Processos em Engenharia: Processos de Separação

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1 Processos em Engenharia: Processos de Separação Prof. Daniel Coutinho Departamento de Automação e Sistemas DAS Universidade Federal de Santa Catarina UFSC DAS Aula 10 p.1/44

2 Sumário Introdução Separação de Misturas 1. Sólidos 2. Sólidos e gases 3. Sólidos e líquidos 4. Líquidos com diferentes volatilidades 5. Multifásica (gás, água e óleo) Exemplos DAS Aula 10 p.2/44

3 Introdução - I Um processo de separação é qualquer processo de transferência de massa que converte uma mistura de substâncias em dois ou mais produtos (que possuem uma concentração maior de uma determinada substância). Em alguns casos, a separação pode levar a completa separação entre duas substâncias. Os processos de separação são baseados nas diferentes propriedades físico-químicas dos substâncias presentes na mistura como tamanho, formato, massa ou afinidade química. DAS Aula 10 p.3/44

4 Introdução - II A grande maioria dos elementos na natureza são normalmente encontrados em estado impuro (i.e., misturado com outros elementos). Portanto, a separação de materiais tem grande importância industrial por constituir um meio de preparar um produto para a sua comercialização ou para uma operação subseqüente. A separação também pode ser a base para um método de análise físico-química. Como, por exemplo, na determinação do conteúdo de chumbo na gasolina, que não pode ser determinado por medição indireta. DAS Aula 10 p.4/44

5 Exemplo 1 Um exemplo clássico de processo de separação é o refino de óleo crú (petróleo). O óleo crú é naturalmente composto por uma mistura de hidrocarbonetos e impurezas. O processo de refino separa a mistura em diversas substâncias de grande valor comercial como gás natural, gasolina, óleo diesel e materia prima (nafta) para indústria petroquímica. Para separar esses diversos elementos, o óleo crú passa por uma série de processos de separação (colunas de destilação) para chegar ao produto desejado. DAS Aula 10 p.5/44

6 Exemplo 2 - I A cromatografia em papel é uma técnica de partição, utilizando dois líquidos, ou misturas de líquidos, um atuando como fase móvel (eluente) e outro, suportado sobre papel, atuando como fase estacionária. Ocorre a retenção das substâncias devido às diferentes afinidades para com as fases estacionária e móvel. Utiliza-se papel normal ou papel de filtro (mais utilizado) como suporte da fase estacionária. DAS Aula 10 p.6/44

7 Exemplo 2 - II A mistura é aplicada no papel e mergulhada na mistura das fases líquida e estacionária. A tira de papel de suporte é colocada em um cuba contendo o eluente. Esta fase móvel (solvente) sobe por capilaridade e arrasta a substância pela qual tem mais afinidade, separando-a das substâncias com maior afinidade pela fase estacionária. Como a maioria das substâncias separadas são incolores, utiliza-se um revelador. As manchas podem ser reveladas por meio de luz UV, vapores de iodo, soluções de cloreto férrico e tiocianoferrato de potássio, fluorescências, radioatividade, etc. DAS Aula 10 p.7/44

8 Introdução - III As operações básicas de separação podem ser agrupadas segundo o ESTADO da matéria ou matérias submetidas a tratamento. O conceito de FASE se refere a toda porção homogênea e mecanicamente distinta - ou mecanicamente separável de matéria. Por exemplo, água e areia representam duas fases ou matérias distintas e cada uma representa, isoladamente, uma fase distinta. Uma camada de azeite flutuando na água, ou emulsionada com ela, constitui uma massa homogênea mecanicamente diferente da água, e, portanto, uma fase distinta. DAS Aula 10 p.8/44

9 Introdução - IV As fases presentes num dado momento podem ser uma ou várias sólidas e uma ou várias líquidas. Uma mistura de sal, gelo, água e vapor, esta composta por duas fases sólidas e duas fluidas, uma líquida e outra vapor. Os gases são fluidos e correntemente, somente e apresentam uma fase fluida gasosa. Nesta aula são estudados os processos de separação visando a separação de sólidos entre si, sólidos de líquidos, sólidos de gases, líquidos de líquidos, líquidos de vapores e vice-versa, utilizando tecnologias que vão da simples decantação aos processos com transferência de matéria nas grandes colunas de destilação. DAS Aula 10 p.9/44

10 Separação de Sólidos - I Existem diversas formas de separação de sólidos (mistura heterogênea) que dependem das suas propriedades físicas: 1. Catação 2. Ventilação 3. Levigação 4. Separação magnética 5. Peneiração 6. Flotação DAS Aula 10 p.10/44

11 Catação Sólidos de aspectos diferentes são separados manualmente. DAS Aula 10 p.11/44

12 Ventilação O sólido menos denso é separado por uma corrente de ar. DAS Aula 10 p.12/44

13 Levigação O Sólido menos denso é separado por uma corrente de água. DAS Aula 10 p.13/44

14 Magnética Um dos sólidos é atraído por um ímã. Só é usada quando uma das substâncias possui propriedades magnéticas Ex: ferro, níquel e cobalto (ferromagnéticas). DAS Aula 10 p.14/44

15 Peneiração Usada quando os sólidos possuem tamanhos diferentes. Também podemos usar peneiras com diferentes malhas. DAS Aula 10 p.15/44

16 Separação de Sólidos - II Processos industriais: tamisado. O tamisado consiste na separação de uma mistura de partículas de diferentes tamanhos em duas ou mais frações, cada uma das quais formada por partículas de tamanho mais uniforme que a mistura original. O tamisado pode ser dividido em: 1. em seco para materiais com pouca umidade natural ou previamente secos; 2. em úmido com adição de água que arrasta através da peneira as partículas mais finas. DAS Aula 10 p.16/44

17 Tamisado em Seco DAS Aula 10 p.17/44

18 Sólidos Usando Líquidos - I A direção do movimento de partículas sólidas em fluidos, para acima ou para abaixo, depende da densidade relativa do sólido com relação à do fluido. Tal fato constitui a base do procedimento de separação de sólidos segundo suas respectivas densidades conhecido como classificação ou separação hidráulica. Quando se dispõe de um fluido, cuja densidade seja intermediária entre as dos sólidos a separar as partículas podem ser classificadas simplesmente introduzindo-as numa determinada massa desse fluido. Umas flutuarão e as outras afundarão. DAS Aula 10 p.18/44

19 Flotação - I Um líquido é usado para separar sólidos de diferentes densidades. O menos denso flutua. DAS Aula 10 p.19/44

20 Sólidos Usando Líquidos - II No caso de se ter partículas mais densas que o fluido é possível ainda separá-las por diferença de velocidades de translação no seio do fluido. Classificação: a separação de um material granular em duas ou mais frações utilizando a maior ou menor velocidade de translação das suas partículas no seio do fluido é denominada classificação. A classificação pode ser dividida em: por tamanhos, quando utilizada para separar por tamanho (e forma) materiais da mesma densidade; concentração, quando os tamanhos são equivalentes e a separação é realizada por diferença de densidades. DAS Aula 10 p.20/44

21 Dispositivos de Classificação ou Concentração DAS Aula 10 p.21/44

22 Flotação - II Nas modernas técnicas de flutuação com espumas, as partículas sólidas são mantidas permanentemente agitadas com água, sobre a que se mantém uma camada de espuma espessa. DAS Aula 10 p.22/44

23 Sólidos de Gases A separação de sólidos (ou líquidos) dos gases em que estão suspensos pode ser dividida em duas classes gerais: os que trabalham em seco, atuando sobre a suspensão tal como ela se apresenta, e os que trabalham em úmido usando um fluido adicional para facilitar a separação. O mais comum é o filtro que permite a passagem do gás retendo o sólido formando uma camada que pode ser descarregada periodicamente. DAS Aula 10 p.23/44

24 Decantação A mistura passa através de obstáculos, onde o sólido fica retido. Usado nas indústrias. DAS Aula 10 p.24/44

25 Separador Ciclone É formado por um cilindro vertical com uma entrada tangencial próxima a parte superior por onde entra a corrente fluidal DAS Aula 10 p.25/44

26 Separação de Sólidos e Líquidos Sedimentação: é a operação de separar de uma suspensão, um fluido claro que tende a ficar na superfície e um lodo denso contendo elevada concentração de materiais sólidos. A sedimentação por ser descontínua ou contínua Sedimentação descontínua: DAS Aula 10 p.26/44

27 Sedimentação Contínua DAS Aula 10 p.27/44

28 Filtragem É o processo que permite a separação de uma mistura líquido/sólido nos seus componentes utilizando um meio filtrante que deixa passar o líquido e retém as partículas sólidas. Filtros por gravidade: o mais simples e antigo (ex: filtro de areia). são usados no tratamento de grandes volumes que contém somente pequena proporção de sólidos em suspensão. DAS Aula 10 p.28/44

29 Filtro de Areia DAS Aula 10 p.29/44

30 Filtro Prensa constituído por placas e molduras, adaptando tecidos de filtragem nos casos das placas o conjunto se mantém unido formando uma unidade através de esforço mecânico. DAS Aula 10 p.30/44

31 Centrifugação - I É usada para acelerar a decantação. As partículas são arremessadas para o fundo do tubo. DAS Aula 10 p.31/44

32 Centrifugação - II A centrifugação também pode ser utilizada para separar líquido de líquido (por diferença de densidades). Centrífuga contínua: DAS Aula 10 p.32/44

33 Dissolução Fracionada Apenas um dos sólidos da mistura se dissolve em um líquido. Também pode ser chamado de solubilização. DAS Aula 10 p.33/44

34 Extração Sólido - Líquido Extração é o termo aplicado a toda operação na qual um dos constituintes de uma substância sólida ou líquida é transferida a um líquido (o dissolvente). A expressão extração sólido/líquido, aplica-se somente nos casos em que existe uma fase sólida. Exemplos: óleo das sementes de soja e açúcar da beterraba. Sempre é realizada em duas etapas: 1. contato do dissolvente com o sólido que libera o componente solúvel (soluto); 2. lavado ou separação da solução do resto do sólido. DAS Aula 10 p.34/44

35 Extração Líquido-Líquido Neste caso uma substância dissolvida num líquido é transferida a outra fase também líquida. O dissolvente deve ser insolúvel ou muito pouco solúvel na dissolução que se trata de extrair. É realizado em duas etapas: 1. contato do dissolvente com a mistura que libera o componente solúvel (soluto); 2. separação da solução DAS Aula 10 p.35/44

36 Líquido-Líquido Heterogênea Decantação: é feita separando-se líquidos imiscíveis por meio de diferenças de densidade. DAS Aula 10 p.36/44

37 Líquido-Líquido Homogênea Destilação Fracionada: consiste no aquecimento da mistura de líquidos miscíveis, cujos pontos de ebulição são próximos. A mistura é aquecida num balão de destilação, onde os líquidos destilam-se na ordem crescente de seus pontos de ebulição DAS Aula 10 p.37/44

38 Coluna de Destilação - I A coluna de destilação é provavelmente o processo mais importante e popular estudado na literatura da engenharia química. A coluna de destilação é usada em muitos processos químicos para a separação e ou purificação na indústria química. DAS Aula 10 p.38/44

39 Coluna de Destilação - II A coluna de destilação é comumente empregada no refino do petróleo. Na maioria dos casos é um processo continuo: novas matérias-primas estão sempre sendo alimentadas na coluna de destilação e produtos estão sempre sendo removidos. A menos que o processo seja perturbado devido a mudanças nas matérias primas, calor, temperatura ambiente, ou condensação, a quantidade de matéria prima a ser adicionada e o volume de produto a ser retirado são normalmente iguais. DAS Aula 10 p.39/44

40 Coluna de Destilação - III A destilação industrial é tipicamente realizada em grandes colunas cilíndricas verticais conhecidas como torres de destilação ou fracionamento ou colunas de destilação. Elas possuem um diâmetro variando entre 65 cm a até 6 metros, e altura de 6 a 60 metros ou mais. Tais torres possuem escoadouros de líquidos intervalados na coluna, os quais permitem a retirada de diferentes frações ou produtos que possuem diferentes ponto de ebulição. Os produtos mais leves (aqueles com pontos de ebulição mais baixo) saem do topo da coluna e os produtos mais pesados (aqueles como o ponto de ebulição mais alto) saem da parte inferior da coluna. DAS Aula 10 p.40/44

41 Coluna de Destilação - IV As bandejas na coluna de destilação são pratos metálicos circulares instalados usualmente em intervalos de 60 a 75 cm. DAS Aula 10 p.41/44

42 Separação Multifásica No processo de extração de petróleo de poços submarinos, obtém-se uma mistura multifásica composta de gases, água e óleo. O primeiro estágio no processamento primário da extração offshore consiste na separação das fases da mistura extraída do poço submarino. O dispositivo que realiza a separação da mistura em óleo e gás (que são utilizados na produção de energia), e água (geralmente descartada). O princípio básico de separação é a decantação devidos aos diferentes pesos específicos da mistura. DAS Aula 10 p.42/44

43 Separador Trifásico - I DAS Aula 10 p.43/44

44 Separador Trifásico - II Na câmara de separação efetua-se a separação de óleo, gás e água. A água por ser menos densa fica no fundo da câmera de separação e o óleo concentra-se na parte superior da câmara. O óleo que vence a barreira do vertedouro é acumulado na câmara de óleo. Para uma correta operação do separador existem 3 malhas de controle: (i) controle da pressão interna no separador; (ii) controle de nível na câmara de separação; e (iii) controle de nível na câmara de óleo. DAS Aula 10 p.44/44