Operações Unitárias - CAP 1 A 5

[Operações Unitárias] Unitárias ] Márcio Vilar e Lourinaldo Jr.

CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO ÀS OPERAÇÕES UNITÁRIAS ef i c e R s u p m a C | l ai rt s u d nI a ci mí u Q m e o ci n c é T os r u C | si ai rt s u d nI s ai r tái n U s e õ ç ar e p O

1

Márcio Vilar e Lourinaldo Jr.

[Operações Unitárias] Unitárias ]

1. Primeiras Palavras Os Processos de Separação constituem, desde sempre, uma etapa fundamental dos Processos de Fabricação da Indústria Química. Para que o Processo Reacional decorra de acordo com as especificações definidas previamente, é necessário que as matérias primas sejam introduzidas no Reator 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 reator passam, quase sempre, por unidades prévias de separação. O mesmo se passa com os produtos da reação. Na maior parte dos casos as correntes com os produtos da reação transportam ainda alguma percentagem de reagentes podendo também ocorrer reações paralelas que dão origem a produtos que não são os desejados. Também neste caso é necessário tratar essas correntes para separar o produto que foi inicialmente especificado, com o grau de pureza desejado. Outra área da instalação fabril onde são essenciais os Processos de Separação é no tratamento dos efluentes da unidade, sejam eles gasosos ou líquidos. Os Processos de Separação são variados e a seleção do processo mais adequado para um determinado tratamento depende das características da alimentação a tratar e dos objetivos a atingir (nomeadamente o grau de pureza pretendido para a corrente de saída) assim como de fatores econômicos. A noção de Processo de Separação está intimamente ligada à de Operação Unitária. Este ef i

conceito foi introduzido na Engenharia Química, pela primeira vez, por Arthur D. Little em 1915 c e R s

(História da Engª Química) e foi essencial para a sistematização do ensino dos Processos Químicos: u p m a C | l

“Operação Unitária é toda a unidade uni dade do processo onde os materiais sofrem sofrem alterações no seu estado ai rt s

físico ou químico e que pode ser projetada com base em princípios físico/químicos comuns” u d nI a ic

1.1 Classificação mí u Q m e o

As operações unitárias podem ser classificadas de acordo com critérios variados. Podemos, ci n c

por exemplo, classificá-las em grupos grupos de acordo com a sua finalidade dentro dentro do processo produtivo. produtivo. é T o sr u C

Oper ações pr eli mi nar na r es: es: São normalmente utilizadas antes de qualquer outra operação. Suas • Operaç | si ai

funções estão associadas à preparação do produto para posterior processamento de melhoria das rt s u d

condições sanitárias da matéria prima. Ex. Limpeza, seleção, classificação, eliminação, nI s ai

branqueamento, etc. r át i

c on ser vaç va ção: Entre estas podemos citar a esterilização, a pasteurização, o • Oper ações de co n U s

congelamento, refrigeração, evaporação, secagem, etc. e õ ç ar e p O

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1. Primeiras Palavras Os Processos de Separação constituem, desde sempre, uma etapa fundamental dos Processos de Fabricação da Indústria Química. Para que o Processo Reacional decorra de acordo com as especificações definidas previamente, é necessário que as matérias primas sejam introduzidas no Reator 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 reator passam, quase sempre, por unidades prévias de separação. O mesmo se passa com os produtos da reação. Na maior parte dos casos as correntes com os produtos da reação transportam ainda alguma percentagem de reagentes podendo também ocorrer reações paralelas que dão origem a produtos que não são os desejados. Também neste caso é necessário tratar essas correntes para separar o produto que foi inicialmente especificado, com o grau de pureza desejado. Outra área da instalação fabril onde são essenciais os Processos de Separação é no tratamento dos efluentes da unidade, sejam eles gasosos ou líquidos. Os Processos de Separação são variados e a seleção do processo mais adequado para um determinado tratamento depende das características da alimentação a tratar e dos objetivos a atingir (nomeadamente o grau de pureza pretendido para a corrente de saída) assim como de fatores econômicos. A noção de Processo de Separação está intimamente ligada à de Operação Unitária. Este ef i

conceito foi introduzido na Engenharia Química, pela primeira vez, por Arthur D. Little em 1915 c e R s

(História da Engª Química) e foi essencial para a sistematização do ensino dos Processos Químicos: u p m a C | l

“Operação Unitária é toda a unidade uni dade do processo onde os materiais sofrem sofrem alterações no seu estado ai rt s

físico ou químico e que pode ser projetada com base em princípios físico/químicos comuns” u d nI a ic

1.1 Classificação mí u Q m e o

As operações unitárias podem ser classificadas de acordo com critérios variados. Podemos, ci n c

por exemplo, classificá-las em grupos grupos de acordo com a sua finalidade dentro dentro do processo produtivo. produtivo. é T o sr u C

Oper ações pr eli mi nar na r es: es: São normalmente utilizadas antes de qualquer outra operação. Suas • Operaç | si ai

funções estão associadas à preparação do produto para posterior processamento de melhoria das rt s u d

condições sanitárias da matéria prima. Ex. Limpeza, seleção, classificação, eliminação, nI s ai

branqueamento, etc. r át i

c on ser vaç va ção: Entre estas podemos citar a esterilização, a pasteurização, o • Oper ações de co n U s

congelamento, refrigeração, evaporação, secagem, etc. e õ ç ar e p O

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[Operações Unitárias] Unitárias ] Márcio Vilar e Lourinaldo Jr. Op eraç ações de d e tr t r an sfor sf or m ação: Moagem, mistura, extrusão, emulsificação, etc. • Oper de sepa separ ação: Filtração, cristalização, sedimentação, centrifugação, prensagem, • Oper ações de

destilação, absorção, adsorção, desumidificação, precipitação eletrostática, etc. Uma classificação bem comum é utilizada levando-se em conta o tipo de operação envolvida (operações mecânicas, operações envolvendo transferência de calor e operações envolvendo transferência de massa), a saber: São diversas e cada vez em maior número as Operações Unitárias que se usam no processo de fabrico, mas podemos organiza-las em quatro grandes grupos, tendo em conta os princípios físico/químicos subjacentes:

1. Operações de Transferência de quantidade de movimento ou mecânicas: i.

Operações envolvendo sólidos granulares

a) Fragmentação de sólidos; b) Transporte de sólidos; c) Mistura de sólidos;

ii.

Operações com sistemas sólido-fluido

a) Sólidos de sólido: Peneiramento e separação hidráulica (arraste – elutriação). elutriação). ef

b) Sólido de líquidos: Decantação, flotação (borbulhamento de ar), floculação (sulfato de alumínio – aglutinação aglutinação – flocos), flocos), separação centrífuga e filtração. i c e R s u

c) Sólidos de gases: Centrifugação (para gases - ciclones) e filtração (para gases - filtros manga). p m a

d) Líquidos de líquidos: Decantação e centrifugação. C | l ai rt s u

iii. Operações envolvendo sistemas fluidos a) Bombeamento de líquidos; d nI a ci mí

b) Mistura e agitação de líquidos; u Q m e o ci

2. Operações baseadas em Transferência de Calor n c

3. Operações baseadas em Transferência de Massas

é

4. Operações baseadas simultaneamente em transferência de Massas e calor

r

T os u C | si ai rt

Para além disso podemos ainda agrupar as Operações Unitárias tendo em conta a forma como se modela a transferência: 

Com base no conceito de Andar em Equilíbrio (Equilibrium Based Operations);



Com base no conceito de Velocidade de Transferência (Rate Based Operations)

s u d nI s ai r tái n U s e õ ç ar e p O

3



Para cada uma destas operações existem conceitos e princípios que precisam ser conhecidos para um

melhor

entendimento

da

operação

em

questão

e

para

o

projeto/dimensionamento/operação/otimização projeto/dimensionamento/operação /otimização do equipamento se for o caso.

Referências 1. Felder, R. M, Rousseau, R. W., Princípios Elementares dos Processos Químicos, LTC, 3a Ed., 2005. 2. Operaciones Unitarias en ingineria química; McCabe, W.L., Smith, Smith, J.C., Harriott, Harriott, P., 4a edição, McGraw Hill, 1998

ef i c e R s u p m a C | l ai rt s u d nI a ic mí u Q m e o ci n c é T o sr u C | si ai rt s u d nI s ai r át i n U s e õ ç ar e p O

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[Operações Unitárias] Márcio Vilar e Lourinaldo Jr.

CAPÍTULO 2 DIMENSÕES, UNIDADES E CONVERSÕES ef i c e R s u p m a C | l ai rt s u d nI a ci mí u Q m e o ci n c é T os r u C | si ai rt s u d nI s ai r tái n U s e õ ç ar e p O

5


[Operações Unitárias]

2.1 Introdução Uma quantidade medida ou contada tem um valor numérico (2,5) e uma unidade (qualquer coisa que seja este 2,5). É muito útil na maior parte dos cálculos de engenharia – e muitas vezes essencial – escrever tanto o valor quanto a unidade de cada quantidade que aparece em uma equação. Uma dimensão é uma propriedade que pode ser medida, como comprimento, tempo, massa ou temperatura, ou calculada pela multiplicação ou divisão de dimensões, como comprimento/tempo (velocidade), comprimento3 (volume) ou massa/comprimento (densidade). Unidades mensuráveis (diferentemente das unidades contáveis) são valores específicos de dimensões que foram definidas por convenção, costume ou lei, como gramas para massa, segundos para tempo e centímetros ou pés para comprimento. Unidades podem ser tratadas como variáveis algébricas quando as quantidades são somadas, subtraídas, multiplicadas ou divididas. As unidades são divididas em três tipos:



Unidades Básicas : que são as unidades para as dimensões básicas: massa (m),

comprimento (L), tempo (t), mols (mol), temperatura (T), corrente elétrica e intensidade luminosa. ef i

Exemplo: segundo. 

c e R s

Un idades M últi plas : são definidas como múltiplos ou frações das unidades básicas, como u p m

minutos, horas e milissegundos, todas definidas em termos da unidade básica, o segundo. As a C | l

unidade múltiplas são definidas mais por convenção que por necessidade: simplesmente é ai rt s

conveniente nos referirmos a 3 anos do que a 94.608.000 s.. 

u d nI

Unidades Derivadas: a ic mí

2

a) obtidas pela multiplicação ou divisão das unidades básicas ou múltiplas (cm.cm, ft/min, kg.m/s ) u Q

chamadas de compostas, ou m e 2 2

o

2

b) como equivalentes a unidades compostas como o erg = 1 g cm /s ou 1 lbf = 32,174 lb.ft/s . ci n c é T o sr

2.2 Sistemas de Unidades u C | si ai

Na análise dos processos químicos há necessidade de cálculos envolvendo variáveis de rt s u d

processo que apresentam dimensões características. Ainda, as dimensões podem estar expressas em nI s ai

unidades oriundas de diferentes sistemas. Para tal, é importante ter conhecimento desses diferentes r át i

sistemas de unidades e de suas unidades básicas e definidas para que seja possível converte unidades n U s e õ ç ar e p O

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[Operações Unitárias] Márcio Vilar e Lourinaldo Jr. de uma dada dimensão que se encontram num dado sistema para outro sistema de unidades, sempre que necessário. Os sistemas de unidades mais usados são o SI (Sistema Internacional), o CGS e o Sistema Americano de Engenharia (SAE). No ano de 1960, ocorreu uma conferência internacional que definiu um dos sistemas como referência, sendo ele chamado de Sistema Internacional. O início das tentativas de unificação datam de 1790, quando a França, recém saída da revolução, reconhece a necessidade do desenvolvimento de um sistema de unidades que facilitasse as relações comerciais. A Inglaterra foi procurada, mas como já tinha um sistema em uso na ilha em suas colônias, não participou com interesse da iniciativa francesa. Da iniciativa francesa originou-se o Sistema Internacional, que mesmo hoje ainda convive, dentro dos processos químicos, com sistemas de origem inglesa, principalmente o americano de engenharia. O SI, para simplificar, tenho ganho ampla aceitação na comunidade científica e de engenharia. É também conhecido como sistemas mks (metro, kilograma, segundo). No SI, usam-se prefixos para indicar potencias de 10. Os mais usados e as suas abreviações são mega (M) para 106 (1 megawatt = 1MW = 106 watts), quilo (k) para 10 3, centi (c) para 10-2, mili (m) para 10-3, micro () para 10-6 e nano (n) para 10-9. O sistema CGS fui durante muito tempo o mais utilizado nos trabalhos científicos. O americano de engenharia é muito utilizado na indústria química, e particularmente na de petróleo, nos Estados Unidos. Assim, mesmo com a definição do Sistema Internacional como o sistema universal, ef i

ainda convivemos com muitos dados e informações provenientes dos processos expressos em outros c e R

sistemas de unidades. O sistema CGS é quase idêntico ao SI; a principal diferença é que gramas e s u p m

centímetros são usados no lugar de quilogramas e metros como unidades básicas para massa e a C |

comprimento, respectivamente. l ai rt s

As unidades básicas do SAE são o pé (ft) para comprimento, a libra-massa (lbm) para massa e u d nI

o segundo para tempo. A Tabela 1 apresenta as principais dimensões e suas respectivas unidades nos a ci

diferentes sistemas. mí u Q

Tabela 1. Dimensões e respectivas unidades dos principais sistemas m e o ci n c é T os r u C | si ai rt s u d nI s ai r tái n U s e õ ç ar e p O

7



Há ainda outro conjunto formado por unidade fora dos sistemas tradicionas de grande importância na indústria de processos químicos, entre elas a unidade de força quilograma-força (kgf ), as unidades de pressão atmosfera (atm), kgf /cm2 e milímetro de mercúrio (mmHg), a unidade de energia caloria (cal) e as unidades de potencia cavalo-vapor (CV) e horse-power (HP). A tabela 2 apresenta as relações entre as unidades utilizadas para expressar as principais dimensões encontradas nos processos químicos. Tabela 2. Relações entre Unidades.


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[Operações Unitárias] Márcio Vilar e Lourinaldo Jr. 2.3 Conversão de Unidades Uma quantidade medida pode ser expressa em termos quaisquer unidades que tenham a dimensão apropriada. Uma determinada velocidade, por exemplo, pode ser expressa em ft/s, milhas/h, cm/ano ou qualquer outra razão entre uma unidade de comprimento e uma unidade de tempo. O valor numérico da velocidade, naturalmente, dependerá das unidades escolhidas. Neste sentido, para converter a unidade de uma dada dimensão expressa num determinado sistema de unidades em outra unidade expressa num sistema de unidades diferente, multiplica-se a dimensão pelo fator de conversão de unidades (FC), que relaciona a unidade nova e a unidade velha.

    ã  =  ℎ

Por exemplo, para converter 36 mg ao seu equivalente em gramas, escreva:

36   (10001) = 0,036  (Note como as unidades velhas se cancelam, deixando a unidade desejada.) Uma forma alternativa de escrever esta equação é usar uma linha vertical em lugar do sinal de multiplicação: 36 mg

1g ef i c e

1000 mg R s u p m a

Indicar explicitamente as unidades em cálculos deste tipo é a melhor forma de evitar o erro C | l ai

muito comum em multiplicar quando se quer dividir ou vice-versa. No exemplo mostrado, sabemos rt s

que o resultado está correto porque os miligramas se cancelam, deixando apenas os gramas do lado

u

esquerdo, enquanto

a

d nI ci mí u Q

36 mg

1000 mg m

1g

ci

e o n c é T os r

está claramente errado. (Mais precisamente, não é o que você pretendia calcular.) u C |

o

Se você tem uma quantidade com uma unidade composta [por exemplo, milhas/h, cal/(g C)] e si ai rt

quer convertê-la ao seu equivalente em termos de um outro conjunto de unidades, monte uma equação s u d nI

domensional, ou seja, escreva a quantidade dada e as suas unidades à esquerda, escreva as unidades s ai r

dos fatores de conversão que cancelam as velhas unidades e as substituem pelas desejadas, preencha tái n

os valores dos fatores de conversão e realize as operações aritméticas indicadas para achar o valor U s e õ ç ar e p O

9



desejado. Dessa maneira, pode-se abolir de forma permanente a regra de três na conversão de unidade, tornando essa tarefa mais simples e precisa.

TESTE 1. O que é um fator de conversão? 2. Qual é o fator de conversão para s/min? 3. Qual é o fator de conversão para min2/s2? 4. Qual é o fator de conversão para m3/cm3? 5. Converta 1 cm/s2 em seu equivalente em km/ano. 6. Converta 3000 g.m/min2 em seu equivalente em lbf . 7. Converta 23 lbm.ft/min2 em seu equivalente em kg.cm/s2. 8. Um cometa apresenta período orbital de 3 anos, 4 meses, 14 dias, 8 horas e 23 minutos. Calcule seu período orbital em segundos. 9. Usando equações dimensionais, converta: a. 3 semanas em milissegundos b. 38,1 ft/s a milhas/h c. 554 m4/(dia.kg) a cm4/(min.g) ef i c

10. Usando as informações da Tabela 2, converta: e R s

a. 760 milhas/h a m/s 3

b. 921 kg/m a lbm/ft

u p m a

3

C | l

3

c. 5,37 x 10 kJ/min a hp ai rt s u d nI

Referências a ic mí u Q

1. Felder, R. M, Rousseau, R. W., Princípios Elementares dos Processos Químicos, LTC, 3a Ed., 2005. m e o ci

a

2. McCabe, W.L., Smith, J.C., Harriott, P., Operaciones Unitarias en ingineria química; 4 edição, n c é T

McGraw Hill, 1998 o sr u

3. Alberto Colli Badino e Antônio José Gonçalves Cruz, Fundamentos de Balanços de Massa e

C

Energia – um texto básico para análise de processos químicos, EdUFSCAR, 2010.

ai

| si rt s u

4. Foust, A.S., Wenzel, L.A., Clump, C.W., Maus, L., Andersen, L.B., Princípio das Operações d nI s

a

Unitárias, LTC, 2 Ed., 1982. ai r át i n U s e õ ç ar e p O

10


CAPÍTULO 3 DESTILAÇÃO ef i c e R s u p m a C | l ai rt s u d nI a ci mí u Q m e o ci n c é T os r u C | si ai rt s u d nI s ai r tái n U s e õ ç ar e p O

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3.1 Introdução O processo de separação mais amplamente usado na indústria química é a destilação. Esta operação unitária é também denominada fracionamento ou destilação fracionada. A separação dos constituintes está baseada nas diferenças de volatilidade. Na destilação, uma fase vapor entra em contato com uma fase líquida, e há transferência de massa do líquido para o vapor e deste para aquele. O líquido e o vapor contém, em geral, os mesmos componentes, mas em quantidades relativas diferentes. O líquido está em seu ponto de bolh a * e o vapor em equilíbrio no seu ponto de orval ho *. Há transferência simultânea de massa do líquido pela vaporização, e do vapor pela condensação. O efeito final é o aumento da concentração do componente mais volátil no vapor e do componente menos volátil no líquido. A vaporização e a condensação envolvem os calores latentes de vaporização dos componentes, e os efeitos térmicos devem, por isso, entrar nos cálculos de destilação. Numa solução ideal (por exemplo, uma solução de benzeno e tolueno), a volatilidade pode ser relacionada diretamente à pressão de vapor dos componentes puros. Nas soluções não-ideais (por exemplo, uma mistura de etanol e água), não existe uma relação simples. A destilação é amplamente usada para separar as misturas líquidas em componentes mais ou menos puros. Em virtude de a destilação envolver a vaporização e a condensação da mistura, são necessárias grandes quantidades de energia. Uma grande vantagem da destilação está em que não se precisa adicionar nenhuma substância para efetivar a separação. As aplicações da destilação têm a mais ampla diversidade. O oxigênio puro, ef i

usado na fabricação do aço, nos foguetes e nas aplicações médicas, é produzido pela destilação do ar c e R s

que foi previamente liquefeito, O petróleo cru é separado inicialmente em diversas frações em grandes u p m

colunas de destilação. Estas frações são processadas posteriormente em produtos acabados e a a C | l

destilação é frequentemente utilizada nas etapas intermediárias da obtenção destes produtos finais. ai rt s u d nI

3.2 Fundamentos a ic mí u Q

Volatilidade m e o ci n c

A separação em uma coluna de destilação acontece devido à volatilidade relativa de um é T

componente com relação ao outro. Geralmente, salvo raras exceções, a fração mais volátil em uma

o

mistura é aquela que em estado puro possui maior pressão de vapor, ou seja, tem maior tendência a

C

sr u | si ai

evaporar. Como exemplo, tem-se que, devido ao critério massa molar, o metano é mais volátil do que rt s u d

o etano, que por sua vez é mais volátil que o propano, que por sua vez é mais volátil que o butano e nI s ai

assim por diante; então a separação destes é possível utilizando-se o agente calor e equipamentos r át i

adequados, denominados colunas ou torres de destilação para processos contínuos ou destiladores para n U s

processos descontínuos ou em bateladas. e õ ç ar e p O

12


Equilíbrio Líquido – Vapor Ao colocar em recipiente sob vácuo, determinada quantidade de uma mistura líquida, por exemplo, uma mistura de hidrocarbonetos, mantendo-se constante a temperatura deste recipiente, o líquido tenderá a vaporizar-se até que alcance a pressão de equilíbrio entre a fase vapor e a fase líquida, isto é, as moléculas da fase líquida passarão para a fase vapor, aumentando a pressão do recipiente até que se tenha o equilíbrio entre as fases líquido e vapor. O ponto de equilíbrio é atingido quando o número de moléculas que abandona o líquido para a fase vapor é exatamente igual ao número de moléculas que abandona o vapor para a fase líquida. Tem-se, aí, o equilíbrio termodinâmico entre as fases líquido – vapor.

3.3 Destilação Simples A destilação simples ou descontínua é realizada em bateladas. Conforme é possível observar na figura acima, a carga de líquido é introduzida em um vaso provido de aquecimento, entrando em ebulição. Os vapores são retirados pelo topo através do condensador, onde são liquefeitos e coletados em outros recipientes. ef i c e R s u p m a C | l ai rt s u d nI a ci mí u Q m e o ci n c é T os r

Figura 1. Destilação Simples. ( Fonte:

u C |

http://www.brasilescola.com/quimica/separacao-destilacao-esi

evaporacao.htm) ai rt s u d

A primeira porção do destilado será a mais rica em componentes mais voláteis. À medida nI s ai

que prossegue a vaporização, o produto vaporizado torna-se mais volátil e o líquido residual torna-se r tái n

menos volátil, pois o percentual de componentes leves no líquido residual vai sendo esgotado. O U s e

destilado, que é o vapor condensado, poderá ser coletado em porções separadas denominadas de õ ç ar e p O

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cortes. Estes podem produzir uma série de produtos destilados com vários graus de pureza. Então, considerando-se uma mistura de três substâncias: Substância A – Muito volátil e em pequena quantidade ; Substância B – Volatilidade média e em grande quantidade; Substância C – Muito pouco volátil e em pequena quantidade. Quando uma destilação em batelada ou destilação simples é efetuada, o primeiro corte, pequeno, conteria predominantemente quase toda a substância A, o segundo corte, grande, conteria quase toda a substância B, porém estaria contaminado com um pouco das substâncias A e C, e o líquido residual seria, praticamente, a substância C pura. Assim sendo, apesar dos três cortes conterem todas as três substâncias, alguma separação teria ocorrido neste processo de destilação.

3.4 Destilação Flash O caso mais simples de uma separação por destilação é a Destilação Flash . Normalmente, a corrente de alimentação (líquido) é aquecida num permutador de calor, passando depois por um “flash” adiabático (despressurização rápida) que dá origem a duas correntes saturadas, uma de líquido

e outra de vapor, em equilíbrio. O tanque “flash” permite facilmente a separação e remoção das duas ef i

fases. c e R s u p m a C | l ai rt s u d nI a ic mí u Q

Figura

2.

Esquema

de

uma

destilação

FLASH.

m e

( Fonte: o ci

http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php?option=com_frontpage&Itemid=1&lang=pt./) n c é T

3.5 Destilação Fracionada o sr u C | si

A destilação fracionada é o tipo de destilação mais utilizada em indústrias de grande porte. ai rt s u

Nos dois tipos de destilação abordados anteriormente, destilação em batelada e por expansão brusca, a d nI

separação das diversas substâncias que compõem a mistura é realizada de forma imperfeita ou s ai r át

incompleta. Na destilação fracionada, é possível a separação em várias frações, em uma mesma i n U

coluna, pois, pode-se ter temperaturas, vazões e composições constantes em um dado ponto da coluna. s e õ ç ar e p O

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[Operações Unitárias] Márcio Vilar e Lourinaldo Jr. A destilação fracionada é uma operação de separação de misturas por intermédio de vaporizações e condensações sucessivas, que, aproveitando as diferentes volatilidades das substâncias, torna possível o enriquecimento da parte vaporizada, com as substâncias mais voláteis. Estas vaporizações sucessivas

e são

condensações efetuadas

equipamentos

em

específicos,

denominados de torres ou colunas de destilação. O

equipamento

que

promove a transferência de massa e calor entre correntes líquidas e de vapor saturadas é a conhecida

Coluna

de

Destilação

Fraccionada. Esta é constituída por

um

recipiente

cilíndrico

dentro do qual se encontra uma série de pratos internos entre os ef i

quais circulam vapor e líquido em c e R

contracorrente. s u p

A coluna é alimentada próxima a sua parte central com um determinado fluxo de alimentação sob uma concentração definida. Suponha-

m a C |

Figura 3. Coluna de fracionamento com seções de retificação e esgotamento. (Fonte: Operaciones l ai rt s u

Unitarias en ingineria química; McCabe, W.L., Smith, J.C., Harriott, P., 4a edição, McGraw Hill, 1998.) d nI a ci

se que a alimentação é um líquido mí u Q

submetido à sua temperatura de ebulição. m e

O funcionamento desta coluna dependerá desta suposição e de outras condições que o ci n c

detalharemos oportunamente. O prato em que se introduz a alimentação recebe o nome de prato de é T

al imentação . Todos os pratos acima do prato de alimentação constituem a zona de r eti ficação ,

os

enquanto que os pratos abaixo da zona de alimentação, incluindo também o prato de alimentação,

C

constituem a zona de esgotamento . A alimentação desce pela seção de esgotamento até o fundo da

ai

r u | si rt s

coluna onde se mantém um nível definido de líquido. O líquido flui por gravidade até a caldeira B , que

u

é um vaporizador alimentado com vapor de água que gera vapor e o devolve ao fundo da coluna. O

s

vapor ascende por toda coluna. No extremo do refervedor existe um vertedouro. O produto de base ou n

d nI ai r tái U s e õ ç ar e p O

15



de fundo é retirado pelo vertedouro e passa para o resfriador G. Este resfriador também pré-aquece a alimentação mediante troca de calor com o produto de base que se encontra quente. Os vapores que ascendem através da zona de retificação, se condensam totalmente no condensador C e o condensado se recolhe no acumulador D no qual se manem um nível definido de líquido. A bomba de fluxo F retira o líquido do acumulador e o envia ao prato superior da torre. Esta corrente de líquido recebe o nome de refluxo . O refluxo constitui o líquido que desce pela seção de retificação e que entrará em contato com o vapor que ascende pela coluna. Sem o refluxo não haveria retificação nesta coluna e a concentração de produto de topo ou de cabeça não seria maior que a concentração de vapor que ascende pelo prato de alimentação. O condensado que não é retirado pela bomba de fluxo é resfriado pelo trocador de calor E, chamado de r esfr iador de produto , e é retirado como produto de topo. Se não são formados azeótropos, os produtos de cabeça e de fundo podem ser obtidos com uma pureza desejada mediante a existência de um número de pratos suficientes, desde que se utilize o refluxo adequado.

3.6 Destilação Extrativa Até pouco tempo este tipo de destilação só era utilizado quando os métodos convencionais eram impraticáveis ou impossíveis ,como no caso da separação de misturas azeotrópicas. Todavia, hoje em dia a destilação extrativa é muito utilizada para separar componentes com volatilidades muito ef i

próximas, o que pelos métodos convencionais requer muitos estágios e razões de refluxo elevadas. c e R s

Este método requer menos energia e muitas vezes o que se economiza paga o equipamento de u p m

recuperação do solvente. Consiste em adicionar um outro componente ao sistema, chamado solvente , a C | l

que aumenta a volatilidade relativa dos componentes a separar. Este modo de operar requer uma ai rt s

segunda coluna para recuperar o solvente utilizado. Apenas pequenas quantidades de solventes são u d nI

perdidas na operação . Alimenta-se a mistura de A e B na primeira coluna ,chamada coluna de a ic

extração , da qual o componente mais volátil sai pelo topo, O solvente S é alimentado próximo ao topo mí u Q

dessa coluna e “arrasta” o componente B para a base, de onde a mistura B + S segue o stripper de m e o

solvente , que promove a separação de B e S. O solvente é um liquido muito menos volátil do que os ci n c

componentes a separar. é T o sr u C

3.7 Destilação azeotrópica | si ai rt s u d

A separação dos componentes de uma mistura azeotrópica é impossível de ser realizada por nI s ai

destilação fracionada,a nãoser que se empregue algum meio especial para desviar do azeotropo. O r át i

meio mais prático é chamado destilação azeotrópica e consiste em acrescentar um outro componente a n U s

mistura que vai ser separada, como no caso da destilação extrativa. A diferença reside na volatilidade e õ ç ar e p O

16

[Operações Unitárias] Márcio Vilar e Lourinaldo Jr. do componente acrescentado, que neste caso é essencialmente a mesma dos componentes a separar, enquanto na destilação extrativa o solvente era praticamente ão-volatil comparado com os do sistema. Nestas condições o componente acrescentado forma um azeotropo com um mais dos componentes a separar ,devido a diferenças de polaridade. Também na destilação azeotrópica o agente de separação é alimentado próximo ao topo da coluna, porém neste caso a maior parte saí no vapor de topo. Reside neste fato a principal diferença entre os dois tipos de operação. Na destilação extrativa o solvente é menos volátil do que os componentes a separar, sua concentração é relativamente constante em todas as placas e ele é quase todo retirado pelo refervedor. Na destilação azeotrópica o agente acrescenta acha-se praticamente na porção superior da coluna e sua concentração decresce na direção do fervedor. O efeito do agente de separação é, mais uma vez, a alteração da volatilidade relativa dos componentes a separar a ele deve, em principio, satisfazer aos mesmos requisitos discutidos no caso do solvente da destilação . O modo de ultrapassar o azeotropo utilizado neste modo de operar é semelhante ao da destilação de líquidos parcialmente miscíveis, como água e isobutanol. Não é necessário produzir um azeotropo ternário como produto de topo, mas é essencial que o condensado forme duas fases. Todavia, alguns sistemas não produzem vapor de topo que condensa duas fases liquidas, de modo que algum outro tipo de operação deverá ser utilizado para desdobrar o produto de topo, como por exemplo diluição ou extração

3.8 Componentes de uma coluna de destilação ef i c e R

As colunas de destilação são constituídas por três partes essenciais: s u p m a C |

1 – Refervedor: É, geralmente, encontrado na base da coluna de destilação. Sua finalidade é proceder l ai rt

ao aquecimento da base e, em consequência, promover a evaporação dos componentes mais voláteis. s u d

Podem ser construídos com dispositivos de aquecimento com vapor d'água, por aquecimento com

nI

circulação de frações de óleos quentes ou, até mesmo, através de resistências elétricas. mí

a ci u Q m e o ci n c é T os r u C | si ai rt s u d nI s

Figura 4. Tipos de refervedor. ( Fonte: http://labvirtual.eq.uc.pt) ai r tái n U s

Os vapores formados na base da coluna circularão de forma ascendente. Parte destes serão e õ ç ar e p O

17



condensados ao longo do percurso na torre, retornando na forma líquida e permitindo um contato íntimo entre o vapor ascendente e o líquido descendente ao longo da torre. Dependendo do tipo de interno da coluna, o contato entre a fase líquida e vapor poderá atingir níveis que melhorarão as condições da separação desejada. 2 – Condensador: Tem como finalidade proceder à condensação dos vapores leves que atingem o topo da coluna. Após a condensação, tem-se o produto destilado desejado com a composição especificada. O processo requer, portanto, dois trocadores de calor, ambos de mudança de fase, refervedor procedendo à vaporização e o condensador efetuando a condensação das frações. Em alguns projetos, o refervedor poderá ser substituído por uma injeção de vapor d’água no fundo da coluna de destilação. 3- Torres de destilação: Na coluna, há o contato entre as fases líquidas e vapor. O problema resumese em contato perfeito entre as fases, e consequentemente, a altura da torre deve ser adequada ao tipo de separação que se deseja. A cada mistura corresponderá uma altura definida de coluna, que poderá ser perfeitamente calculada para a separação desejada. Existem três tipos convencionais de colunas de destilação: colunas com pratos e borbulhadores, colunas com pratos perfurados e colunas com recheios. Todas funcionam com o mesmo princípio, ou seja, promover de forma mais perfeita possível o contato entre as fases líquido e vapor. ef i c e R s

3.9 Contato gás-líquido u p m a C | l

Durante muitos anos os pratos com borbul hadores foram os mais usados nas colunas de ai rt s

destilação e absorção. O borbulhador (Figura 5) é projetado de modo a dispersar a fase gasosa em u d nI

bolhas finas no seio do líquido. Ele também impede que o líquido desça pelas passagens do gás a ic

quando este flui a velocidade baixa. Os borbulhadores são construídos em muitos formatos e mí u Q

tamanhos. m e o ci n c é T o sr u C | si ai rt s u d nI s ai r át i n U s e

Figura 5. Prato borbulhado. ( Fonte: http://www.euroslotkdss.com/mtri/tower-internals/distillation-trays.html) õ ç ar e p O

18

[Operações Unitárias] Márcio Vilar e Lourinaldo Jr. Na Figura 6 aparece uma configuração de fluxo típica numa coluna com borbulhadores. O líquido escoa transversalmente nos pratos e passa, pela tomada descendente, para o prato inferior. O gás flui ascendentemente através do borbulhador, em contato com o líquido. Na

Figura

7

aparece

um

prato

com

borbulhadores. As colunas com borbulhadores podem ser operadas num amplo intervalo de velocidades de escoamento, com elevadas eficiências de estágio. A quantidade de líquido que flui pelas passagens do gás é pequena, e pode-se manter num nível desejado a altura do líquido em cada prato. Por isso, o contato gáslíquido é bom, numa ampla faixa de taxas de escoamento e mantêm-se relativamente constante as eficiências de estágio. Em virtude de serem relativamente caros, os pratos com borbulhadores cederam lugar a tipos mais modernos de bandeja, que são descritos a seguir. Nos anos recentes, os pratos perfurados tornaram-se muito populares graças à simplicidade e ao baixo custo. O tipo mais comum desta peça de equipamento é a bandeja perfurada , conforme exemplo a fluxo cruzado que aparece na Figura 8. Outro tipo, com outra configuração de fluxo, é o que está na

ef i c e

Figura 6. Prato com borbulhadores, a fluxo cruzado, para contato de duas fases fluídas. O gás está indicado nas setas finas, enquanto que o líquido é representado pelas setas cheias. (Fonte: R s u p m a C | l ai rt s

Operaciones Unitarias en ingineria química; McCabe, W.L., Smith, J.C., Harriott, P., 4a edição, McGraw Hill, 1998.) u d nI a ci

Figura 9. De acordo com o nome, a bandeja perfurada é uma chapa metálica provida com centenas de mí u Q

orifícios circulares. O diâmetro destes orifícios é, usualmente, de 1/8 a ½ in (0,3 a 1,2 cm). O líquido m e

escoa sobre a chapa e as bolhas atravessam o líquido ascendendo nele, depois de passar pelos orifícios. o ci n c

Quando a velocidade do gás é demasiadamente grande, o escoamento do líquido através das é T

perfurações é obstado pelo gás. Nas baixas velocidades de gás ocorre um sério vazamento que pode

os

reduzir de forma significativa a eficiência do estágio. No projeto do equipamento esta é uma limitação

C

dos pratos perfurados que deve ser cuidadosamente analisada.

ai

r u | si rt s u d nI s ai r tái n U s e õ ç ar e p O

19



Figura 7. Prato com borbulhadores e fluxo cruzado. (Fonte: Operaciones Unitarias en ingineria química; McCabe, W.L., Smith, J.C., Harriott, P., 4a edição, McGraw Hill, 1998.)

ef i c e R s u p m a C | l ai rt s u d nI a ic mí u Q m

Figura 8. Bandeja perfurada com fluxo cruzado. (Fonte:

e o

http://www.chemprocess.com.br/convencionais.html) ci n c é T

Uma modificação mais moderna dos pratos perfurados simples é a bandeja valvul ada . As

o

perfurações numa bandeja valvulada são cobertas por opérculos móveis, conforme os que aparecem na

C

Figura 10. Os opérculos são levantados pelo gás que flui para cima através das perfurações, e

ai

sr u | si rt s u

abaixam-se sobre o orifício quando a velocidade do gás diminui. Desta forma reduzem-se o vazamento d nI

do líquido a baixas pressões. Além disso, as válvulas direcionam o gás horizontalmente no liquido,

s

proporcionando misturação mais completa que nos pratos perfurados simples, onde o gás passa

i

ai r át n U

verticalmente pela camada líquida. As perfurações nas bandejas valvuladas são, frequentemente,

s

maiores que nos pratos perfurados simples.

ar

e õ ç e p O

20

[Operações Unitárias] Márcio Vilar e Lourinaldo Jr. As bandejas valvuladas podem operar num intervalo de velocidades de escoamento mais amplo que nos pratos perfurados. O custo destas bandejas fica entre o dos pratos com perfurações simples e o das bandejas com borbulhadores. As eficiências de estágio são elevadas e, num amplo intervalo de velocidades do gás, são quase constantes. Em muitas aplicações os pratos com borbulhadores foram substituídos pelas bandejas perfuradas ou pelas valvuladas. Alternativamente, o contato entre as fases líquida e vapor pode ser estabelecido através de colu nas com r echeio . Neste tipo de coluna, os pratos ou bandejas são substituídos por corpos sólidos com formatos definidos. A finalidade do recheio é provocar o contato das fases líquido-vapor. Os corpos do recheio devem ser de alta resistência à corrosão, razão pela qual são, geralmente, de cerâmica ou de aço inoxidável. Dependendo da temperatura do processo pode-se utilizar também recheios plásticos de alta resistência. Existem três tipos de recheios: sólidos quebrados, grades e os enchimentos com forma definida (anéis, cilindros, cubos, ef i

esferas, etc.). Os sólidos quebrados, apesar de serem mais baratos c e R

e muitas vezes resistirem bem à corrosão, obviamente não s u p

alcançam a mesma eficiência que os enchimentos com forma m a C |

definida em relação ao fluxo de líquido, nem quanto à superfície

Figura 9. Bandeja com prato perfurado e vertedor circulr para o contato de duas fases fluidas. (Fonte: Operaciones Unitarias en ingineria química; McCabe, W.L., Smith, J.C., Harriott, P., 4 a edição, McGraw Hill, 1998.)

l ai rt s

específica disponível para a transferência. O enchimento deve u d nI

ser tão uniforme quanto possível, de modo a formar um leito a ci

com características e porosidade uniformes. mí u Q m e o ci n c é T os r u C | si ai rt s u d nI s ai r tái n U s

Figura 10. Bandeja valvulada (Fonte: http://www.euroslotkdss.com/mtri/tower-internals/distillation-trays.html) e õ ç ar e p O

21



Um bom recheio deve possuir as seguintes características: 

Apresentar grande superfície de interface entre líquido e vapor



Ser quimicamente inerte para os fluidos processados



Possuir boa resistência mecânica, a fim de evitar quebras



Ser de baixo custo

Os recheios são divididos em dois grupos: estruturados e randômicos (aleatórios). A) Recheios estruturados - São montados no interior da coluna em blocos, formados por estruturas de chapas, às vezes corrugadas e perfuradas, dobradas e montadas, encaixadas em diferentes geometrias complexas. Podem ser encontrados em diversos materiais metálicos e não-metálicos (Figura 11).

ef i c e R s u p

Figura 11. Recheio estruturado . (Fonte: www.cimm.com.br) m a C | l ai rt s

B) Recheios randômicos - São peças de diversas geometrias, das mais simples até as mais u d nI

complexas, como as em forma de anéis lisos ou recortados, selas, brita, malhas e telas etc. As peças a ic mí

são colocadas na seção a ser recheada de maneira aleatória até que a seção esteja cheia. Podem ser u Q

também metálicos e não-metálicos (inclusive cerâmicos) (Figura 12). m e o ci n c é T o sr u C | si ai rt s u d nI s ai r át i n U s e õ ç ar e p O

22


ef i

Figura 12. Tipos de enchimento para colunas de recheio.

c e R

(Fonte: Barcza, M. V., Processos Unitários s

Orgânicos, Escola de Engenharia de Lorena) u p m a

As torres que utilizam recheios são muito competitivas com as torres que contêm pratos com C | l ai

borbulhadores ou pratos perfurados e apresentam ainda algumas vantagens, tais como: rt s u

a) Geralmente são projetos mais econômicos, por serem mais simplificados; d nI a

b) Apresentam pequena perda de carga; ci mí

c) Não estão sujeitas às formações de espuma. u Q m e o ci

Os recheios são disponibilizados em seções, sobre suportes de sustentação, o que impede n c é

uma compactação e/ou uma descompactação localizada, que formaria caminhos preferenciais ao longo T os r

da coluna (Figura 13). u C | si ai rt s u d nI s ai r tái n U s e õ ç ar e p O

23



Figura 13. Suporte para recheios (Fonte: www.chemprocess.com.br) 3.10 Fatores influentes O projeto de colunas de destilação envolve problemas relativamente complexos de mecânica dos fluidos. Neste sentido, vamos dar aqui apenas um resumo simplificado dos problemas que corriqueiramente são observados nos projetos de engenharia. O diâmetro do prato é determinado primordialmente pelo volume da fase gasosa que passa ef

pela torre. Não é desejável ter o gás a uma velocidade muito alta, ao passar pelos pratos, pois isto

e

i c R s u

provoca uma queda também alta de pressão. Esta queda de pressão pode impor maior distância entre p m a

os prato a fim de se ter uma pressão hidrostática suficiente para o líquido escoar de um prato para o C | l ai

outro. A queda de pressão da fase gasosa deve ter valores especialmente baixos nas colunas que rt s u d

operam a vácuo. nI a

O escoamento de líquidos sobre um prato deve proporcionar uma profundidade suficiente para ic mí u

a cobertura adequada dos canais de gás, em todas as velocidades do gás. Isto pode exigir Q m

configurações complicadas do escoamento, com diversas entradas e saídas nos pratos de grandes e o ci

dimensões. A profundidade do líquido, por sua vez, é governada pela taxa de escoamento do líquido e n c é T

pela altura do vertedor de saída. A queda de pressão na fase gasosa depende também da altura do o sr

líquido sobre os canais do gás. Por isso, a altura do líquido deve ser conveniente para cobrir os canais u C | si

– mas não pode ser excessiva, pois pode provocar uma perda excessiva de pressão. ai rt s

O arraste é o transporte de um prato inferior para o superior, de gotículas de líquido pela fase u d nI

gasosa. Este transporte é indesejável pois abaixa efetivamente a eficiência de estágio. O arraste ocorre s ai r

em velocidades elevadas de escoamento; por isso o diâmetro da coluna deve ser ajustado para dar uma át i n

velocidade de gás que torne mínimo o arraste. O arraste abaixa a eficiência de estágio e assim acarreta U s e õ

a exigência de estágios adicionais, para ter a separação desejada. É possível que para se evitar o arraste ç ar e p O

24

[Operações Unitárias] Márcio Vilar e Lourinaldo Jr. se tenha que ter uma coluna de diâmetro maior. Por isso, é necessário fazer um balanço econômico ao se determinar o grau de arraste que deve ser eliminado. Embora a formação de espuma num prato proporcione maior área superficial de contato gáslíquido e por isso taxas de transferência de massa mais elevadas, o espumejamento excessivo encherá com a espuma o espaço entre os pratos e acarretará um arraste muito grande. A inundação da coluna ocorre quando há arraste excessivo ou quando há acúmulo demasiado de líquido no vertedor descendente. A inundação e´o resultado de se tentar fazer passar ou muito gás ou muito líquido através da coluna. Um ponto fundamental ao se escolher o diâmetro da coluna é o de evitar a inundação. O espaçamento entre os pratos deve ser suficiente para que acima da espuma no líquido haja um espaço livre, de modo a minimizar-se o arraste. Nas colunas grandes, o espaçamento deve ser pelo menos 0,6 m, para permitir que o pessoal da manutenção opere entre as bandejas. Um espaçamento menor leva a uma coluna mais curta, mais baixa, mas leva também a um arraste que força a adição de mais pratos e ao aumento da altura e do custo da coluna.

Referências 1. Felder, R. M, Rousseau, R. W., Princípios Elementares dos Processos Químicos, LTC, 3a Ed., 2005. 2. McCabe, W.L., Smith, J.C., Harriott, P., Operaciones Unitarias en ingineria química; 4 a edição, McGraw Hill, 1998 ef i c e

3. Alberto Colli Badino e Antônio José Gonçalves Cruz, Fundamentos de Balanços de Massa e R s u p

Energia – um texto básico para análise de processos químicos, EdUFSCAR, 2010. m a C

4. Foust, A.S., Wenzel, L.A., Clump, C.W., Maus, L., Andersen, L.B., Princípio das Operações | l ai rt

a

Unitárias, LTC, 2 Ed., 1982. s u d

5. Barcza, M. V., Processos Unitários Orgânicos, Escola de Engenharia de Lorena. nI a ci mí u Q m e o ci n c é T os r u C | si ai rt s u d nI s ai r tái n U s e õ ç ar e p O

25



CAPÍTULO 4 ABSORÇÃO


26

[Operações Unitárias] Márcio Vilar e Lourinaldo Jr. 4.1 Introdução A absorção de gases (designada em língua inglesa por “Gas Absorption” ou ainda por “Scrubbing ”) é um processo com o qual se pretende remover preferencialmente um ou mais

componentes de uma mistura gasosa por contato com uma corrente líquida onde esses componentes se dissolvem. A operação inversa chama-se Desabsorção ou Esgotamento (“ Desorption” ou “Stripping ”), na qual um componente dissolvido num líquido passa para a fase gasosa. Embora a transferência de massa ocorra em direções opostas, os princípios físicos associados tanto à Absorção como ao Esgotamento são os mesmos. O componente transferido de uma fase para outra é designado por Soluto, a corrente gasosa é composta pelo gás soluto e o Gás de Transporte (ou inerte), e a corrente líquida é constituída pelo Solvente e o soluto. Os processos de Absorção e Esgotamento são muito usados para produção, separação e purificação de misturas gasosas e concentração de gases, na produção de ácidos (sulfúrico, clorídrico, nítrico e fosfórico), de amoníaco, de amónia, de formaldeído, de carbonato de sódio, no tratamento de gases de combustão do carvão e de refinarias do petróleo, na remoção de compostos tóxicos ou de odor desagradável (como o gás H2S), na purificação de gases industriais e na separação de hidrocarbonetos gasosos. Para regenerar o solvente, ou para obter a corrente gasosa na sua forma pura, pode elevar-se a temperatura ou pode usar-se vapor de água numa coluna de esgotamento, também designada coluna regeneradora (Fig. 14). ef i c e R s u p m a C | l ai rt s u d nI a ci mí u Q m e o ci n c é T os r u C | si ai rt s

Figura 14. Absorção seguida de esgotamento para regeneração do solvente. ( Fonte:

u

http://labvirtual.eq.uc.pt ) s

d nI ai r tái n U s e õ ç ar e p O

27



4.2 Seleção do Solvente O processo de Absorção/Esgotamento é um processo de transferência de massa que explora diferenças na solubilidade gás/líquido dos diferentes componentes de uma mistura que se pretende tratar. Por isso, um dos pontos críticos para se obter uma eficiente separação é a escolha do solvente (no caso da absorção) ou do gás de transporte (no caso da esgotamento) a usar. Se o objetivo principal for a produção de um composto específico, a seleção do solvente é restringida pela natureza do produto. No caso da remoção de impurezas de um gás, há maior liberdade de escolha. Um dos fatores a considerar na escolha de um solvente é a solubilidade do soluto, devendo esta ser elevada para se obter uma maior velocidade de absorção e para necessitar de menor quantidade de líquido. Um outro fator é a natureza química do soluto e do solvente que devem ser semelhantes para aumentar a solubilidade. O solvente pode ser um líquido não reativo e a solubilização do soluto é apenas um processo físico (forças de interação de Van der Waals), ou pode ser um líquido que produz uma reação rápida com o soluto o que faz aumentar a velocidade de absorção e a quantidade a ser absorvida. Este último tipo de solvente químico é usado, em geral, quando o soluto se encontra em baixas concentrações pois é um processo mais seletivo (maior solubilidade do soluto), mas a reação deve ser reversível para que o soluto seja removido numa segunda coluna e não sejam produzidas grandes quantidades de resíduos. Um solvente reativo é também usado quando se pretende converter um composto perigoso num composto mais inócuo. A capacidade que um solvente tem de absorver um soluto gasoso A é função da sua pressão

ef

parcial CA=f(pA), sendo CA a concentração na fase líquida. Por isso, a absorção física é mais indicada

R

i c e s u

para misturas mais concentradas (>pA). Esta relação funcional depende da temperatura e do tipo de

p

solvente. Em geral, a solubilidade do gás diminui com a temperatura. Como exemplos, pode usar-se

C

solventes físicos como o etilenoglicol ou o carbonato de propileno para remover tanto o gás H2S como

rt

m a | l ai s u d

o CO2 de correntes gasosas mais concentradas (~10 a ~50%), e, para concentrações mais baixas destes nI a ic

(~1 a ~10%, nomeadamente em gases de combustão), usar-se soluções aquosas de alcanolaminas mí u

(como a monoetanolamina, MEA, dietanolamina, DEA, ou a trietanolamina, TEA) que reagem Q m e

reversivelmente com estes compostos. A regeneração pode ser feita por diminuição de pressão, no o ci n

primeiro caso, ou por aumento de temperatura (para que o soluto vaporize) no segundo caso, c é T

originando, no entanto, maiores gastos energéticos. Se apenas houver quantidades vestigiais de H2S ou o sr u

CO2, pode usar-se NaOH, que reage irreversivelmente. Na produção de amónia, por exemplo, uma C | si

corrente gasosa contendo ar e amoníaco é colocada em contato com água onde o amoníaco é ai rt s

preferencialmente absorvido, uma vez que o ar é muito pouco solúvel em água. No controlo da u d nI

poluição os vários óxidos de azoto podem ser removidos por absorção com água, ácido sulfúrico ou s ai r át

soluções orgânicas. i n U

O solvente também deve ter baixa pressão de vapor (baixa volatilidade) para reduzir a perda s e õ ç

de solvente para a corrente gasosa. Além disso, deve ter baixa viscosidade para a velocidade de ar e p O

28

[Operações Unitárias] Márcio Vilar e Lourinaldo Jr. absorção e a transferência de calor serem elevadas e os custos de bombagem serem baixos. Por fim, o solvente deve ser barato e acessível, não tóxico, não inflamável, estável quimicamente e não corrosivo para não encarecer o material de construção do equipamento. A maioria dos solventes físicos são solventes orgânicos com elevado ponto de ebulição e baixa pressão de vapor, baixa viscosidade e não corrosivos em contato com metais comuns. O processo de absorção é, em geral, exotérmico, sendo acompanhado pela libertação de calor. Neste capítulo será apenas abordado o caso da absorção/esgotamento de apenas um componente, considerando-se que os outros gases não são solúveis no líquido (inertes) e que o líquido não é volátil. Além disso, só se abordará a absorção física e isotérmica.

4.3 Equipamento A velocidade de transferência de massa depende da área de transferência, da driving-force, e do coeficiente de transferência de massa. A área para transferência de massa, ou área de contato gás/líquido, pode ser aumentada por divisão das correntes líquida e/ou gasosa em pequenas porções. Isto é efetuado com recurso à passagem de gás pelos espaços vazios de um leito poroso cheio de material inerte (o enchimento), o qual está banhado de líquido, ou ainda à utilização de pratos com orifícios por onde passam pequenas bolhas de gás que estabelecem contato com a corrente líquida no topo do prato. Assim, este Processo ef

de Separação é comum ser efetuado em colunas cilíndricas verticais (ou torres). O enchimento pode i c e

ter diversas configurações, como tratado no capítulo anterior, e os pratos podem ser de vários tipos: R s u p

perfurados, de campânula, de válvulas, etc. m a C

Como se pode concluir pela análise do equipamento ilustrado na Figura 15 o processo é | l ai

influenciado pela mecânica dos fluidos, sendo o escoamento complexo e descrito largamente por rt s u d

correlações empíricas. A escolha do equipamento depende do caudal de gás a tratar, do grau de nI a ci

separação a obter, da razão entre os caudais de líquido e de gás, da facilidade da remoção de calor, da mí u

simplicidade de construção, da resistência hidráulica, da impureza dos fluidos, das propriedades físicas Q m

do sistema e da sua corrosividade. Para além destes fatores, as colunas com enchimento permitem e o ci

operar tanto em contra-corrente como em co-corrente, enquanto nas de pratos só é possível operar em n c é T

contra-corrente (fluxos de gás e de líquido em direções opostas). Contudo, é esta última condição de os r u

operação que permite maiores driving-forces. De forma resumida adianta-se que a diferença de custo C |

entre as colunas de pratos e de enchimento não é grande embora as últimas sejam mais car as. Estas são

si

escolhidas quando o diâmetro é inferior a 0,6 m e quando é necessário menor queda de pressão ou

s

ai rt u d nI

maior variedade de materiais de construção. As primeiras são escolhidas quando não se tem de usar s ai r tái

caudais de líquidos baixos e permitem maiores tempos de residência do líquido, controle de n U s e õ ç ar e p O

29



temperatura (pelo uso de serpentinas) e são mais fáceis de limpar. Como regra, a coluna de pratos deve ser escolhida quando o diâmetro é elevado e quando é necessário mais de 20 andares.

ef

Figura 15. Coluna com enchimento e coluna de pratos perfurados. (Fonte: http://labvirtual.eq.uc.pt) i c e R s u p m a C

Referências | l ai rt s u d nI

1. http://labvirtual.eq.uc.pt. a ic mí u Q m e o ci n c é T o sr u C | si ai rt s u d nI s ai r át i n U s e õ ç ar e p O

30


CAPÍTULO 5 EXTRAÇÃO ef i c e R s u p m a C | l ai rt s u d nI a ci mí u Q m e o ci n c é T os r u C | si ai rt s u d nI s ai r tái n U s e õ ç ar e p O

31



5.1 Fundamentos A Operação de Extração é também uma operação de separação/purificação muito comum a nível industrial. Na extração, a separação do soluto da mistura de alimentação é promovida pela adição de outro composto (um terceiro composto no caso da alimentação ser uma mistura binária), o qual designamos por solvente. O conceito de extração aplica-se quer a alimentações (misturas) sólidas, quer líquidas, às quais se pretende retirar o soluto, seja para o obter num estado mais puro por constituir o produto objeto do processo, seja por corresponder a uma impureza da alimentação que é necessário eliminar. Neste capítulo trataremos exclusivamente da extração líquido/líquido (alimentação líquida). Se a alimentação for uma mistura sólida o processo designa-se por lexiviação (leaching ) ou extração sólido/líquido. Contudo, os mecanismos físico/químicos subjacentes são iguais nos dois casos. A extração (líquido/líquido e sólido/líquido) é muito comum no tratamento de minérios mas também na indústria alimentar, farmacêutica e de cosmética e na produção de óleos essenciais, assim como na purificação de correntes efluentes com vista a retirar contaminantes indesejados e tóxicos, que já existem em muito pequena quantidade, como por exemplo na remoção do fenol na produção de policarbonato. Na Extração Líquido/Líquido a separação está relacionada com a distribuição diferenciada do soluto pelas duas fases imiscíveis (ou parcialmente miscíveis) em contato. A alimentação líquida é ef i

misturada com o solvente da extração e o soluto dessa alimentação vai distribuir-se de forma desigual c e R s

entre o solvente que se adicionou e o diluente da alimentação, passando, preferencialmente, para o u p m

novo solvente que se adicionou. Solvente e diluente devem ser o mais imiscível possível (total ou a C | l

parcialmente imiscíveis). A transferência de massa do soluto deve dar-se da solução de alimentação ai rt s

para a fase do solvente. u d nI

É possível estabelecer um paralelismo entre Extração Líquido/Líquido e Destilação. Em a ic

ambos os casos o soluto passa da fase de alimentação (corrente líquida) para a outra fase que se mí u

adiciona ou forma no processo (líquido ou vapor, respectivamente). O agente da separação na extração

Q

é o novo líquido/solvente que se adiciona, enquanto que na destilação é o calor que se fornece ao

o

processo, o qual dá origem a uma nova fase, desta vez vapor. Assim, a extração é, normalmente, uma

c

m e ci n é T

operação isotérmica enquanto na destilação existe, necessariamente, variação de temperatura ao longo

o

do processo.

C

sr u | si ai rt s u d nI s ai r át i n U s e õ ç ar e p O

32

[Operações Unitárias] Márcio Vilar e Lourinaldo Jr. Tabela 3: Comparação Extração/Destilação. Extração

Destilação

1. Extração é a Operação Unitária na qual os constituintes

1. Os constituintes da mistura líquida são

da mistura líquida são separados através da adição de

separados pela adição de calor.

um solvente líquido insolúvel. 2. A Extração usa a diferença de solubilidades dos

2. A Destilação usa a diferença de pressão de

componentes para conseguir a separação

vapor dos componentes para conseguir a separação

3. A Selectividade é uma medida da facilidade da

3. A Volatilidade é uma medida da facilidade da

separação.

separação.

4. Obtém-se uma nova fase líquida insolúvel por adição

4. Forma-se uma nova fase por adição de calor.

do solvente à mistura líquida inicial. 5. As fases são mais difíceis de misturar e separar.

5. A mistura e separação das fases é fácil.

6. A extração não fornece produtos puros e requer outros

6. Fornece produtos praticamente puros.

tratamentos posteriores. 7. Oferece maior flexibilidade na selecção das condições

7. Menor flexibilidade na selecção das condições

operatórias.

operatórias.

8. Requer energia mecânica para a mist ura e a

8. Requer energia térmica.

separação. 9. Não precisa de sistemas de aquecimento ou

9. Precisa de sistemas de aquecimento e

arrefecimento.

arrefecimento.

10. Normalmente é a segunda escolha para a separação

10. Normalmente é a primeira escolha para a

dos componentes de uma mistura líquida.

separação dos componentes de uma mist ura ef

líquida i c e R s

Quando, para tratar uma dada mistura, tanto a destilação como a extração são opções viáveis, a u p m a

escolha recai, normalmente, sobre a destilação. Se é certo que a destilação é energeticamente mais C | l

exigente, também é certo que, normalmente, a extração sozinha não resolve o problema tendo de ser ai rt s u

seguida de uma destilação para separar o soluto do novo solvente onde está dissolvido, dado que a d nI

extração não conduz, por norma, a produtos muito concentrados. a ci

A extração é normalmente escolhida quando a separação por destilação da corrente original é

mí

difícil (caso das misturas azeotrópicas ou de volatilidade relativa próxima da unidade). Outra situação m

u Q e o

onde faz sentido recorrer à extração é no tratamento de misturas aquosas pouco concentradas. Extraici n c é

se o soluto com um solvente volátil e destila-se, posteriormente, a fase do solvente, com custos T os r

energéticos substancialmente mais baixos. u C |

Na extração líquido/líquido a alimentação que contém o Soluto (composto C) a extrair é si ai rt

misturada com o Solvente do processo (composto B) o qual deve ser o mais imiscível possível com s u d nI

o Diluente (composto A) da alimentação. Em resultado deste processo produzem-se duas fases, uma s ai

rica no solvente B (Extrato) e outra rica no diluente A (Resíduo ou Refinado). O solvente que se r tái n

seleciona para o processo de extração deve ter grande afinidade com o soluto C, de tal modo que, no U s e

processo de mistura, a transferência de massa ocorra no sentido dos extratos, ou seja o soluto fique õ ç ar e p O

33



preferencialmente retido na fase do solvente B. De seguida há que deixar repousar a mistura por forma a ser possível separar as duas fases praticamente imiscíveis (as quais devem ter densidades diferentes) produzindo-se finalmente o extrato e o resíduo. Para projetar o equipamento de extração recorre-se também, normalmente, ao conceito de Andar em Equilíbrio e, assim, supõe-se que o extrato e o resíduo resultantes de cada unidade de mistura estão em equilíbrio. Isso é o que está esquematizado na Figura 16, onde também se mostra um esquema do sistema físico onde se pode conduzir o processo de extração: um sistema de Misturador seguido de um Decantador.

ef i c e R s u p m a C | l ai rt

Figura 16. Andar em equilíbrio num processo de extração líquido/líquido. (Fonte: http://labvirtual.eq.uc.pt) s u d nI a ic

Para melhorar a recuperação do soluto no extrato e a eficiência global do processo, a extração mí u

pode decorrer em vários andares em equilíbrio como esquematizado na Figura 17. O esquema da Q m e

Figura 17 corresponde a um Processo em Contra-Corrente. Na extração não se usam, normalmente o ci

operações em co-corrente pois nesse caso a driving-force fica muito pequena no final do processo. No n c é

caso da extração em contra-corrente a driving-force para a transferência de massa (diferença de

T

concentração entre as duas fases) mantém-se praticamente constante ao longo de todo o processo.

u

o sr C | si ai rt s u d nI s ai r át i n U s e õ ç ar e p O

34


Figura 17. Extração em contra-corrente. (Fonte: http://labvirtual.eq.uc.pt) Em alternativa, usa-se frequentemente em extração a Operação em Corrente Cruzada (como esquematizado na Figura 18), embora neste caso os gastos com solvente sejam mais elevados. A operação

em

corrente cruzada, implementada através de uma série ef i c

de Misturadores/ e R

Decantadores (Fi

s

gura 18) usa-se,

m

normalmente, em

l

u p a C | ai rt s

unidades de baixa capacidade por

u d nI

que, a ci mí

serem u Q

multiprodutos, m e o

precisam de ser ci n c

mais flexíveis. é T os r u C | si ai rt s u d nI s ai

Figura 18. Extração em corrente cruzada. (Fonte: http://labvirtual.eq.uc.pt) r tái n U s e õ ç ar e p O

35



5.2 Seleção de Solvente O solvente ideal para um processo de extração é aquele que tem uma grande afinidade para o soluto e que é totalmente imiscível com o diluente da alimentação. O solvente ideal é normalmente inatingível. Uma vez identificado o grupo funcional com afinidade química para o a pré-seleção dos solventes possíveis é, normalmente, feita em laboratório, para se avaliar melhor o desempenho dos vários solventes. Os parâmetros a ter em conta são: 

Seletividade – afinidade para o soluto C e não para o diluente A. Se a seletividade for 1 não haverá separação.



Imiscibilidade com o diluente A (deve ser o mais elevada possível). A imiscibilidade de A e B facilita a separação das fases.



Densidade – quanto maior a diferença de densidade entre solvente e diluente, mais fácil a separação das fases.



Facilidade de recuperação do solvente – o solvente tem, em geral, de ser posteriormente recuperado do extrato para reutilização, e também para se obter o soluto com um grau de pureza mais elevado. Esta recuperação é, normalmente, efetuada por destilação. Assim, por esta razão, há que ter também em conta os seguintes parâmetros relativos ao solvente: volatilidade relativa solvente/soluto (tão alta quanto possível); temperatura de ebulição do ef i

solvente (tão baixa quanto possível para minimizar os custos energéticos da destilação); não c e R s

deve haver formação de azeótropos com o soluto. 

u p m

Outras propriedades a ter em conta – viscosidade, tensão superficial, estabilidade química, a C | l

reatividade (não pode reagir com o diluente da alimentação), toxicidade e, finalmente o custo. ai rt s u d nI

5.3 Equipamentos de Extração a ic mí u Q

Misturadores-Decantadores m e o ci n c

O equipamento clássico de extração são os Misturadores-Decantadores. Podemos ter séries de é T

misturadores-decantadores operando em corrente cruzada ou contra-corrente, os quais consistem em

o

tanques de agitação seguidos de tanques de decantação. No caso dos processos descontínuos, as duas

C

sr u | si ai

etapas podem ocorrer no mesmo tanque. Este tipo de equipamento é usado quando o número de rt s u d

andares requerido para a separação é pequeno. Cada conjunto misturador-decantador corresponde a nI s ai

um andar do processo. Estes equipamentos são equipamentos de grande porte e, como tal, o número de r át i

unidades não pode ser muito elevado. Permitem tempos de residência elevados, assim como tratar n U s

caudais apreciáveis. e õ ç ar e p O

36

[Operações Unitárias] Márcio Vilar e Lourinaldo Jr. A intensidade de mistura requerida depende de várias variáveis como seja a viscosidade, tensão superficial e diferença de densidade das fases em contato. Uma taxa baixa de mistura dá origem a gotas grandes e, como tal, diminui a área interfacial dificultando a extração. Mistura muito intensa conduz à formação de gotas muito pequenas o que facilita a transferência de massa mas dificulta a decantação. O objetivo do equipamento de extração é misturar as duas fases, formar e manter as gotas da fase dispersa e, subsequentemente, separar as duas fases. Na extração o equilíbrio é controlado pelo tamanho da maior gota no equipamento, enquanto que a decantação é controlada pelo tamanho da menor gota.

Colunas de Extração Quando o número de andares requerido é muito elevado a extracção tem de ser conduzida em colunas de extração. Estas colunas podem ser estáticas ou agitadas. As Colunas Estáticas podem ser de: 

Pratos



Enchimento



Spray ef i c e R

As Colunas Agitadas podem ser de: 

Discos rotativos



Pulsantes

s u p m a C | l ai rt s u d

As colunas de extração são sempre em contra-corrente. As Colunas Estáticas dependem

nI

dos Internals para criar turbulência, formar as gotas e promover a transferência de massa. Assim, mí

a ci u Q

existe um valor mínimo para o caudal da fase dispersa. As Colunas Agitadas permitem maior m e

flexibilidade. o ci n c

Um outro tipo de equipamento de são os Extratores Centrífugos os quais utilizam a força é T

centrífuga para facilitar quer a mistura quer a separação das fases (a transferência de massa aumenta).

os

Nestes extratores o tempo de residência é normalmente baixo e o número de andares teóricos anda à

C

volta de um. Este tipo de extrator é muito usado na indústria farmacêutica. A Tabela seguinte resume

ai

r u | si rt s u

as características dos diferentes tipos de equipamento. d nI s ai r tái n U s e õ ç ar e p O

37



Tabela 3: Características do equipamento de extração. Propriedade

Misturador/

Extrator Centrífugo

Decantador

Colunas

Colunas

Estáticas

Agitadas

Nº de andares

baixo

baixo

moderado

elevado

Caudal

elevado

baixo

moderado

moderado

Tempo de residência

muito elevado

muito baixo

moderado

moderado

Tensão interfacial

moderada a alta

baixa a moderada

baixa

a

moderada a alta

a

baixa a elevada

a

baixa a elevada

moderada Viscosidade

baixa a elevada

baixa a moderada

baixa moderada

Diferença de densidades

baixa a elevada

baixa a moderada

baixa moderada

Espaço ocupado

elevado

moderado

baixo

baixo

Em baixo apresentam-se, esquematicamente, os vários tipos de equipamento de extração (o misturador decantador foi já apresentado na Figura 16)


38


ef i c e R s u p m a C | l ai rt s u d nI a ci mí u Q m e o ci n c é T os r u C | si ai rt s u d nI s ai r tái n U s e õ ç ar e p O

39

Operações Unitárias - CAP 1 A 5

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