extração sólido-líquido

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Captulo 5LIXIVIAO (SLIDO-LQUIDO) E EXTRAO (LQUIDO-LQUIDO)Nesse captulo discutiremos os mtodos de remoo ou separao de um constituinte slido ou lquido por meio de um solvente ou soluo lquida. Essa tcnica subdividida em duas categorias. A primeira, denominada de lixiviao ou extrao slidolquido, o solvente utilizado para dissolver um componente solvel presente numa mistura com um slido insolvel. A segunda, chamada de extrao lquida, o solvente utilizado para separar dois lquidos miscveis. Na extrao lquida o solvente deve dissolver preferencialmente um componente da mistura lquida original. LIXIVIAO 1- Introduo Muitas substncias biolgicas, inorgnicas e orgnicas esto presentes em diferentes misturas com componentes slidos. Na lixiviao, o solvente puro ou no com determinadas caractersticas, convenientemente misturado ao slido previamente preparado como objetivo de remover um soluto desejvel ou indesejvel. Operao de lixiviao aplicada biotecnologia e ao processamento de alimentos: Separao do acar da beterraba com gua quente; Separao de leo de sementes de cereais (amendoim, soja, algodo, girassol milho etc) com solventes orgnicos (hexano, acetona, eter, etc); Na indstria farmacutica, muitos produtos so obtidos por lixiviao de razes de plantas, talos e folhas); Na produo de caf solvel ou instantneo, as sementes torradas e modas so lixiviadas com gua. Operao de lixiviao aplicada materiais orgnicos e inorgnicos: Muitos metais importantes encontram-se misturados com uma quantidade muito grande de constituintes indesejveis e a lixiviao utilizada para esses metais como sais solveis. Sais de cobre so lixiviados de outro minerais de minerais com soluo de cido sulfrico ou soluo amoniacal; Sais de nquel e cobalto so lixiviados com misturas de cido sulfrico+amnia+oxignio; Ouro lixiviado do mineral com soluo aquosa de cianeto de sdio Etapas preliminares relevantes na operao de lixiviao: Preparao do slido (moagem, corte em lminas etc) Escolha do solvente ou soluo extratora (seletividade, toxicidade, operaes posteriores de recuperao e reciclo do lquido) 2- Equipamentos para lixiviao 2.1- Lixiviao com a percolao do solvente ou soluo extratora no leito fixo de partculas, como ilustra a Figura 1 a seguir:

Figura 1- Lixiviao batelada em leito fixo. 2.2- Lixiviao em leito mvel (fluidizao homognea) como ilustra a Figura 2 a seguir:

(b) contnuo (a) batelada Figura 2- Lixiviao em leito mvel. 2.3- Lixiviao contnua em estgios com fluxos contracorrentes Os estgios so numerados no sentido do fluxo de slidos, como ilustra a Figura 3 a seguir. Usualmente, assume-se que o slido inerte (slido isento do soluto) insolvel no solvente extrator e que a taxa e slido inerte constante ao longo dos estgios. As partculas retm uma determinada quantidade de lquido e, essa soluo retida que vai sendo arrastada de um estgio para o outro, para pode ser constante ou varivel dependendo das propriedades dessas partculas (os dados de equilbrio, obtidos no laboratrio, que vai mostrar essa caracterstica).

Figura 3 Lixiviao contracorrente multiestgios em cascata. Nomenclatura: V taxa de soluo ou soluto overflow [kg de soluo/tempo ou kg de soluto puro/tempo]2

L taxa de soluo ou soluto retido [kg de soluo/tempo ou kg de soluto puro/tempo] ya frao molar de soluto na soluo overflow que sai ou em Va yb frao molar de soluto na soluo ou solvente extrator que entra ou em Vb xa frao molar de soluto na soluo entrada ou em La xb frao molar de soluto na soluo retida esgotada que sai ou em Lb Linha de Operao Lixiviao em estgio com fluxos contracorrentes Balano material global para a soluo, no volume de controlada Figura 3: Vn +1 + L a = Va + L n Balano material global para o soluto, no volume de controlada Figura 3: Vn +1 y n +1 + L a x a = Va y a + L n y n Explicitando y n +1 da equao anterior, teremos: L V y La xa y n +1 = n x n + a a Vn +1 Vn +1

(1) (2)

(3)

Pontos terminais da Linha de Operao: ( x a , y a ) e ( x b , yb ) e considerando as taxas de soluo, ao longo dos estgios, constantes, ento: Ln L a L b L e Vn Va Vb V ; o que vale dize que L

( V ) constante.

Clculo do Nmero Ideal de estgios para taxa de soluo retida underflow constate a)Linha de Operao: Massa de soluo retida no slido independente da concentrao de soluto na soluo, assim Ln constante. Linha de Operao LINEAR. b)Linha de Equilbrio Como y e x a frao de soluto na soluo (overflow e retida) e como o estgio de equilbrio. Linha de Equilbrio LINEAR do tipo y=x, como ilustra a Figura 4.

Figura 4- Linha de Equilbrio e Linha de Operao para lixiviao para Ln constante. Constatao importante da Figura 4: y * = x a e y * = x b a b3

Nesse caso, o Nmero Ideal de estgios pode ser determinado analiticamente: Expresses de Kremser Fora motriz (driving force) na lixiviao para a transferncia de massa, : y * y n +1 n (similar Absoro gasosa), como ilustra Figura 5.

Figura 5- Fora motriz (driving force) na lixiviao para a transferncia de massa. Correlao de Kremser para lixiviao, LO e LE divergentes, por exemplo:

y b ln y a N= (y ln b y* b

( ( (

y y* y* b b b ln y y* y* a a = a ln A ya ) y* a

) ) )

( (

) ) para A

L L como m=1,0 ento: A mV V

Exemplo 1: Extrao de parafina/cera de fibra de celulose com querosene. Duas (2) toneladas por dia de papel contendo parafina devem ser lixiviadas com querosene numa unidade de extrao de estgio com fluxos contracorrentes. Calcular o nmero ideal de estgios necessrios, considerando que a mistura a ser tratada contm 75% (peso) e polpa de papel e 25% (peso) de parafina. O solvente extrator contm 0,05 lbm de parafina/100 lbm de querosene puro (livre de parafina). A polpa de papel aps extrao encaminhada a um evaporador para a remoo do querosene. O evaporador foi projetado para operar com uma mistura contendo no mximo 0,2 lbm de querosene/100 lbm de papel puro. A soluo overflow esgotada tem 5 lbm de parafina/100 lbm de querosene. Dados experimentais realizados indicam que o papel retm uma quantidade constante de soluo (parafina+querosene) que transferida para os estgios. A quantidade retida de solvente puro 2,0 lbm de querosene/lbm de fibra de celulose pura. Soluo: soluto: parafina solvente: querosene inerte slido: papel Importante: As expresses de Kremser APENAS podem ser aplicadas para a taxa de soluo retida constante, ou seja: L a Lb L Considerao sobre o 1 estgio: A soluo retida no slido inerte permanece constante, a partir do segundo estgio, o que vale dizer que La (soluto puro) L1 (soluo retida). Como concluso dessa constatao, PODEMOS aplicar a relao de Kremser para N 1estgios.

4

Como o objetivo aplicar a correlao de Kremser para N 1 estgios; devemos calcular as fraes mssicas: x b , y b e y* x b e x1 , y 2 e y* x1 b 2 Clculo das fraes mssicas nas extremidades e N 1 de estgios: Clculo de yb: (base isenta de soluto) lbm de parafina 0, 05 yb = = = 0, 0005 lbm de querosene 100 Clculo de ya: (base isenta de soluto) lbm de parafina 5 = = 0, 05 First stage ideal, assim y a x1 = lbm de querosene 100 Para calcular xb, precisamos conhecer a quantidade de querosene em Lb ????a) Balano material global para o querosene (N estgios): Base de clculo: 100 lbm papel puro (livre de querosene e parafina) e assumindo que s a quantidade em lbm de querosene puro que entra na soluo extratora.

Clculo de xb: (base isenta de soluto) lbm de parafina 0, 20 xb y* = = = 0, 001 b lbm de querosene 200 Para calcular y2 precisamos conhecer a quantidade de querosene e parafina em V2: b) Balano de massa para a parafina (N estgios):5

25 = 33, 3 lbm 75 Parafina que entra com o querosene: 0, 0005 s 0, 05 lbm de parafina 100 lbm de querosene

Parafina que entra com o papel: 100

( 0,05/100 )

s

s lbm de querosene

Total de parafina que entra: 33,3 + 0, 0005 s Parafina que sa com a suspenso esgotada: 0,2 lbm Parafina que sa com soluo overflow: 5, 0 lbm de parafina 100 lbm de querosene 5 ( s 200 ) =0,05 s 10 s 200 100 Total de parafina que sa: 0, 05 s 10 + 0, 2 = 0, 05 s 9, 80 Balano material global para a parafina: 33, 3 + 0, 0005 s = 0, 05 s 9, 80 ou s = 871 lbm de queroseneentrada saida

Clculo de y2 : (base isenta de soluto) Precisamos calcular a taxa de soluo overflow que deixa o segundo estgio V2 (ver detalhamento do primeiro estgio):

lbm de parafina = 0, 05 200 quantidade de parafina em L1 : 200 0, 05 = 10 lbm de parafina lbm de parafina ya = = 0, 05 671 quantidade de parafina em Va = 671 0, 05 = 33,55 lbm de parafina x1 =

Balano material para a parafina no 1 estgio: 33,33 lbm + mp em Va = 33,55 + 10, ento: mp em V2 = 10,22 lbm10, 22 = 0, 0117 871 Correlao de Kremser: L L1 200 A= = = 0, 23 , portanto A < 1,0 (linhas convergentes). A fora motriz mV 1 V2 871 localiza-se na fase V, similarmente a absoro gasosa entretanto, a LE encontra-se acima y2 =

da LO, o que vale dizer que a fora motriz nas extremidades : y * yb b no y b y* e y a y * como na absoro gasosa: b ay 2 = 0, 0117 , y * = x1 = 0,05 , y b = 0, 0005 e y * = x b = 0, 001 2 b

(

) (

)

(

) e (y

* 2

y2

)e

6

y* y 2 2 ( 0, 05 0, 0117 ) ln ln y* y b b ( 0, 001 0, 0005 ) = 3, 00 N 1 = y* y* ( 0, 05 0, 001) b ln 2 ln ( 0, 0117 0, 0005 ) ( y 2 yb ) Nmero Ideal de estgios: N = 3+1=4,0Clculo do Nmero Ideal de estgios para taxa de soluo retida underflow varivel Quando a taxa de soluo retida no underflow varia de estgio para estgio, a Linha de operao para a Lixiviao deixa de ser LINEAR. Para localizar corretamente a LO no diagrama y versus, devemos obter alguns pontos intermedirios ( y n +1 ; x n ) . Com os

( ( (

) ) )

pontos intermedirios e as extremidades da LO, pode-se enc

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