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Extração e Diagrama de Equilíbrio

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Teoria

Introdução

Faaaaaala aiii, tudo certinho? Nós já conversamos um pouco sobre o que é e como funciona a extração líquido-líquido. Na qual ocorre a separação em duas fases: rafinado e extrato.

Agora nós vamos abordar como vai ser o diagrama dessas fases, beleza? Então vamos lá!

Sistemas ternários

O diagrama de fases vai ser representado através de sistemas ternários. E quando o sistema é ternário os diagramas são representados por triângulos equiláteros. Conforme a figura abaixo retirada do material do Cefet-MG da Prof. Gisele Nunes.

Podemos ter vários tipos de diagramas ternários, mas aqui vamos trabalhar com o tipo I e o tipo II.

Tipo I

No diagrama do tipo I nós vamos ter um par imiscível em que após a agitação vamos ter a separação em duas fases, a e b em equilíbrio. O diagrama vai ser conforme a figura abaixo retirada do material do Cefet-MG da Prof. Gisele Nunes.

Legendando essa imagem, temos que:

M: composição da mistura original

a: composição da fase extrato (rica em A) em equilíbrio com b

b: composição da fase refinado (rica em B) em equilíbrio com a

aMb: linha de equilíbrio ou amarração que passa por M

P: plait point, quantidades equimolares das fases extrato e refinado

Tipo II

No diagrama do tipo II nós vamos ter dois pares imiscíveies (soluto+solvente e solvente+diluente) e o diagrama vai ser conforme a figura abaixo.

Agora que já vimos os dois tipos podemos mergulhar nos exercícios 😊

Sistemas ternários

Tipo I

Tipo II

Exercícios Resolvidos

Exercício Resolvido #1

Elaboração própria

Discuta os principais pontos de uma extração líquido-líquido.

Passo 1

Fala aíii, tudo joinha? Nós sabemos que uma extração líquido-líquido ocorre quando tanto o nosso soluto como nosso solvente estão na fase líquida, certo? Lembrando que nossa coluna vai ter a seguinte carinha:

Passo 2

Nós vamos separar a mistura em duas fases: rafinado e extrato. O rafinado é a fase rica no diluente e contém pequenas quantidades de soluto não extraído. Já o extrato é a fase rica no solvente e contém soluto extraído.

Resposta

A extração líquido-líquido ocorre quando tanto o nosso soluto como nosso solvente estão na fase líquida. E vamos ter a separação da mistura em duas fases: rafinado e extrato. O rafinado é a fase rica no diluente e contém pequenas quantidades de soluto não extraído. Já o extrato é a fase rica no solvente e contém soluto extraído.

Exercício Resolvido #2

Elaboração própria

Como podemos representar o diagrama de fases de sistemas terneários?

Passo 1

Oi oi oii, tudo bem? Nós vamos poder representar o diagrama de fases de sistemas terneários com triângulos equiláteros conforme a figura abaixo retirada do material do Cefet-MG da Prof. Gisele Nunes.

E a partir desse triangulozão podemos ter vários tipos de diagramas, beleza? 😉

Resposta

Nós vamos poder representar o diagrama de fases de sistemas terneários com triângulos equiláteros.

Exercício Resolvido #3

Elaboração própria

Quais são os principais tipos de sistemas ternários e quais são suas características?

Passo 1

Oii, tudo bem? Aqui nós temos que os principais tipos de sistemas ternários são o tipo I e tipo II.

Passo 2

No diagrama do tipo I nós vamos ter um par imiscível em que após a agitação vamos ter a separação em duas fases, a e b em equilíbrio. E vai ter a seguinte carinha,

Passo 3

Já no diagrama do tipo II nós vamos ter dois pares imiscíveies (soluto+solvente e solvente+diluente) e o diagrama vai ser conforme a figura abaixo.

Resposta

Os principais tipos de sistemas ternários são o tipo I e tipo II. No diagrama do tipo I nós vamos ter um par imiscível em que após a agitação vamos ter a separação em duas fases, a e b em equilíbrio. Já no diagrama do tipo II nós vamos ter dois pares imiscíveies (soluto+solvente e solvente+diluente)

Exercício Resolvido #4

Adaptado – Exercício Provão 2003, Operações Unitárias II

De modo a evitar danos ao meio ambiente, um efluente contendo inicialmente 30 % e massa de acetona e   70 % de água é submetido a um processo de extração com metil isobutil cetona (MIBK). A mistura produzida apresenta 20 % de acetona, 47 % de água e 33 % de MIBK. Calcule a fração de acetona recuperada no extrato, considerando-se um único estágio de equilíbrio.

Passo 1

Fala aiii, tudo certinho? Primeira coisa que vamos fazer aqui é encontrar no gráfico dado do tipo I dado a localização do ponto M no diagrama ternário e a partir disso conseguimos encontrar a fração de acetona recuperada no extrato, beleza? Então boraaa!

Passo 2

Temos pelo enunciado que,

x H 2 0 = 0,47

x a c e t o n a = 0,20

x M I B K = 0,33

Com isso, conseguimos encontrar o ponto M cruzando essas três informações da seguinte maneira,

Passo 3

Após encontrar o ponto M podemos fazer uma linha de amarração com ponto M (l inha contínua). Com isso, localizamos os pontos a e b.

A composição do ponto a (extrato) é:

0,25   d e   a c e t o n a

  0,71   d e   M I K

0,04   d e   á g u a

Já a composição do ponto b (refinado) é:

0,15   d e   a c e t o n a

  0,04   d e   M I K  

  0,82   d e   á g u a

Logo, a fração de aceto na no extrato é 25 % , o que significa que houve uma pequena recuperação.

Resposta

25 %

Exercício Resolvido #5

Adaptado – Exercício Provão 2003, Operações Unitárias II

De modo a evitar danos ao meio ambiente, um efluente contendo inicialmente 30 % e massa de acetona e   70 % de água é submetido a um processo de extração com metil isobutil cetona (MIBK). A mistura produzida apresenta 20 % de acetona, 47 % de água e 33 % de MIBK. O que você recomend a para reduzir o teor de acetona no refinado?

Passo 1

Fala aiii, tudo bem? Plotando as informações no gráfico encontramos o ponto M no diagrama ternário.

x H 2 0 = 0,47

x a c e t o n a = 0,20

x M I B K = 0,33

Passo 2

Algumas recomendações para reduzir a concentração de acetona no refinado são alterar a relação entre as quantidades de solvente puro (S) e solução,

  F   ( 30 %     d e   a c e t o n a   70 %     d e     á g u a )    

Para reduzir a o teor de acetona no refinado, o ponto M deve descer um pouco ou devemos aumentar a quantidade de solvente extrator na mistura. Outra possibilidade que envolveria investimento: aumentar o número de estágios

Resposta

Para reduzir a o teor de acetona no refinado, o ponto M deve descer um pouco ou devemos aumentar a quantidade de solvente extrator na mistura. Outra possibilidade que envolveria investimento: aumentar o número de estágios

Exercício Resolvido #6

Adaptado - Questão 5, 7ª Lista de Exercícios – Operações unitárias III Extração Líquido-líquido, UERJ

(Wankat, 3 ed. – Cap. 13 – D27) Uma coluna de extração em contra-corrente é alimentada com 100     k g / h de uma mistura contendo 40 % em massa de ácido acético e 60 % em massa de água. Deseja -se extrair o ácido acético com éter isopropílico. Os dados de equilíbrio estão listados na tabela abaixo. O éter isopropílico é alimentado puro e possui uma vazão de 111,2     k g / h . Deseja -se obter um rafinado com 20 % em massa de ácido acético. Encontre a fração mássica de ácido acético no extrato.

Passo 1

Falaaa aíii, tudo tranquilo? Nessa questão nós vamos analisar um processo de extração d o ácido acético com éter isopropílico em um sistema contra-corrente onde esquematicamente nós temos:

A partir disso vamos calcular a fração mássica de ácido acético no extrato. Então vamos lá!

Passo 2

Antes de sair plotando o gráfico precisamos primeiro fazer o balanço geral para o ácido acético.

F x a , F + S x a , S = E 1 x a , E 1 + R N x a ,   R N

F x a , F + S x a , S = F + S x a , M

O enunciado nos forneceu os seguintes dados:

F = 100     k g / h

x a , F = 0,4

x a , S = 0

S = 111,2   k g / h

Substituindo esses valores na expressão do balanço temos,

10 0 × 0,4 + 111,2 * 0 = ( 100 + 111,2 ) * x a , M

x a , M = 0 , 19

Passo 3

Agora sim vamos utilizar a tabela 13.5 para plotar gráfico.

Plotando no gráfico as retas S F - e M R N - , podemos obter x a , E 1 pela continuação da reta M R N - até a binodal.

Pelo gráfico vemos que a fração mássica de ácido acético no extrato é,

x a , E 1 = 0,185

Resposta

x a , E 1 = 0,185

Exercício Resolvido #7

Adaptado - Questão 5, 7ª Lista de Exercícios – Operações unitárias III Extração Líquido-líquido, UERJ

(Wankat, 3 ed. – Cap. 13 – D27) Uma coluna de extração em contra-corrente é alimentada com 100     k g / h de uma mistura contendo 40 % em massa de ácido acético e 60 % em massa de água. Deseja -se extrair o ácido acético com éter isopropílico. Os dados de equilíbrio estão listados na tabela abaixo. O éter isopropílico é alimentado puro e possui uma vazão de 111,2     k g / h . Deseja -se obter um rafinado com 20 % em massa de ácido acético.

  1. Encontre a fração mássica de ácido acético no extrato.
  2. Encontre o número de estágios de equilíbrio.

Dados: R N = 64,8   k g / h   e E 1 = 156,41   k g / h

Passo 1

Falaaa aíii, tudo certinho? Nessa questão nós vamos analisar um processo de extração d o ácido acético com éter isopropílico em um sistema contra-corrente onde esquematicamente nós temos:

A partir disso vamos calcular a fração mássica de ácido acético no extrato e o número de estágios de equilíbrio. Show?

Passo 2

Para a letra a) precisamos primeiro fazer o balanço geral para o ácido acético.

F x a , F + S x a , S = E 1 x a , E 1 + R N x a ,   R N

F x a , F + S x a , S = F + S x a , M

O enunciado nos forneceu os seguintes dados:

F = 100     k g / h

x a , F = 0,4

x a , S = 0

S = 111,2   k g / h

Substituindo esses valores na expressão do balanço temos,

100 × 0,4 + 111,2 * 0 = ( 100 + 111,2 ) * x a , M

x a , M = 0,19

Passo 3

Depois vamos utilizar a tabela 13.5 para plotar gráfico. Plotando também as retas S F - e M R N - , podemos obter x a , E 1 pela continuação da reta M R N - até a binodal.

Pelo gráfico temos que a fração mássica de ácido acético no extrato é,

x a , E 1 = 0,185

Passo 4

Com o gráfico do passo 3 e os dados das correntes do rafinado e do estrato,

R N = 64,8   k g / h

E 1 = 156,41   k g / h

Podemos plotar o seguinte,

Com isso, vemos que são necessários 2,6 estágios. Porém, precisamos de um número redondo. Então teremos na verdade 3   estágios.

Resposta

  1. x a , E 1 = 0,185
  2. N = 3

Exercício Resolvido #8

Questão 4, 7ª Lista de Exercícios – Operações unitárias III Extração Líquido-líquido, UERJ

(Wankat, 3 ed. – Cap. 13 – D25) Deseja-se remover ácido acético da água utilizando éter isopropílico como solvente. A operação é realizada a 20   ° C e 1   a t m . Os dados de equilíbrio nestas condições estão presentes na tabela abaixo. A alimentação é composta de 45 % em massa de ácido acético e 55 % em massa de água. A vazão da alimentação é de 2000     k g / h . Um sistema em contra-corrente é utilizado. O solvente é alimentado puro. Deseja-se uma corrente de extrato com 20 % de ácido acético e um rafinado com 20 % de ácido acético.

  1. Qual a quantidade de solvente necessária?
  2. Quantos estágios de equilíbrio são necessários?

Passo 1

Heyy, tudo bem? Nessa questão nós vamos analisar um processo de extração em um sistema contra-corrente onde esquematicamente nós temos:

A partir disso vamos calcular a quantidade de solvente necessária e o número de estágios de equilíbrio. Então vamos lá!

Passo 2

Para encontrar a quantidade de solvente necessária vamos precisar realizar um balanço de massa global no sistema. Ou seja,

F x a , F + S x a , S = E 1 x a , E 1 + R N x a ,   R N

O enunciado nos forneceu os seguintes dados:

F = 2000     k g / h

x a , F = 0,45

x a , S = 0

Além disso, como nos foi dito que deseja-se uma corrente de extrato com 20 % de ácido acético e um rafinado com 20 % de ácido acético. Temos que,

E 1 x a , E 1 = S * 0,2

R N x a ,   R N = 2000 * 0,2

Substituindo isso na expressão do balanço temos,

2000 × 0,45 + S * 0 = S * 0,2 + 2000 * 0,2

Logo, a quantidade de solvente necessária é,

S = 2500   k g / h

Passo 3

Plotando um gráfico com os dados da tabela 13.5:

Concluímos que serão necessários 2,4 estágios. Porém como não se pode ter número quebrado de estágios iremos considerar como 3 estágios.

Resposta

a) S = 2500   k g / h

b) N = 3