Curso de Engenharia Química Operações Unitárias II 2017/2. Prof. Rodolfo Rodrigues. Exercício 1* (Geankoplis, 2003, Exemplos e 12.

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1 Curso de Engenharia Química Operações Unitárias II 27/2 Prof. Rodolfo Rodrigues Lista 9: Extração Líquido-Líquido Exercício * (adaptado de Azevedo e Alves, 29, Exemplo 2.2; Seader, Henley e Roper, 2, Exemplo 4.7) A 25 C e kpa misturam-se g de uma solução com 45% (em massa) de etilenoglicol (EG) e 55% de água com 2 g de furfural puro. Determine: a) As massas e as composições das fases de refinado e de extrato resultantes da mistura. b) O percentual de remoção de EG da mistura. c) As quantidades mínima e máxima de furfural para extração de EG. d) A composição máxima de EG na mistura inicial que torne possível a extração. e) As composições das fases de refinado e de extrato em base livre de furfural. Tabela : Dados de equilíbrio líquido-líquido para furfural EG água. Furfural EG Água Furfural EG Água,95,5,275,525,2,93,52,45,39,475,386,86,,39,,4,49,75,2,49,97,3,63,667,275,58,84,5,766,49,45,95,77,923,343,55,52 Tabela 2: Dados de equilíbrio mútuo (linha de amarração) para furfural EG água. Etilenoglicol Etilenoglicol Fase aquosa Fase orgânica Fase aquosa Fase orgânica,45,45,4,,55,325,3,75,525,275,2,62,55,2,5,52,475,5,73,25 Utilize o diagrama de equilíbrio de fases da Fig. produzido a partir dos dados de equilíbrio da Tab.. Já os dados para construção das linhas de amarração estão disponíveis na Tab. 2. Exercício * (Geankoplis, 23, Exemplos 2.7- e 2.7-2) Considere um processo de extração multiestágio contracorrente de uma solução aquosa de ácido acético utilizando éter isopropílico puro como solvente. Determine o que se pede para cada caso: a) Solvente a uma vazão de 6 kg/h é usado para extrair uma solução aquosa de 2 kg/h com 3% de ácido acético. Deseja-se obter uma concentração final de ácido acético na fase aquosa de 4%. Calcule as composições e as vazões das correntes do extrato e do refinado. Determine ainda as composições das mesmas correntes em base livre de solvente. b) Solvente a uma taxa de 45 kg/h é usado para extrair uma solução aquosa de 5 kg/h com 3% de ácido acético. A concentração de saída do ácido na fase aquosa é de %. Calcule o número de estágios requeridos. Os dados de equilíbrio são encontrados na Tab. 3. Utilize o diagrama ternário da Fig. 2 para resolução do exercício. Tabela 3: Dados de equilíbrio líquido-líquido para ácido acético água éter a 2 C e atm.* Fase aquosa Fase etérea Ácido Água Éter Ácido Água Éter,988,2,6,994,69,98,2,8,5,993,4,97,5,37,7,989,289,955,6,79,8,984,642,97,9,93,,97,33,844,23,482,9,933,255,7,34,4,39,847,367,589,44,26,69,75,443,45,6,3,8,58,464,37,65,362,5,487 *Fases aquosa e etérea na mesma linha estão em equilíbrio entre si. Respostas: (a) R N = 36 kg/h (4% soluto,,7% solvente). E = 664 kg/h (8% soluto, 9% solvente). (b) N = 2,5.

2 Exercício 2* (Azevedo e Alves, 29, Exemplo 9.2, ver errata do livro; Seader, Henley e Roper, 2, Exercício 8.) kg/h de uma solução aquosa binária com 4% (% mássicas) de acetona vai ser extraída em processo contínuo (a 25 C e atm) e em contracorrente com,,2- tricloroetano (TCA), para obter um refinado que contenha % de acetona. Calcule: a) A quantidade mínima do solvente. b) O número de estágios, usando uma quantidade de solvente,5 vezes maior que a quantidade mínima. c) As vazões e as composições das correntes que saem de cada estágio. Utilize o diagrama ternário de equilíbrio de fases (triângulo equilátero) dado na Fig. 3. Os pontos para a construção da linha de solubilidade estão disponíveis na Tab. 4 e os dados de equilíbrio mútuo para a construção das linhas de amarração estão disponíveis na Tab. 5: Tabela 4: Dados de equilíbrio líquido-líquido para acetona água tricloroetano. Extrato Refinado Acetona Água TCA Acetona Água TCA,6,3,27,55,35,,5,4,46,5,43,7,4,3,57,4,57,3,3,2,68,3,68,2,2,5,785,2,79,,,,89,,895,5 Tabela 5: Dados de equilíbrio mútuo (linha de amarração) para acetona água tricloroetano. Soluto no refinado Soluto no extrato,44,56,29,4,2,8 Exercício 4 (Foust et al., 982, Problema 4.2) Deseja-se extrair kg de uma solução com 35% de ácido acético em água, com 2 kg de éter isopropílico puro. Os dados de equilíbrio do sistema ácido acético água éter isopropílico são dados na Tab. 3: Calcular a percentagem de remoção do ácido acético da fase aquosa para cada uma das seguintes propostas de operação a partir do diagrama ternário dado na Fig. 2: a) O éter é divido em 4 frações de 5 kg cada uma. A solução aquosa é misturada com uma fração de 5 kg, a fase etérea é separada e a fase aquosa remanescente é extraída com a segunda alíquota de 5 kg de éter. O processo continua até serem usadas todas as 4 alíquotas. b) Considere a mesma operação que no item (a), mas usando-se somente 3 estágios de extração com 667 kg cada um. c) Considere um único estágio de extração com 2 kg de éter. Determine ainda as quantidades mínima e máxima de solvente para esta operação de extração. Exercício 5 (Wankat, 22, Problema D4, Cap. 3) Os dados de equilíbrio para o sistema água ácido acético éter isopropílico são dados na Tab 3. Tem-se uma alimentação com 3% de ácido acético e 7% de água. Esta alimentação é tratada com éter isopropílico puro. Uma extração em batelada feita em um tanque de mistura processa 5 kg de alimentação. a) Quais são as quantidades mínima e máxima de solvente necessárias para a extração? b) Se kg de solvente é usado, encontre as composições do extrato e do refinado. c) Se é requerido um refinado de composição x A =,, quanto solvente é necessário? Utilize o diagrama ternário dado na Fig. 2 para resolução do exercício. Respostas: (a) S min = 25 kg/h. (b) pouco menos de 4 estágios. (c) R = 669 kg/h (% soluto, 89,5% diluente), R 2 = 77 kg/h (8,5% soluto, 8% diluente), R 3 = 866 kg/h (26,5% soluto, 7% diluente), R 4 = 994 kg/h (34% soluto, 62,5% diluente), E = 476 kg/h (5,8% soluto, % diluente), E 2 = 572 kg/h (28% soluto, % diluente), E 3 = 7 kg/h (38,3% soluto, 2% diluente), E 4 = 76 kg/h (47,5% soluto, 3% diluente). Respostas: (b) y A =,5, y W = 85,7 kg/h. =,4, x A =,23 e y A =,73. (c) S Exercício 3* (Azevedo e Alves, 29, Exemplo 9.2, ver errata do livro; Seader, Henley e Roper, 2, Exercício 8.2) Resolva novamente o Exercício 2 utilizando o diagrama ternário (triângulo retângulo) da Fig. 4. 2

3 Exercício 6 (Wankat, 22, Problema D2, Cap. 3) Os dados de equilíbrio para a extração de metilcicloexano (A) de n-heptano (D) em anilina (S) são dados na Tab. 6. Têm-se kg/h de uma alimentação contendo 6% de metilcicloexano e 4% de n-heptano e 5 kg/h de uma segunda alimentação contendo 2% de metilcicloexano e 8% de n-heptano. Estas alimentações são misturadas com 2 kg/h de anilina pura em um único estágio de equilíbrio. Tabela 6: Dados de equilíbrio para metilcicloexano heptano anilina.* Fase de hidrocarboneto Fase rica em anilina metilcicloexano n-heptano metilcicloexano n-heptano x A x D y A y D,926,62,92,83,8,6,86,734,27,53,22,698,3,5,338,576,46,45,49,54,6,4,46,45,74,36,59,37,92,28,672,228,3,2,76,82,27,6,736,6,3,4,833,54,56,6,88,69 *Fases na mesma linha estão em equilíbrio entre si. a) Quais são as composições do extrato e do refinado que deixam o estágio? b) Qual é a vazão mássica do extrato? Utilize o diagrama ternário dado na Fig. 5 para resolução do exercício. Respostas: (a) x A =,42 e x D =,48; y A =,6 e y D =,5. (b) 24 kg. Formulário R S= E o R 2 E 2 R 3 R j... E 2... E j- j R j+ R N... E j... E N- Legenda: A = soluto, D = diluente j = j-ésimo estágio de equilíbrio, (j =, 2,..., N) N = último estágio de equilíbrio Coeficiente de distribuição: Balanço global: Ponto de mistura global: Ponto de mistura do estágio j: Balanço por componentes: N R N+ =F E N K d = y A x A () F + S = R + E N = M (2) R j+ + E j = R j + E j = M j (3) x A,N+ F + y A, S = x A,M M = (4) = x A, R + y A,N E N x D,N+ F + y D, S = x D,M M = (5) Regra da alavanca: = x D, R + y D,N E N x A,M = x A,N+F + y A, S F + S x D,M = x D,N+F + y D, S F + S (6) (7) S F = MF MS = RF RS (8) S M = MF SF (9) R M = ME ER () E R = MR ME () E M = MR ER (2) SF = MS + MF (3) ER = ME + MR (4) Ponto : = E + R = E R 2 =... (5) = E j R j+ = = E N R N+ R j+ E j = E j R j+ (6) 3

4 furfural Figura : Diagrama do sistema etilenoglicol(eg) furfural água a 25 C e kpa. etilenoglicol água 4

5 Figura 2: Diagrama do sistema ácido acético éter isopropílico água a 2 C e atm. 5

6 tricloroetano Figura 3: Diagrama do sistema acetona água,,2-tricloroetano(tca) a 25 C e atm. acetona água 6

7 Acetona TCA Água Figura 4: Diagrama do sistema acetona água,,2-tricloroetano(tca) a 25 C e atm. A linha tracejada representa a linha conjugada. 7

8 anilina Figura 5: Diagrama do sistema metilcicloexano heptano anilina. metilcicloexano n-heptano 8