Extração Solido-Liquido e Líquido-líquido

Extração Solido-Liquido e Líquido-líquido

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Capítulo 5

Nesse capítulo discutiremos os métodos de remoção ou separação de um constituinte sólido ou líquido por meio de um solvente ou solução líquida. Essa técnica é subdividida em duas categorias. A primeira, denominada de lixiviação ou extração sólidolíquido, o solvente é utilizado para dissolver um componente solúvel presente numa mistura com um sólido insolúvel. A segunda, chamada de extração líquida, o solvente é utilizado para separar dois líquidos miscíveis. Na extração líquida o solvente deve dissolver preferencialmente um componente da mistura líquida original.

1- Introdução

Muitas substâncias biológicas, inorgânicas e orgânicas estão presentes em diferentes misturas com componentes sólidos. Na lixiviação, o solvente puro ou não com determinadas características, é convenientemente misturado ao sólido previamente preparado como objetivo de remover um soluto desejável ou indesejável.

Operação de lixiviação aplicada à biotecnologia e ao processamento de alimentos: • Separação do açúcar da beterraba com água quente;

• Separação de óleo de sementes de cereais (amendoim, soja, algodão, girassol milho etc) com solventes orgânicos (hexano, acetona, eter, etc);

• Na indústria farmacêutica, muitos produtos são obtidos por lixiviação de raízes de plantas, talos e folhas);

• Na produção de café solúvel ou instantâneo, as sementes torradas e moídas são lixiviadas com água.

Operação de lixiviação aplicada à materiais orgânicos e inorgânicos: Muitos metais importantes encontram-se misturados com uma quantidade muito grande de constituintes indesejáveis e a lixiviação é utilizada para esses metais como sais solúveis.

• Sais de cobre são lixiviados de outro minerais de minerais com solução de ácido sulfúrico ou solução amoniacal;

• Sais de níquel e cobalto são lixiviados com misturas de ácido sulfúrico+amônia+oxigênio; • Ouro é lixiviado do mineral com solução aquosa de cianeto de sódio

Etapas preliminares relevantes na operação de lixiviação: • Preparação do sólido (moagem, corte em lâminas etc)

• Escolha do solvente ou solução extratora (seletividade, toxicidade, operações posteriores de recuperação e reciclo do líquido)

2- Equipamentos para lixiviação

2.1- Lixiviação com a percolação do solvente ou solução extratora no leito fixo de partículas, como ilustra a Figura 1 a seguir:

Figura 1- Lixiviação batelada em leito fixo. 2.2- Lixiviação em leito móvel (fluidização homogênea) como ilustra a Figura 2 a seguir:

(a) batelada (b) contínuo

Figura 2- Lixiviação em leito móvel.

2.3- Lixiviação contínua em estágios com fluxos contracorrentes

Os estágios são numerados no sentido do fluxo de sólidos, como ilustra a Figura 3 a seguir. Usualmente, assume-se que o sólido inerte (sólido isento do soluto) é insolúvel no solvente extrator e que a taxa e sólido inerte é constante ao longo dos estágios. As partículas retêm uma determinada quantidade de líquido e, essa solução retida que vai sendo arrastada de um estágio para o outro, para pode ser constante ou variável dependendo das propriedades dessas partículas (os dados de equilíbrio, obtidos no laboratório, que vai mostrar essa característica).

Figura 3− Lixiviação contracorrente multiestágios em cascata.

Nomenclatura: V ≡ taxa de solução ou soluto overflow [kg de solução/tempo ou kg de soluto puro/tempo]

L ≡ taxa de solução ou soluto retido [kg de solução/tempo ou kg de soluto puro/tempo] ya ≡ fração molar de soluto na solução overflow que sai ou em Va yb ≡ fração molar de soluto na solução ou solvente extrator que entra ou em Vb xa ≡ fração molar de soluto na solução à entrada ou em La xb ≡ fração molar de soluto na solução retida esgotada que sai ou em Lb

Linha de Operação Lixiviação em estágio com fluxos contracorrentes

Balanço material global para a solução, no volume de controlada Figura 3:

(1) n1aanVLV++=+L Balanço material global para o soluto, no volume de controlada Figura 3:

(2) n1 n1 a a a a n nV y Lx V y L y++ += +

Explicitando da equação anterior, teremos: n1y+ a a an n1 n

n1 n1

Vy L xL

Pontos terminais da Linha de Operação: ()()aabbx,y e x,y e considerando as taxas de solução, ao longo dos estágios, constantes, então: nabLLLL≅≅≡ e ; o que vale dize que na bV V V V≅≅ ≡

(LV) é constante. Cálculo do Número Ideal de estágios para taxa de solução retida underflow constate a)Linha de Operação: Massa de solução retida no sólido é independente da concentração de soluto na solução, assim Ln é constante. Linha de Operação é LINEAR.

b)Linha de Equilíbrio Como y e x é a fração de soluto na solução (overflow e retida) e como o estágio é de equilíbrio. Linha de Equilíbrio é LINEAR do tipo y=x, como ilustra a Figura 4.

Figura 4- Linha de Equilíbrio e Linha de Operação para lixiviação para Ln constante. Constatação importante da Figura 4: *ayxa= e *bbyx=

Nesse caso, o Número Ideal de estágios pode ser determinado analiticamente: Expressões de Kremser

Força motriz (diving force) na lixiviação para a transferência de massa, é: r1*ny+− (similar à Absorção gasosa), como ilustra Figura 5.

Figura 5- Força motriz (driving force) na lixiviação para a transferência de massa.

Correlação de Kremser para lixiviação, LO e LE divergentes, por exemplo:

** b b

** ba y y ln ln y y ln Ayy ln

A mV como m=1,0 então: L A V ≡

Exemplo 1: Extração 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 extração de estágio com fluxos contracorrentes. Calcular o número ideal de estágios necessários, considerando que a mistura a ser tratada contém 75% (peso) e polpa de papel e 25% (peso) de parafina. O solvente extrator contém 0,05 lbm de parafina/100 lbm de querosene puro (livre de parafina). A polpa de papel após extração é encaminhada a um evaporador para a remoção do querosene. O evaporador foi projetado para operar com uma mistura contendo no máximo 0,2 lbm de querosene/100 lbm de papel puro. A solução overflow esgotada tem 5 lbm de parafina/100 lbm de querosene. Dados experimentais realizados indicam que o papel retém uma quantidade constante de solução (parafina+querosene) que é transferida para os estágios. A quantidade retida de solvente puro é 2,0 lbm de querosene/lbm de fibra de celulose pura.

Solução: soluto: parafina solvente: querosene inerte sólido: papel Importante: As expressões de Kremser APENAS podem ser aplicadas para a taxa de solução retida constante, ou seja: abLLL≅≡

Consideração sobre o 1º estágio: A solução retida no sólido inerte permanece constante, a partir do segundo estágio, o que vale dizer que La (soluto puro) ≠ L1 (solução retida). Como conclusão dessa constatação, PODEMOS aplicar a relação de Kremser para N − 1estágios.

Como o objetivo é aplicar a correlação de Kremser para N – 1 estágios; devemos calcular

Cálculo das frações mássicas nas extremidades e N – 1 de estágios:

Cálculo de yb: (base isenta de soluto)

Cálculo de ya: (base isenta de soluto)

First stage é ideal, assim a1 lbm de parafina5 yx 0,0

Para calcular xb, precisamos conhecer a quantidade de querosene em Lb ???? a) Balanço material global para o querosene (N estágios): Base de cálculo: 100 lbm papel puro (livre de querosene e parafina) e assumindo que s é a quantidade em lbm de querosene puro que entra na solução extratora.

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