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Lixiviao e Extrao1Esta aula cobrir: Lixiviao ideal lixiviao
no-ideal A ltima aula cobriu: extraes Lquido-lquidas Ternrias.
diagramas de fase Ternrios. Um procedimento para determinar as
composies de produto e taxas de fluxo de uma separao por extrao
lquido-lquidoSeparation Process PrinciplesSeader and Henley
Lixiviao Ideal2A,BA CLixiviao um mtodo de separao slido-lquido que
envolve solvatao preferencial de um componente, o solute, de uma
mistura slida em um solvente lquido. A difuso do soluto pelo slido
lenta e complica o processo de separao pois o equilibrio dificil de
ser atingido. A separao total da fase lquida da fase slida dificil.
ABBlentaExterior do slido molhadoDifuso atravs do slido lentaO caso
ideal ocorre quando todo A lixiviado para fora do slido
B.Processo3Inmeros compostos biolgicos, inorgnicos ou orgnicos
ocorrem em misturas em slidos. Quando se quer separar compostos
indesejveis da fase slida ou obter um componente de uma fase slida,
utiliza-se contatar o slido com uma fase lquida adequada. Com o
contato intimo entre as fases, o soluto se difunde atravs das
fases, passando para a fase lquida. O processo de recuperar um
componente por este processo denomina-se Lixiviao; o processo de
lixiviao onde desejamos retirar um componente indesejvel da fase
slida denomina-se LavagemLixiviao de substncias biolgicas4Este
processo tem sido aplicado em recuperao de componentes de produtos
alimentcios, como por exemplo, obteno de acar da cana ou beterraba
utilizando gua quente como agente extrator; na produo de leos
vegetais utilizando solventes orgnicos como hexano, acetona ou ter,
extraindo por exemplo leo de amendoim, soja, linhaa, rcino, semente
de girassol, semente de algodo, etc. Em produtos farmacuticos,
muitos processos so utilizados aplicando esta tcnica para extrair
produtos de razes medicinais, etc. Na produo de caf solvel, ch
instantneo, obteno de tanino atravs de extrao com gua, etc. Na
produo de produtos inorgnicos e orgnicos, como por exemplo indstria
de processamento de metais; o ouro obtido atravs de solubilizao com
sais de cianetos de sdio. O minrio de ferro tambm concentrado por
esta tcnica.
Preparao do slido para extrao5-Material orgnico e inorgnico: O
mtodo de preparao depende da forma com que o soluto est agregado ao
slido, se est adsorvido ou dentro de clulas, e tambm da forma com
que o solvente ir atuar, por exemplo se o solvente apresenta boa
difusividade no slido, se h boa molhabilidade do slido, etc. Por
exemplo, para extrao de minrio, necessrio triturar o slido at uma
granulometria adequada.
Se o produto a ser extrado se apresenta como uma soluo slida
dispersa em uma fase slida ou se est distribudo no interior de
orifcios do slido, a ao do solvente em um primeiro contato, deve
formar pequenos canais, de forma que uma passagem de solvente
adicional torna-se mais fcil e no necessrio triturar o material at
uma granulometria muito pequena. Tambm se o soluto est aderido
superfcie do slido, ento no necessrio moagem do slido.Preparao do
slido para extrao6-Materiais vegetais e animais: Materiais
biolgicos apresentam estrutura celular e normalmente o composto
desejado est contido dentro da clula. Neste caso, a taxa de extrao
pode ser comparativamente lenta devido resistncia da parede da
clula difuso. Por outro lado, o processo de moagem para levar a
granulometria a nveis tais que exponha o contedo das clulas
impraticvel.
A beterraba, por exemplo, cortada em fatias finas para reduzir a
distncia requerida para extrao. As clulas da beterraba so mantidas
intactas; isto permite que o acar atravesse a membrana semipermevel
enquanto que as albuminas e outros produtos coloidais indesejveis
no atravessam a membrana. Para extrao de produtos farmacuticos,
utiliza-se antes secar o produto, o que ajuda a romper a parede
celular, assim o solvente pode agir diretamente na dissoluo do
soluto. A parede celular de semente de soja assim como de vrios
outros produtos vegetais sofrem ruptura quando o material original
tem sua dimenso reduzida para 0,1mm a 0,5mm por meio de roletes ou
lminas. As clulas so menores em dimetro mas as paredes se rompem e
o leo vegetal facilmente acessvel pelo solvente.
Taxas de lixvia7No processo global de lixiviao a seqncia de
etapas que ocorrem a seguinte:
-O solvente deve ser transferido do seio do solvente para a
superfcie do slido;- O solvente deve penetrar ou difundir no
slido;- O soluto se dissolve no solvente;-O soluto ento se difunde
atravs da mistura solvente slido para a superfcie da partcula;-O
soluto transferido para o seio da soluo.
Taxas de lixvia8Devido aos vrios e diferente fenmenos
encontrados, torna-se impraticvel ou impossvel aplicar uma nica
teoria para ao de lixiviao. Em geral, a taxa de transferncia do
solvente para a superfcie da partcula muito rpida e a taxa de
transferncia do solvente para dentro da partcula pode ser algumas
vezes rpida ou lenta. Em alguns casos no h uma taxa de transferncia
limitando o processo de lixiviao. Nosso conhecimento do processo de
dissoluo limitado e o mecanismo pode ser diferente em cada slido.
Em outros casos ainda, onde existe um esqueleto slido, inerte, e o
soluto est contido no espao vazio do esqueleto, o processo de
difuso pode ser descrito por uma difusividade efetiva onde leva em
considerao a porcentagem de vazio e a tortuosidade (escoamento em
meios porosos).Taxas de lixvia9Em materiais biolgicos alguma
complexidade pode ocorrer devido presena de clulas; em lixiviao de
fatias de beterrabas, por exemplo, em torno de 1/5 das clulas so
rompidas no fatiamento, ento o processo para estas clulas
semelhante ao processo de lavagem. J nas clulas remanescentes, o
acar deve se difundir atravs das clulas. Ento, o resultado de dois
processos de transferncia agindo simultaneamente e o processo no
segue um mecanismo simples de difuso, com difusividade efetiva
constante.
Taxas de lixvia10Com soja, o gro inteiro no pode ser lixiviado
efetivamente. A taxa de difuso do leo de soja no gro de soja
fatiado no permite interpretao fcil, da, o mtodo de projeto de
extratores dado pelo uso de experimentos de laboratrio.
-A resistncia transferncia de massa do soluto da superfcie do
slido para o seio do lquido em geral muito pequena comparado
resistncia difuso dentro do prprio slido.-Em alguns casos, a
transferncia de massa da superfcie slida para o lquido controla o
fenmeno.-No h resistncia na fase slida se o material puro.
Tipos de equipamentos-Leito fixo. Usado em processo de lixiviao
de beterraba para obteno de acar e tambm na extrao de tanino, para
extrao de produtos farmacuticos de casca de rvore e sementes e
outros processos.11
Tipos de equipamentos-Leitomvel. So processos utilizando estgios
contra corrente onde o leito ou estgio se move ao invs de ser
estacionrio. So largamente empregados na extrao de leos de sementes
vegetais como algodo, amendoim e soja. A semente inicialmente
descascada e algumas vezes pr-cozido, s vezes parcialmente secas e
quebradas ou cortadas. Algumas vezes o processo de extrao do leo
acompanhado por prensagem. O solvente usado normalmente um produto
de petrleo como hexano.12
Planta em batelada para extrao de leo de sementes13
Extrator de Bollmann14
Extrator continuo15
Etapas de preparo do gro16
Extrator por Percolao17
Extratores Continuos18
Extrator rotocel
Lixiviao Ideal19SolventeC Alimentao de Slido B (inerte)A
(soluto)OverflowB,CUnderflowA,C (liquido)B (solido)Lquido isento de
slidoSlido-liquidolodo(A somente no lquido)20SolventeyS0,
xS0SlidosyL0, xL0UnderflowS1, yS1, xS1OverflowL1, yL1, xL1Lquidos A
e CSlido B (insolvel)Lquidos A e CSem SlidosSolvente Lquido CInerte
B mais soluto ALixiviao IdealSoluto completamentedissolvidoXS =
soluto/(solvente + soluto) no overflowYS = soluto/(solvente +
soluto) no underflowYI = inerte/(solvente + soluto + inerte) no
overflow ou underflowy = frao de solvente no overflow ou underflowx
= frao de soluto no overflow ou underflowRelao de slido para lquido
no underflow constanteLixiviao Ideal21Nomenclatura:XS =
soluto/(solvente + soluto) no overflowYS = soluto/(solvente +
soluto) no underflowYI = inerte/(solvente + soluto+inerte) no
overflow ou underflowy = frao de solvente no overflow ou underflowx
= frao de soluto no overflow ou underflow YI = inerte/(solvente +
soluto + inerte) constante assim se ns aumentarmos a taxa de fluxo
do solvente, a taxa de fluxo do overflow aumenta enquanto o
underflow permanece constanteSe aumentarmos a taxa de fluxo de
solvente, o lquido torna-se menos concentrado em soluto.A composio
do overflow e do lquido no underflow a mesma.Desde que todo o
soluto esteja dissolvido, adicionando solvente apenas dilui o
lquido no soluto. A diluio a mesma para o overflow e o lquido do
underflow desde que os lquidos tenham a mesma concentrao. Desde que
o underflow tambm tenha slido insolvel A, a concentrao de B no
underflow menor.
Dados:A frao de slidos no underflow YI.Todo o soluto esta
dissolvido (lixiviao ideal).A composio do slido na alimentao.A frao
de slidos no overflow YI = 0.
Relao de equilbrio e lixiviao em simples estgio22Assim como em
Extrao liq-liq, aqui tambm necessitamos lidar com equao de operao
ou relao do balano material e a relao de equilbrio entre duas
correntes. Algumas consideraes devem ser feitas no processo de
lixiviao:-Assume-se que a fase slida livre de solvente, insolvel no
solvente.-Em lixiviao, assumindo que h solvente suficiente para que
todo soluto presente no slido seja dissolvido, o equilbrio atingido
quando o soluto estiver todo dissolvido no solvente.- Assume-se que
no h adsoro do soluto pelo slido. Da, a concentrao da soluo na fase
lquida que deixa o estgio a mesma da soluo que permanece no estgio
com a fase slida.A corrente que sai com a fase lquida sobrenadante
denomina-se overflow, e a corrente que sai com a fase slida
denomina-se underflow ou corrente de lama slurry stream.
Conseqentemente, a concentrao de leo presente na corrente overflow
igual concentrao de leo que sai na corrente de lama. Representando
a reta de equilbrio em um grfico xy obtemos uma reta de 45o.A
quantidade de soluo retida no slido em cada estgio depende da
viscosidade e da densidade.
Lixiviao Idealy = frao de solvente no overflow ou underflowx =
frao de soluto no overflow ou underflowUnderflow:y =
solvente/(solvente+soluto+portador)x =
soluto/(solvente+soluto+portador)YI = inerte/
(solvente+soluto+inerte)x+y+YI =1 YI uma constante.y = 1 x YI Assim
o underflow tem declive de 1Overflow: y =
solvente/(solvente+soluto)x = soluto/(solvente+soluto)x+y =1y = 1 x
Assim o overflow tem inclinao de 1Lixiviao IdealOverflow: y =
solvente/(solvente+soluto) x = soluto/(solvente+soluto) y/x =
solvente/solutoUnderflow: y = inerte/(solvente+soluto+inerte) x =
soluto/(solvente+soluto+inerte) y/x = solvente/solutoAssim as
linhas de amarrao unem as linhas do overflow e underflow passando
pela origemAs linhas de overflow e underflow tm inclinao de
1yxoverflowunderflowLixiviao IdealAula 8: Lixiviao
Ideal25SolventeyS0, xS0SlidosyL0, xL0UnderflowV1, yS1,
xS1OverflowL1, yL1, xL1Lquidos A e CSlido B (insolvel)Lquidos A e
CSem Slidos1) Localize o ponto de alimentao Lo. Localize a linha de
underflow usando a frao de slidos dada. Desenhe as linhas de
overflow e underflow. 2) Trace a linha mistura. 3) Localize o ponto
de mistura M usando a Regra de Alavanca inversa. 4) Trace a linha
de amarrao passando por M. 5) Determine as composies das correntes
de fluxo. 6) Localize as taxas de overflow e underflow L1 e S1
usando a regra da alavanca invertida e balanos de
massa.OverflowUnderflowV0L0 (alimentao)MV1L1(1 frao de slidos no
underflow)yCxB11Exemplo26Cafena lixiviada da borra de caf usando
gua. Se 1000kg/hr de gua pura so misturados com 1000 kg/hr de gros
de caf modos que tem 80% em peso de insolveis e 20% cafena, calcule
as quantidades e composies do underflow e overflow de um separador
ideal. Um teste do underflow mostra que este composto por 70% de
slidos.Passo 1. Desenhe o diagrama y-x com a linha de
transbordamento. Desenhe a linha de underflow paralela linha de
transbordamento e cruzando 0.3. Localize a alimentao L0 a composio
de mistura slida e V0 concentrao solvente.1V00yxL01overflow
lineunderflow linePonto de AlimentaoPonto de
SolventeYIExemplo27Passo 2 Desenhe a linha de mistura passando por
S0, e L0. O ponto de mistura ficar nesta linha e depender da razo
de solvente para slido alimentado. Passo 3 Aplique a regra da
alavanca no balao de soluto (cafena) ou no de solvente (gua).
Balano de solvente Balano
desoluto1V00yxL01M1V00yxL01MxMyMoverflowunderflowExemplo28Passo 4
Desenha a linha de amarrao estendendo uma linha da origem passando
pelo ponto de mistura at a linha de overflow. Passo 5 Do ponto M ns
sabemos y/x = 5. Usando as equaes do overflow e as linhas de
underflow nos permitem determinar as composies dos
fluxos.1V00yxL01
MV1L1
Overflow
Underflow
overflowunderflowExemplo29Passo 6 Determine as taxas de fluxo do
overflow e underflow1V00yxL01
MV1L1
overflowunderflowLixiviao No-Ideal30Freqentemente, as condies em
um sistema de lixiviao so tais que equilbrio no obtido. As curvas
de overflow e underflow se tornam
no-ideais.1V00yxL01MV1L1underflowoverflowLixiviao Ideal31Para
sistemas com baixo razo de soluto na alimentao, uma quantia finita
de solvente deve ser necessria criar duas fases em equilbrio.
1V00yxL01MV1L1MLixiviao multi-estgio contracorrente32
Este processo similar ao de Extrao liq-liq., observando a notao
diferente neste caso. De um balano material, conforme diagrama
seguir obtm-se:Lixiviao multi-estgio contracorrente33
Global, nos estgios 1 a n:Explicitando esta expresso em termos
de xn+1 Por componente
Lixiviao multi-estgio contracorrente34Esta equao representa a
reta de operao. Plotando num grfico xyz, a reta passa pelos pontos
terminais x1,y0 e xn+1,yn , o ponto z sai por diferena. Fazendo
ento um balano no processo mltiplo estgio:Global:Por componente,
componente A:Para o slido:
ondeLixiviao multi-estgio contracorrente35Da mesma forma que foi
visto em extrao, aqui os pontos LnVN+1 tambm devem estar alinhados
sobre uma mesma reta assim como V1L0. Normalmente, num projeto, os
fluxos e composies de L0 e VN+1 so fornecidos e tambm a concentrao
de sada yAN. Ento as coordenadas yAM e xAM podem ser calculadas
atravs das expresses 1 e 2 acima .
35yx0Linha de overflowVn+1L0Linha de underflow0,750,75LnV1B
(inerte)A(aucar)Lixiviao multi-estgio contracorrente36Fazendo um
balano no estgio 1 e tambm no estgio N
Rearranjando:
O valor de constante para todos os estgios semelhante ao
processo de extrao liq-liq.Lixiviao multi-estgio
contracorrente37Deve-se extrair acar de beterraba fatiada mida em
um extrator contracorrente de contato mltiplo que utiliza gua como
solvente. A beterraba mida deve ser tratada numa razo de 10000 kg/h
e tem a seguinte composio em termos de fraes de massa; 0,32 de gua,
0,28 de acar, a,40 de polpa. O extrato final deve ter 40% em peso
de acar e 90% do acar total devem ser recuperados. Estime o nmero
de estgios ideais necessrios, supondo que 1 kg de polpa retenha 3
kg de soluo em todos os estgios. Indique o efeito sobre o nmero de
estgios se 1kg de polpa retiver 3 kg de solvente em todos eles mais
o acar associado.Lixiviao multi-estgio contracorrente38yx0Passo 1.
Desenhe o diagrama y-x com a linha de transbordamento. Desenhe a
linha de underflow paralela linha de transbordamento e cruzando
0.75. Localize a alimentao L0 a composio de mistura slida e S0
concentrao solvente.Linha de overflowVn+1L0Linha de
underflow0,750,75A(aucar)B (inerte)C (gua)39Passo 2 Determinar Ln .
Tenho que 90% do acar deve ser recuperado e que o extrato final
deve conter 40% em peso do acar. Assim tenho que V1 = gua + acar ;
quantidade de acar em V1A= 0.9*2800=2520 ; quantidade de gua
presente em V1 = 3780 . Desta forma temos que V1 = 2520+3780 =
6300- Kg/h yx0Linha de overflowVn+1L0Linha de
underflow0,750,75V1Lixiviao multi-estgio contracorrenteC (gua)B
(inerte)A(aucar)Lixiviao multi-estgio contracorrente40Passo 3 Tenho
que um quilo de polpa retem 3 kilos de soluo em cada estgio,
incluindo o ltimo. Assim para uma alimentao de 10000 Kg, 4000 Kg de
polpa surgem no ltimo estgio (Ln). Portanto como no inicio do
processo tenho 4000 Kg de inerte, terei em adio a este valor mais
12000 Kg de soluo que ficam retidas no slido. Terei portanto um
total de 16000 Kg/h e ynA=280/16000=0,018.yx0Linha de
overflowVn+1L0Linha de underflow0,750,75LnV1C (gua)B
(inerte)A(aucar)Lixiviao multi-estgio contracorrente41yx0Linha de
overflowVn+1L0Linha de underflow0,750,75LnV1B (inerte)A(aucar)C
(gua)Lixiviao multi-estgio contracorrente 42Resolvendo por diagrama
retangular temosNa entrada(Alimentao)
Na sada(Rafinado)
Na sada(extrato)
Na entrada(solvente)gua puraSumrio43Esta aula cobriu: Lixiviao
Ternria Ideal; Interpretao grfica de balanos de massa e equilbrios;
Um procedimento pata determinar a composio dos produtos e; lixiviao
multi-estgio em contracorrente.