Arranjo de Estágios
Teoria
Agora que já sabemos o que são estágios, vamos estudar como organizamos eles uns em relação aos outros. Ou seja, vamos estudar os arranjos de estágios.
Bora começar com um exemplo.
A desidratação catalítica do etileno glicol, que gera para-dioxano e água, é muito utilizada industrialmente. Seus dois produtos são miscíveis entre si e geram, portanto, uma mistura homogênea. Então, a próxima etapa industrial é a separação desses dois produtos.
A primeira coisa que geralmente se pensa é a separação por temperatura. No entanto, a temperatura de ebulição da água é e do para-dioxano é . Então, separar por aquecimento vai ser muiiito complicado.
A outra possibilidade que vimos é avaliar a solubilidade. Benzeno e para-dioxano são totalmente solúveis, enquanto benzeno e água são totalmente insolúveis. Então, utilizar benzeno como solvente em um processo de extração pode ser viável.
A próxima etapa, caso estivéssemos pensando nesse processo, seria definir o arranjo que esses estágios vão ficar nessa extração.
Um estágio único
Caso a gente queira avaliar um estágio único para a extração, teremos apenas duas correntes entrando e outras duas correntes saindo.
As correntes entrando serão uma constituída da mistura água e para-dioxano (corrente e composição ) e a outra constituída do benzeno (corrente e composição ). E aí, a partir do contato entre as correntes, o para-dioxano “abandona” a água pra se misturar com o benzeno.
As saídas serão uma corrente aquosa com o restante de para-dioxano não removido (corrente e composição ) e a corrente de benzeno com o material extraído (corrente e composição ).
E aí, para verificar se a extração foi boa ou não, é só avaliar o , lembra? Caso não tenha sido, podemos estudar a possibilidade de trabalhar com outros arranjos de estágios.
Mais de um estágio com correntes em contra-corrente
Um arranjo de estágios muito comum é utilizar mais de um estágio em contra-corrente, a eficiência da extração é muito maior que em um estágio único.
Mais de um estágio com correntes em co-corrente
Nesse caso, a extração também é melhor do que no arranjo com um único estágio.
Esse arranjo se difere do de contra-corrente, porque as entradas e saídas percorrem os estágios na mesma ordem. Saca só:
A limitação desse arranjo é que a partir do momento que o equilíbrio é atingido, não ocorre mais nada nos estágios seguintes. É como se a partir do estágio de equilíbrio, os demais estágios fossem apenas um só.
Mais de um estágio com correntes cruzadas
Nesse arranjo, a vazão de solvente puro que está entrando, ou seja, o benzeno, é dividido entre os estágios. Dessa forma, os estágios sempre estão realizando a extração com solvente puro.
Esse processo é muiito eficiente, principalmente caso a vazão antes da divisão da corrente seja o dobro da vazão de solvente utilizada nos outros arranjos que estamos comparando. Pois, dessa forma, após a divisão da corrente entre os estágios, será a mesma vazão passando por estágio quando comparado aos outros arranjos, mas aqui, sempre com o solvente puro. E aí veríamos que é beem eficiente.
Mas, mesmo sem aumentar a quantidade de benzeno utilizada, a eficiência chega bem próxima da do arranjo em contra-corrente. Olha só esse gráfico que compara a eficiência entre os arranjos:
Observação importante:
Repara que como falamos de extração (fases líquidas), não utilizamos a notação de líquido e vapor ( e ). Maaas pode ser que mesmo assim seu professor use essa notação para líquidos e aí o vai ser a fase mais pesada e o , a fase mais leve. Beleza?
Outra observação importante é que a regrinha para dar o nome das correntes continua valendo, tá? Tudo que sai de um estágio, recebe um índice com o número desse estágio!!
Um estágio único
Mais de um estágio com correntes em contra-corrente
Mais de um estágio com correntes em co-corrente
Mais de um estágio com correntes cruzadas
Exercícios Resolvidos
Exercício Resolvido #1
Elaboração própria
Quais são as possibilidades de arranjos dos estágios de equilíbrio?
Passo 1
Caso seja um único estágio, não há diferença. Se for mais de um estágio, as possibilidades são:
Contra-corrente:
Em co-corrente:
E, para fechar, corrente cruzada:
Sacou? 😊
Resposta
Único estágio ou múltiplos estágios (em corrente cruzada, contra-corrente ou co-corrente).
Exercício Resolvido #2
Elaboração própria
Qual é a desvantagem do arranjo de estágios em co-corrente?
Passo 1
Vimos que os estágios são os locais onde ocorrem as transferência de massa. E essas transferências ocorrem até que o equilíbrio seja atingido, certo?
Os estágios em arranjo co-corrente têm essa carinha aqui:
Isso significa que depois de atingir o equilíbrio, as mesmas correntes permanecerão em contato. Então, como já foi atingido o equilíbrio, os demais estágios não terão função nenhuma :/ E essa é a grande desvantagem desse arranjo.
Resposta
No arranjo em co-corrente, após atingir o equilíbrio, os demais estágios perdem sua utilidade e não são observadas mais variações na composição.
Exercício Resolvido #3
Elaboração própria
Explique o gráfico de eficiência abaixo, comentando a diferença de comportamento entre os arranjos.
Passo 1
O arranjo em co-corrente possui a menor eficiência de todos. Isso é super explicável, pois como as correntes estão sempre indo na mesma direção, depois que o equilíbrio é atingido não acontece mais transferência de massa e nada mais muda :/
Passo 2
Em segundo lugar aí, em termos de eficiência, temos o arranjo em corrente cruzada. Ele é mais eficiente que o anterior, pois a corrente que sai do estágio 1 (), por exemplo, no estágio 2 está em contato com uma nova corrente () e não com a outra corrente que também saiu do estágio 1 ().
Mas repara que, comparando a vazão do com o que entra no outro arranjo, nesse a vazão em cada estágio é a metade (). E, isso acaba impedindo que a eficiência seja muito alta.
Passo 3
O arranjo de maior eficiência de todos é o arranjo em contra-corrente.
Ele não a limitação do primeiro arranjo que vimos (co-corrente), pois não tem o problema das mesmas correntes estarem entrando em contato após o equilíbrio já ter sido atingido. As correntes em contato estão sempre se modificando.
E ele não tem a vazão de um dos componentes pela metade em cada estágio, que foi o problema do arranjo em corrente cruzada. Então, sua eficiência é a maior.
Resposta
Ei, a resposta está no passo a passo :)
Exercício Resolvido #4
Elaboração própria
Deseja-se que o arranjo em corrente cruzada seja utilizado em uma planta industrial e que sua eficiência supere o arranjo em contra corrente. Qual modificação pode ser feita no processo para que a nova exigência seja satisfeita?
Passo 1
O arranjo de estágios corrente cruzada possui a seguinte carinha:
Repara que o solvente que entra nele é dividido em duas correntes. Então, em cada estágio, passa um solvente puro (o que é ótimo), mas passa a metade da vazão que é utilizada nos outros arranjos.
Com o solvente puro em todos os estágios, esse processo possui um super potencial para ter resultados melhores. No entanto, a vazão reduzida impede esse resultado!
Então, caso fosse dobrada a vazão inicial, teríamos a mesma vazão que os outros arranjos passando em cada estágio. E, lembrando mais uma vez, agora com um solvente puro. E aí conseguiríamos aumentar a eficiência, já que nos outros arranjos teríamos a mesma vazão de solvente, mas que só estaria puro no primeiro estágio e não nos demais.
Resposta
Aumentar a vazão de solvente.
Exercício Resolvido #5
Elaboração própria
Um processo de secagem industrial de matéria-prima segue o esquema proposto abaixo:
A secagem é feita com ar quente. É possível estabelecer uma certa semelhança desse processo industrial com um dos arranjos de estágios. Qual arranjo seria esse?
Passo 1
Nesse processo, tanto a matéria-prima quanto o ar estão escoando na mesma direção, lado a lado. Portanto, esse processo lembra estágios em arranjos de co-corrente, conforme figura a seguir.
Resposta
Co-corrente