Extração

Extração

Curso Técnico em Exploração de Petróleo e Gás

Disciplina Operações Unitárias

Extração

Simões Filho-Ba

2009

Extração

Por: Abraão Erick Brito da Costa, Allan Santana, Ana Carolina Ribeiro Ramos, Jocimara Reis, Milena Silva, Rommel Ribeiro Godinho e Wilian de Oliveira.

Trabalho acadêmico proposto pela professora da disciplina

Operações Unitárias, Elba Gomes dos Santos, como

avaliação complementar ao seminário sobre

o tema em destaque.

Palavras chaves: extração, soluto, solvente, coluna de extração

Simões Filho-Ba

2009

Extração

A operação unitária denominada extração consiste em uma técnica de separação baseada nos diferentes graus de solubilidade dos constituintes. Compostos orgânicos, por exemplo, são, em geral, mais solúveis em solventes também orgânicos e pouco solúveis em água.

Quando se colocam em contato duas fases de composições diferentes, pode ocorrer a transferência de componentes de uma fase a outra e vice-versa. Este transferência entre as fases ocorre até que o estado de equilíbrio seja atingido.

Uma mistura líquida pode, às vezes, ser separada pelo contato com um segundo solvente líquido.

Os componentes da mistura são solúveis, em diferentes graus, no solvente. No caso ideal, o componente a ser extraído é solúvel no solvente, e os outros componentes são insolúveis. Então, o soluto é o único componente transferido da mistura inicial para a fase do solvente. Depois do contato entre a carga e o solvente, as duas fases líquidas imiscíveis e de diferentes densidades formadas são denominadas de extrato (a fase mais rica em solvente que acolhe o soluto) e rafinado (a fase mais pobre em solvente de onde foi extraído o soluto). Removendo-se o solvente do extrato e do rafinado obtém-se o produto extraído e o produto rafinado. A esse processo damos o nome de extração.

Componentes do processo de extração

Soluto: produto ou produtos que se deseja extrair da carga.

Co-solvente: o outro ou os outros componentes da carga que não deve(m) ser extraído(s).Solvente: produto utilizado para a extração do soluto, o qual nele se solubiliza.

Escolha do Solvente

Os critérios para a escolha do solvente ideal para o processo de extração podem ser agrupados em classes, cada qual com sua importância relativa para cada processo. Estes critérios estão relacionados à:

  • Separabilidade do Solvente

O solvente deve ser capaz de provocar a formação de uma fase separada da fase rica em co-solvente, além de ser facilmente separável daquela fase. Cinco critérios estão relacionados a esta capacidade:

  • Solubilidade: o solvente ao ser adicionado à carga deve provocar a formação de duas fases. Solvente e soluto devem ser miscíveis, enquanto que solvente e co-solvente devem ser praticamente imiscíveis.

  • Densidade: a densidade do solvente deve ser bem diferente da densidade do co-solvente para que seja possível a separação das fases formadas, até mesmo por decantação (eliminando o uso de outros dispositivos de separação).

  • Tensão interfacial: as fases formadas pela adição do solvente se apresentam sob a forma contínua e dispersa. A fase dispersa, seja ela rafinado ou extrato, deve apresentar elevada tensão interfacial, de forma a provocar o rápido coalescimento das gotas formadas.

  • Estabilidade e reatividade química: o solvente não deve reagir com as outras substâncias do sistema, nem deve ser quimicamente instável.

  • Viscosidade: a transferência de matéria é favorecida por baixas viscosidades (bombeamento turbulento).

  • Performance do Solvente

Considerando-se como performance a capacidade do solvente de extrair o soluto da carga, três fatores adquirem importância:

  • Coeficiente de distribuição do soluto nas duas fases KC = (YC/XC): definido como a relação da concentração do soluto na fase extrato para a da fase rafinado, este coeficiente indica a tendência de distribuição do soluto nestas fases. Se a relação for superior a 1, melhor será a recuperação do soluto pelo solvente.

  • Seletividade CA = (KC/KA): traduz a capacidade de o solvente extrair o soluto sem extrair o co-solvente, sendo expressa pela relação entre os coeficientes de distribuição do soluto e do co-solvente. Se a relação for superior a 1, maior será a eficácia do solvente para a extração do soluto.

  • Capacidade: quantidade de solvente necessária para tratar a carga. Quanto menor for esta quantidade, melhor será a extração em termos de processo e de custo.

  • Aceitabilidade do Sistema

Entre os outros critérios que afetam a escolha do solvente, pois influem no custo do processo e na operação, temos:

  • Corrosividade: quanto menor for à corrosão provocada pelo solvente, menor será o custo operacional.

  • Pressão de vapor: quanto menor for a pressão de vapor, menor será a pressão de operação e menores serão as perdas de produto.

  • Inflamabilidade e toxicidade: quanto menos inflamável e tóxico for o solvente, menores serão os riscos associados à sua utilização.

  • Recuperabilidade: após extrair o soluto da carga, o solvente deve ser facilmente separado deste para ser reutilizado. Esta separação normalmente é feita por destilação (flash ou fracionada), exigindo adequada volatilidade relativa.

  • Custo e disponibilidade: fatores decisivos para a escolha de um solvente quando ocorrer mais de uma possibilidade de uso.

Extração Líquido-Líquido

A extração líquido-líquido (ELL), é um processo de separação que se utiliza da propriedade de miscibilidade de líquidos. Por exemplo, em uma situação onde temos dois líquidos, A e B, miscíveis entre si, e queremos separar A de B, podemos usar um terceiro líquido, C, que seja mais miscível com A do que com B (veja figura). A separação entre o extrato, A e C, e o rafinado, A e B, é feita com uma ampola de decantação ou um funil separador. A recuperação de A, a partir do extrato é geralmente feita por destilação.

A ELL ou extração é empregada como alternativa a outros processos de separação, quando estes não são recomendáveis ou não são viáveis.

  • Vantagens: O processo realizado à temperatura ambiente ou temperatura moderada; Possibilidade de utilização de solventes com boa capacidade de extração ou seletivos; Possibilita controle de pH, força iônica e temperatura, de forma a evitar a desnaturação de enzimas e proteínas (sistemas aquosos bifásicos de biomoléculas).

  • Desvantagens: A ELL gera produtos intermediários (transfere-se o soluto A do solvente B para outro solvente C) e portanto será necessário utilizar um outro processo posteriormente (p.ex. destilação, evaporação) para obter o soluto A, livre do solvente B.

Extração Sólido-Líquido

Na extração sólido-líquido (ESL), um constituinte de um sólido é transferido para um solvente de extração e em seguida é separado do restante do sólido. O material extraído é necessariamente um sólido, mas pode apresentar-se no sólido principal na forma líquida. A soja em flocos, por exemplo, é úmida devido à presença de olho extraível. Uma pasta é mais fácil de manejar e transportar que um sólido seco e, essa pasta pode ser obtida misturando-se o sólido adequadamente dividindo com um pouco de solvente de extração. A extração de óleo da soja ou de açúcar da beterraba é um exemplo de um processo de lixiviação no qual o objetivo é extrair um produto valioso de sólidos de pouco valor e a economia da operação freqüentemente demanda alta recuperação. No tipo mais simples de ESL há apenas um contato entre o sólido e o solvente de extração, depois do qual são separados. Extrações repetidas com porções frescas de solvente melhorarão a recuperação, mas à custa da produção de certos extratos muitos diluídos.

Controle do Processo

A operação normal da torre de extração se dá através do controle de variáveis do processo, principalmente a pressão, a vazão e da temperatura do soluto e co-soluto e do solvente.

A pressão é uma variável geralmente ajustada pelo operador, mesmo com as unidades automáticas, o operador deve manter uma cuidadosa observação. Alteração na pressão diminui a qualidade de todos os produtos, pois há uma mudança na volatilidade relativa dos componentes.

As vazões são as variáveis mais manipuladas para estabelecer as condições de operação desejadas na coluna de extração, a variação na vazão alterará a temperatura e isso, por sua vez, provocará uma variação na qualidade dos produtos.

A temperatura de trabalho é controlada por trocadores de calor localizados no topo das torres e ao longo do processo (externo).

É importante destacar que essas variáveis são definidas em função das substâncias contidas no processo, uma vez que, pode haver mudanças nas solubilidades de forma diretamente ou inversamente proporcional a pressão, vazão e temperatura, conforme a substâncias – soluto, co-soluto e solvente.

O balanceamento destas variáveis é de fundamental importância para garantir a melhor eficiência do processo de extração, visto que garantirá a carga apropriada para o processo e a temperatura adequada para que ocorra a melhor solubilidade entre o soluto e solvente.

Equipamentos Utilizados no Processo de Extração

Os equipamentos que fazem a extração em múltiplos estágios são semelhantes a uma torre de destilação, podendo ou não conter recheios ou ainda bandejas. Os principais tipos de equipamentos são:

  • Torre de dispersão – são as torres mais simples, não existe equipamento no seu interior para facilitar o maior contato entre as fases e geralmente são utilizadas quando uma das fases tem uma densidade elevada.

  • Torre com recheios - são chamadas colunas com contato contínuo, os recheios possibilitam um melhor contato soluto/solvente, nas colunas com recheios a eficiência é maior para uma mesma altura, sendo mais econômicas, porém as perdas de carga são mais altas que nas colunas com pratos e ocorre a formação de caminhos preferenciais para o líquido prejudica a eficiência das colunas com recheios.

  • Torre com pratos – são também chamadas de colunas com contatos em estágios e são responsáveis pela separação das fases, sendo a agitação da mistura obtida somente através do contato entre o soluto e o solvente no interior da coluna;

  • Torre agitada ou com discos rotativos (RDC) - em torres de extração mais modernas esses discos são utilizados de modo a aumentar a eficiência no contato entre os líquidos e garantindo maiores rendimentos e melhor qualidade do produto extraído.

Não são utilizados pratos com borbulhadores em equipamentos de extração.

Exemplos de equipamentos da torre de extração.

Coluna com recheio Prato Prato telado

Outros equipamentos são indispensáveis para que ocorra o processo de extração. Dentre eles temos:

  • Bombas – responsáveis pela alimentação da coluna extratora com a carga de líquidos – soluto e solvente;

  • Compressores – permitem a alimentação no processo de extração de uma das fases no estado liquido, de forma que nas CNTP’s, este estaria em estado gasoso e que pelo aumento da pressão, realizado pelo compressor, foi transformado em liquido;

  • Trocadores de calor – promovem o aquecimento das substâncias envolvidas no processo de forma a garantir a melhor eficiência;

  • Resfriadores – promove o resfriamento das partes com a finalidade de separar uma das fases pela diferença solubilidade de forma que uma delas possa ser encaminhada ao processo;

  • Tanques – local onde estão ou serão armazenados substâncias – óleo, gás e vapor, utilizadas no processo extrativo;

  • Filtros rotativos – realiza a separação entre as substâncias – soluto, de forma que retenha o composto mais sólido.

Coluna de extração Filtros de extração

Aplicações

Desasfaltação a propano

É um processo de extração de asfalto a partir do óleo pelo uso de propano como solvente. Neste processo são separadas as frações pesadas que produzem óleo lubrificante pesado, insumo para craqueamento catalítico e asfalto. No processo, o insumo e o propano líquido são bombeados para uma torre de extração e a separação ocorre em um contactor de disco rotativo. Os produtos são evaporados e o vapor é lavado para recuperar o propano, que é reciclado. Esse processo também remove alguns compostos de enxofre e nitrogênio, metais, resíduos de carbono e parafinas do insumo.

Seção de Extração

A seção de extração consiste em torres de extração líquido-líquido, e seus equipamentos acessórios (bombas, permutadores, entre outros). O resíduo de vácuo é alimentado na seção superior da torre, e o propano entra próximo à base. Devido à diferença de densidade entre os dois líquidos (propano = 0,5; resíduo de vácuo = 1,0), estabelece-se um escoamento contracorrente no interior da torre, o que permite o contato do solvente com o óleo e a dissolução dos hidrocarbonetos parafínicos pelo propano. De modo a aumentar a eficiência no contato entre os líquidos, utilizam-se atualmente torres providas de discos rotativos (RDC), possibilitando maiores rendimentos e melhor qualidade do produto extraído. Próximo ao topo da torre, existem serpentinas de aquecimento, para o controle da temperatura de extração. No contato entre os dois líquidos, formam-se duas fases distintas, de densidades diferentes. A primeira, rica em solvente, de baixa densidade, composta de propano e óleo desasfaltado, sai pelo topo da extratora e é conhecida como Fase Extrato. Pelo fundo da torre sai a outra fase, pobre em solvente e de alta densidade, composta de asfalto e uma pequena quantidade de propano, conhecida como Rafinado. O solvente contido nas fases extrato e rafinado necessita ser recuperado por razões econômicas e de especificações dos produtos. Isto é, feito nas seções de recuperação de solvente do extrato e do rafinado. As duas principais variáveis da extração são temperatura de trabalho e relação solvente/carga. A temperatura de trabalho é controlada pelas serpentinas localizadas no topo das torres. Ao contrário dos solventes convencionais, cuja solubilidade aumenta com a temperatura, um aumento desta propriedade diminui o rendimento do óleo desasfaltado, Convém ressaltar que para o propano, devido à proximidade do seu ponto crítico nas condições de trabalho, a relação solubilidade x temperatura é invertida. Assim, a solubilidade decresce com o aumento da temperatura. A temperatura de extração varia normalmente de 65 a 90ºC, dependendo da carga. Outra variável de grande importância, quando o processo visa à obtenção de lubrificantes básicos, é a relação solvente/carga ou propano/ óleo, pois a viscosidade e o resíduo de carbono devem ser rigidamente controlados. O efeito da relação propano/óleo parece depender bastante da temperatura de operação. Parece existir uma temperatura crítica de tratamento, própria de cada carga, acima da qual um aumento na relação propano/óleo implica em aumento no rendimento, e abaixo da qual o rendimento decresce com o aumento da relação propano/óleo. Independentemente de temperatura de tratamento, um aumento da relação propano/óleo aumenta sempre a seletividade da extração, produzindo um gasóleo de melhor qualidade. A relação propano/óleo costuma variar normalmente entre 4:1 e 8:1 (volume). Para a produção de cortes lubrificantes, a densidade da carga é de vital importância. Um resíduo de vácuo de densidade muito alta produzirá um óleo muito viscoso, enquanto um resíduo de vácuo um pouco menos denso produzirá um óleo de viscosidade mais baixa.

Recuperação de Solvente do Extrato

A fase extrato, constituída de óleo desasfaltado e propano, deixa o topo das torres extratoras para ser enviada à seção de recuperação de solvente do extrato. O sistema de recuperação é feito por torres de “flashes” onde o propano é progressivamente vaporizado. A mistura óleo desasfaltado/solvente, após aquecimento, é enviada para um conjunto de duas torres de vaporização em série, que operam à alta e média pressão, respectivamente. Nestas torres, através de vaporização parcial, o propano é separado do óleo, condensado e enviado a tambores acumuladores, enquanto o óleo desasfaltado (produto de fundo da torre de média pressão), após aquecimento em um forno, segue para a torre de retificação, onde é removido o propano residual. O produto de fundo, óleo desasfaltado isento de solvente, segue para armazenamento, para que, posteriormente, seja enviado às unidades de tratamentos de lubrificantes ou à unidade de craqueamento catalítico.

Recuperação de Solvente do Rafinado

A fase rafinado, constituída de asfalto e propano, imediatamente após sair das torres extratoras, sofre aquecimento em um forno e é enviada à torre de vaporização de média pressão, onde praticamente todo o propano é vaporizado. O produto de fundo da torre de vaporização vai em seguida à torre de retificação, onde, por intermédio de uma injeção de vapor d’água localizada na base da torre, é eliminada alguma quantidade residual de propano. O asfalto retificado, após resfriamento, é enviado para armazenamento. O propano recuperado através das vaporizações e retificações efetuadas no extrato e no rafinado deve ser novamente liquefeito para que retorne ao processo. Com este objetivo, as correntes que vêm das torres de vaporização à alta e média pressão, reúnem-se e são resfriadas, condensando-se. São acumuladas em um tambor de alta pressão, onde mais tarde o propano liquefeito é bombeado de volta às torres de extração. O propano recuperado à baixa pressão e o recuperado por retificação contêm uma razoável quantidade de vapor d’água, que deve ser eliminado do solvente. Essas correntes passam inicialmente por resfriadores, onde a água é condensada, porém a pressão é razoavelmente baixa para que o propano se condense. Assim, os gases vão para um tambor de média pressão, onde a água é separada. Os vapores de propano, que saem pelo topo do tambor, são succionados por um compressor e têm sua pressão elevada a cerca de 45 kg/cm². A descarga do compressor é reunida à corrente de propano das torres de alta e média pressão, passa em resfriadores, é condensada e acumulada no tambor de alta pressão, estando apta a ser reciclada às extratoras.

Desaromatização com solvente

O processo de desaromatização, ou extração de aromáticos, separa aromáticos, naftenos e impurezas da corrente de produto por dissolução ou precipitação. O insumo é primeiramente secado e então tratado usando uma operação de tratamento de solventes por contracorrente contínua. O produto pode ser lavado com um líquido no qual as substâncias a serem removidas são mais solúveis do que no produto, ou são adicionados solventes selecionados para fazer as impurezas se precipitarem. O solvente é separado da corrente por aquecimento, evaporação ou fracionamento, e resíduos são removidos subseqüentemente do refinado por lavagem por vapor ou flasheamento a vácuo. Precipitação elétrica pode ser usada para a separação de compostos inorgânicos. O solvente então é regenerado para ser usado novamente no processo.

Na unidade de extração ou recuperação de aromáticos (URA), procuram-se extrair compostos aromáticos da carga por meio de solventes. Os aromáticos leves, como benzeno, toluenos e xilenos (BTX’s), presentes na gasolina atmosférica ou na corrente proveniente da unidade de reforma catalítica, possuem um alto valor de mercado na indústria petroquímica, e são comercializados a preços duas ou três vezes superiores ao da nafta. Em função das condições do processo escolhido, a extração é realizada com tetra-etileno-glicol (TEG), ou N-metil-pirrolidona (NMP) associada ao mono-etileno-glicol (MEG), ou o Sulfolane (dióxido de tetrahidrotiofeno). Após destilação dos aromáticos para remoção do solvente, o produto é estocado e destinado a comercialização. Os não aromáticos são utilizados como componentes da gasolina.

Desaromatização a Furfural

A desaromatização a furfural é uma operação tipicamente realizada no processo de produção de lubrificantes, em que se emprega o furfural como solvente de extração de compostos aromáticos polinucleados de alto peso molecular. Como os lubrificantes são utilizados sob condições variáveis de temperatura, procuram-se desenvolver formulações que apresentem comportamento uniforme frente as variações de viscosidade, a qual sofre maiores flutuações devido à presença de compostos aromáticos. O objetivo, portanto, é o aumento do índice de viscosidade dos óleos lubrificantes, pois quanto maior esse valor, menor será a variação da viscosidade do produto com a temperatura. O produto principal é o óleo desaromatizado, que é armazenado para processamento posterior. Como subproduto, tem-se um extrato aromático, na forma de um óleo pesado e viscoso. O processo é bastante semelhante à desasfaltação, contendo seções de extração, recuperação de solvente do extrato e recuperação de solvente do refinado. Em particular, deve-se observar uma etapa prévia de desaeração, em que se promove a retirada de oxigênio da carga aquecida antes de seu envio às torres extratoras. O oxigênio, nesse caso, poderia reagir com o furfural e formar compostos ácidos de elevado poder corrosivo, sendo necessária sua remoção.

Considerações Finais

Após a apresentação deste trabalho nos cabe ressaltar alguns pontos mais relevantes no que concerne a operação unitária de extração:

  • A operação unitária de extração é um processo físico e por isso não altera as características químicas das substâncias – soluto, co-soluto e solvente;

  • O custo do processo de extração é elevado em relação à destilação, por isso é utilizada em segundo plano;

  • A extração é realizada quando o ponto de ebulição das substâncias são muito parecidos e outros métodos não são apropriados ou ineficazes;

  • Cada processo de extração tem as suas particularidades para o controle as variáveis, melhor produtividade e recuperação do solvente;

Referências

BLACKADDER D. A. and NEDDERMAN R. M. Extração de Solvente. In: Manual de Operações Unitárias. Rio de Janeiro: hemus editora LTDA, 1982, p. 69-106.

Tópicos de operações unitárias. Disponível em: http://www.marvial.oi.com.br/

engqui/topicos/opunit07.html. Acessado em 18/09/2009, às 22:00.

Extração com solvente. Disponível em:http://www.geocities.com/Vienna/Choir/

9201/extracao_com_solvente.htm. Acessado em 18/09/2009, às 22:20.

Principio de operações unitárias: aula III. Disponível em: http://daleffe.google

pages.com/AulaII-TeoriaPOU2008.pdf. Acessado em 20/09/2009, às 16:00.

Extração com solvente: extração liquido – liquido: aula04. Disponível em: http://www.qmc.ufsc.br/qmc5230/aula04/liquido.html. Acessado em 18/09/2009, às 21:00.

Planejamento de emergência em refinarias. Disponível em: http://www.scribd.com/

doc/7303929/PLANEJ-EMERGENCIA-REFINARIAS. Acessado em 20/09/2009, às 20:00.

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