Universidade Federal de São Carlos

Centro de Ciências Exatas e de Tecnologia

Departamento de Engenharia Química

Laboratório de Operações Unitárias

Extração Líquido-Líquido

São Carlos

2010

Objetivo:

O objetivo deste experimento foi a análise dos modelos termodinâmicos UNIQUAC e NRTL, através da construção da curva binodal, e da análise da inclinação da linha de equilíbrio formada, de uma mistura binária contendo água, acetato de etila e etanol.

Introdução:

Extração líquido-líquido, também conhecido como extração por solvente e partição, é um método utilizado para separar compostos baseado em suas diferentes solubilidades em dois líquidos diferentes imiscíveis, normalmente água e um solvente orgânico. A extração é um método de separação que requer a introdução do solvente na separação dos componentes da mistura.

Duas misturas líquidas miscíveis são efluentes do processo: uma rica em solvente e contendo parte do soluto, denominada extrato; a outra contendo o restante da carga e parte do solvente, denominado refinado.

Em outras palavras, é a separação de uma substância de uma mistura por preferencialmente dissolver esta substância em um solvente adequado. Por este processo, um composto solúvel é normalmente separado de um composto insolúvel. Extração de solvente é utilizado no reprocessamento nuclear, processamento de minérios, a produção de compostos orgânicos finos, o processamento de perfumes e outras industrias.

Figura 1. Formação de uma mistura binária para extração líquido-líquido.

Materiais Utilizados:

Reagentes:

- Água destilada;

- Álcool etílico;

- Acetato de etila;

Equipamentos Utilizados:

- Béqueres de 250 ml cada;

- Pipeta graduada;

- Balança analítica;

- Misturador;

- Cromatográfico Gasoso.

Cromatográfico Gasoso:

A cromatografia gasosa (CG) ou cromatografia gás-líquido (CGL), é um tipo comum de cromatografia usada em química orgânica para separação de compostos que podem ser vaporizados sem decomposição.

Em cromatografia gasosa, a fase móvel é um gás transportador, normalmente um gás inerte tal como hélio ou um gás não reativo tal como o nitrogênio. A fase estacionária é uma camada microscópica de líquido ou polímero sobre um sólido inerte, dentro de uma peça tubular de vidro ou metal chamada coluna. O instrumento usado para realizar a cromatografia gasosa é chamado cromatográfico gasoso.

No cromatográfico gasoso, um volume de analito líquido ou gasoso é injetado na entrada da coluna, geralmente com o uso de uma micro seringa. Conforme o gás carreador leva as moléculas do analito através da coluna, essa movimentação é inibida pela adsorção das moléculas do analito das paredes da coluna ou no material do empacotamento da mesma. Uma vez que cada tipo de molécula tem uma taxa de progressão diferente, os vários componentes da mistura de analito são separados conforme progridem ao longo da coluna, chegado ao fim dela em momentos diferentes. Assim, o momento em que cada componente sai da coluna, e a quantidade deles, pode ser determinada.

Figura 2. Ilustração de um cromatográfico gasoso

Procedimento Experimental:

Em um béquer de 250,0 ml preparou-se uma solução contendo 36 g de acetato de etila, 12 g de etanol e 45 g de água destilada, todos a temperatura ambiente.

Em seguida, a mistura foi colocada em um agitador de pás e deixada em agitação por cerca de 20 minutos. Após este tempo, desligou-se o sistema de agitação e então a mistura foi deixada em repouso por mais 20 minutos, para que a separação de fases ocorresse.

Com isso, verificou-se a formação de duas fases líquidas através da interfase líquido-líquido. Com a ajuda de um béquer, a fase pesada foi retirada e então devidamente pesada. O mesmo ocorreu com a fase leve. Coletou-se uma amostra de cada fase para uma futura análise cromatográfica. Os dados das massas obtidas foram entregues ao orientador.

Resultados e Discussão:

A tabela 1 apresenta os valores das massas pesadas e suas respectivas massas molares. As massas molares foram obtidas no NIST webbook .

Tabela 1: massas pesados para os componentes e suas Massas molares

Massas dos componentes (g) Massa MolarÁgua 45,17 88,11

Etanol 12,03 46,07Acetato de Etila 35,98 18,02

Total 93,18

Calculada as frações mássicas e molares elas foram dispostas na tabela 2.

Para se calcular as frações mássicas das respectivas substâncias foi utilizado a seguinte formula:

E os valores obtidos estão dispostos na tabela 2.

Tabela 2: Frações mássicas e molares das substâncias 1 e 2.S1 S2 S1 S2

Fração MássicaFração

Mássica Fração Molar Fração MolarAcetato de etila 0,749 0,000 0,884 0

Etanol 0,251 0,000 0,116 0Água 0,000 1,000 0,000 1

1 1 1 1

A partir dos dados fornecidos pela análise cromatográfica e com auxílio do software Origin

plotou-se gráficos para fase leve (Figura 4) e para fase pesada (Figura 3). Onde 1 representa Acetato

de Etila; 2 representa Etanol; 3 representa Água.

Figura 3: Análise cromatográfica da fase pesada

Figura 4: Análise cromatográfica da fase leve

As áreas sobre os picos são proporcionais as quantidades de cada substância. Relacionadas pela Equação:

Assim calculamos as frações mássicas das substâncias como mostra a tabela 3 e 4.

Tabela 3: Cálculo da fração mássica na fase LeveFração Leve

Área Medida Fator Correção Área Corrigida Fração MássicaAcetato de etila 59,379 0,79 46,910 0,789

Etanol 11,514 0,64 7,369 0,124Água 9,404 0,55 5,172 0,087

59,451 1

Tabela 4: Cálculo da fração mássica na fase PesadaFração Pesada

  Área Medida Fator Correção Área Corrigida Fração MássicaAcetato de etila 8,60098 0,79 6,795 0,101

Etanol 17,5527 0,64 11,234 0,167Água 89,5976 0,55 49,279 0,732

67,307 1

Para o cálculo do ponto de mistura foi construído um diagrama ternário com as curvas binodais de acordo com os modelos termodinâmicos utilizados foram o NRTL e UNIQUAC que levam em conta a lei dos gases ideais para a fase gasosa e a lei de Henry para fase líquida. Os diagramas estão representados pelas figuras 5 e 6.

Figura 5

Podemos observar que o modelo UNIQUAC previu bem para a curva binodal para a fase leve mas não fez uma boa previsão para a fase pesada e a linha gerada pelo pontos P e L está com uma inclinação próxima das outras tie-lines.

O ponto M experimental obtido apresenta uma composição da mistura de cerca de 42% de água, 15% de etanol e 43% de acetato de etila.

Figura 6

Podemos observar que o modelo NRTL previu bem para a curva binodal para as duas fases leve e a linha gerada pelo pontos P e L também está com uma inclinação próxima das outras tie-lines.

O ponto M experimental obtido pela ajustes nas retas da figura 6 representa uma composição da mistura de cerca de 42% de água, 16% de etanol e 42% de acetato de etila.

Projeto

Foi pedido para se projetar um tanque de mistura para processar 1 t/h de alimentação em S1. É proposto utilizar 4 bombas centrífugas pela alta vazão requerida pelo projeto e um sistema de válvulas semi-abertas para um controle melhor da vazão, caso aja no mercado uma bomba de deslocamento positivo que atenda essa alta vazão requerida no projeto esta bomba torna-se preferível por este tipo de bomba ter a característica de mover um volume fixo de líquido e assim será mais fácil de se controlar a vazão de alimentação e a composição em Sm. A figura 7 mostra um fluxograma do processo.

A mistura de S1 e S2 será feita antes do tanque e alimentação será feita no meio tanque para que não aja arraste de líquido que possa dificultar nossa transferência de massa. A retirada de L e P serão feitas na parte superior do tanque e na parte inferior respectivamente.

Calculo das vazões

Por meio de um balanço simples de massa temos que:

Temos também por meio de um balanço de massa por componente:

E assim Podemos calcular as vazões, cujos valores estão dispostos na tabela 5.

Tabela 5: Valores das Vazões em Kg/h

Vazões em Kg/hVS1 1000,00VS2 940,41VSm 1940,41VL 803,80VP 1136,61

Para transformar essas vazões em m^3/h basta multiplicar a Vazão mássica pela Fração mássica e dividir pela densidade os valores obtidos estão na tabela 6.

Tabela 6: Valores das Vazões em m^3/h

Vazões em m^3/hVS1 1,15VS2 0,95VSm 2,10VL 0,87VP 1,23

Calculo da perda de carga da bomba:

Calculada pela formula:Delta P = g . ro . delta H

Logo a perda de carga é de 7435 Pa para S2 e 6524 Pa para S1.

Dimensionando o Tanque de mistura:

Temos que o nosso tempo de residência foi de 20 min, e como:

Onde V é volume, Vv Vazão volumétrica total de entrada que é igual a VSm e t barra é o tempo de residência. Obtemos que o volume necessário é de 0,7 m^3.

Como o nosso tanque é cilíndrico e nossa altura foi definida como sendo duas vezes o diâmetro, logo o volume pode ser calculado pela formula:

Sendo assim o valor do diâmetro do tanque é de 0,76 m e a altura do tanque é de 1,52 m.

Conclusão

O Modelo NRTL se mostrou melhor por ajustar ambas as fazes P e L na curva binodal e a reta gerada pelos pontos P e L também apresentou uma inclinação parecida com as outras tie-lines, já o UNIQUAC não conseguiu fazer um bom ajuste para o ponto P na curva Binodal.

O projeto se baseia em modelos termodinâmicos (as curvas geradas pelo métodos NRTL e UNIQUAC) que podem ter erros associados sendo assim aconselha-se utilizar margens de segurança.

REFERÊNCIAS

SMITH, J. M.; van NESS, H. C.; ABBOTT, M. M.. Introdução à Termodinâmica da Engenheria Química. 5ª ed. McGraw-Hill, Rio de Janeiro, 1996. pág 574 - 575.

<http://www.scribd.com/doc/22209084/QF952-Relatorio-Equilibrio-Ternario>. Acesso em: 15 de

junho de 2010.