muito baixo. Por esta razão, é feita uma destilação para eliminar os compostos voláteis antes do produto final ser obtido. A solução residual, livre de aromas, é concentrada por evaporação a vácuo, obtendo uma solução que contém de 25 a 50% de sólidos solúveis. A fração aromática obtida durante a destilação é adicionada à solução concentrada. Depois, o chá instantâneo é obtido durante um processo de secagem por liofilização ou atomização. O estágio inicial de extração pode ser realizado em extratores de leitos móveis similares ao extrator Rotocel em contracorrente. 10.9.4 – Extração de Óleos Vegetais O processo de extração com solvente é muito importante para obter óleos vegetais. Após o processo de extração, o “overflow” deve ser filtrado para eliminar sólidos em
suspensão. A solução filtrada, contendo óleo, solvente e água, é levada para um evaporador para eliminar o solvente, que pode ser reciclado. A mistura de óleo, água e solvente residual vai para uma torre de destilação, onde o óleo livre de solvente é obtido, enquanto os vapores são condensados e vão para um separador onde a água é eliminada e o solvente recuperado. Por outro lado, os sólidos exaustos, chamados “flakes”, junto com aqueles que vêm do estágio de filtração, contém solvente; em muitos casos eles poderão ser utilizados para ração animal e, por isso, é essencial eliminar o solvente retido. O farelo é levado a um secador para eliminar traços de solvente. O processo descrito, ou outro similar, é usado para obter óleo de produtos vegetais como sementes oleaginosas e frutas secas. Pode-se utilizar sementes de azeitona verde, algodão, amendoim, girassol, linhaça, palma, soja e outras. O óleo também pode ser obtido do gérmen de milho, semente de tomate, bagaço de azeitona verde, sementes de uva etc. Um fator que influencia as operações de extração é o tipo de solvente utilizado. Existe uma grande variedade de solventes, mas os mais usados são hexano, heptano, ciclohexano, benzeno e o tricloroetileno. Além destes solventes pode-se utilizar éter de petróleo, acetona, álcool etílico e álcool isopropílico, além de outros.
10.9.5 – Extração em Peixes A extração com solvente tem outras aplicações além das vistas anteriormente, incluindo a obtenção de óleo de todo o peixe ou de um órgão específico, como o fígado. Nem toda a produção de peixe é para consumo humano, mas grandes quantidades são usadas para produzir conservas e para obter óleos e farinhas. O peixe recebe uma série de tratamentos durante a obtenção do óleo e da farinha, além de um estágio de extração
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