Balanço de Massa. Processo de Extração Destilação
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- Alice Felgueiras Furtado
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1 Balanço de Massa Processo de Extração Destilação
2 Processo de Extração Destilação Uma mistura contendo 50,0% em peso de acetona e 50,0% em peso de água deve ser separada em duas correntes - um enriquecido em acetona, o outro em água. O processo de separação consiste na extração da acetona da água em metil isobutil cetona (MIBC), que dissolve a acetona, mas é quase imiscível com água. A descrição a seguir apresenta alguns dos termos comumente usados em referência aos processos de extração líquida. O processo é mostrado esquematicamente a seguir.
3 Coluna de Destilação M (MIBC solvente) M (MIBC solvente) Alimentação 50% A, 50% W Misturador Rafinado 1 Misturador Rafinado 2 93,1% W, algum M e A Decantador Decantador Extrato 1 Principalmente M e A Extrato 2 Maior parte M, algum A e W Produto: 97% A, 2% M, 1% W A = acetona (soluto) W = água (diluente) M = MIBC (diluente) Extrato combinado A maior parte do A na alimentação, M Solvente Recuperado Principalmente M, algum W e A
4 Processo de Extração Destilação A mistura de acetona (soluto) - água (diluente) entra em contato pela primeira vez com o MIBC (solvente) em um misturador que proporciona um bom contato entre as duas fases líquidas. Uma porção da acetona na alimentação transfere-se da fase aquosa (água) para a fase orgânica (MIBC) nesta etapa. A mistura passa para um tanque de decantação, onde as fases se separam e são retiradas separadamente (rafinado e extrato). A fase rica no diluente (água, neste processo) é referido como o rafinado e a fase rica em solvente (MIBC) é o extrato. A combinação de misturador-decantador (extrator) é a primeira etapa deste processo de separação.
5 Coluna de Destilação O que entra e o que sai? M (MIBC solvente) M (MIBC solvente) Alimentação 50% A, 50% W Misturador Rafinado 1 Misturador Rafinado 2 93,1% W, algum M e A Decantador Decantador Extrato 1 Principalmente M e A Extrato 2 Maior parte M, algum A e W Produto: 97% A, 2% M, 1% W A = acetona (soluto) W = água (diluente) M = MIBC (diluente) Extrato combinado A maior parte do A na alimentação, M Solvente Recuperado Principalmente M, algum W e A
6 Processo de Extração Destilação - Exemplo Em um estudo de planta-piloto, para cada 100 kg de acetona-água alimentada ao primeiro estágio de extração, 100 kg de MIBC são alimentados para o primeiro estágio e 75 kg são alimentados para o segundo estágio. O extrato de o primeiro estágio contém 27,5% em peso de acetona. (Todas as porcentagens são percentuais de peso.) O refinado do segundo estágio tem uma massa de 43,1 kg e contém 5,3% de acetona, 1,6% de MIBK e 93,1% de água, e o extrato do segundo estágio contém 9,0% de acetona, 88,0% de MIBC e 3,0% de água. O produto acima da coluna de destilação contém 2,0% de MIBC, 1,0% de água e o equilíbrio de acetona. Com base no cálculo de 100 kg de alimentação de acetona e água, calcule as massas e as composições (percentagens em peso de componentes) do rafinado e extrato da Etapa 1, o extrato da Estapa 2, o extrato combinado, e os produtos de destilação de topo e de fundo.
7 Processo de Extração Destilação - Solução 1) Desenhar e Rotular o fluxograma Por simplicidade, vamos tartar cada combinação misturador-decantador como uma única unidade chamada extrator.
8 Coluna de Destilação 1) Desenhando e rotulando o fluxograma M (MIBC solvente) M (MIBC solvente) Alimentação 50% A, 50% W Extrator Rafinado 1 Extrator Rafinado 2 93,1% W, algum M e A Extrato 1 Principalmente M e A Extrato 2 Maior parte M, algum A e W Produto: 97% A, 2% M, 1% W A = acetona (soluto) W = água (diluente) M = MIBC (diluente) Extrato combinado A maior parte do A na alimentação, M Solvente Recuperado Principalmente M, algum W e A
9 Coluna de Destilação 1) Desenhando e rotulando o fluxograma 100 kg 0,500 A 0,500 W A = acetona (soluto) W = água (diluente) M = MIBC (diluente) Extrator 100 kg M m2 (kg) ma2 (kg de A) mm2 (Kg de M) mw2 (kg de W) m1 (kg) ma1 = 0,275 (kg de A) mm1 = xm1 (Kg de M) mw1 = 0,725 - xm1(kg de W) m4 (kg) ma4 = (kg de A) mm4 = (Kg de M) mw4 = (kg de W) Extrator 75 kg M m3 (kg) ma3 = 0,09 (kg de A) mm3 = 0,88 (Kg de M) mw3 = 0,03 (kg de W) 43,1 Kg 0,053 kg A /kg 0,016 kg M/kg 0,931 kg W/kg m5 (kg) ma5 = 0,97 (kg de A) mm5 = 0,02 (Kg de M) mw5 = 0,01 (kg de W) m6 (kg) ma6 = (kg de A) mm6 = (Kg de M) mw6 = (kg de W)
10 Processo de Extração Destilação - Solução 1) Desenhar e Rotular o fluxograma Por simplicidade, vamos tartar cada combinação misturador-decantador como uma única unidade chamada extrator. 2) Escrever o balanço de massa geral Os balanços podem ser escritos para qualquer um dos sistemas mostrados no gráfico, extratores individuais, combinação de dois extratos, ponto onde as duas correntes de extrato se combinam, coluna de destilação, incluindo o processo geral.
11 2) Escrevendo o balanço de massa geral a. Analisando o sistema dos dois extratores:
12 Coluna de Destilação Analisando o sistema dos dois extratores 100 kg 0,500 A 0,500 W A = acetona (soluto) W = água (diluente) M = MIBC (diluente) Extrator 100 kg M m2 (kg) ma2 (kg de A) mm2 (Kg de M) mw2 (kg de W) m1 (kg) ma1 = 0,275 (kg de A) mm1 = x1 (Kg de M) mw1 = 0,725 - x1 (kg de W) m4 (kg) ma4 = (kg de A) mm4 = (Kg de M) mw4 = (kg de W) Extrator 75 kg M m3 (kg) ma3 = 0,09 (kg de A) mm3 = 0,88 (Kg de M) mw3 = 0,03 (kg de W) 43,1 Kg 0,053 kg A /kg 0,016 kg M/kg 0,931 kg W/kg m5 (kg) ma5 = 0,97 (kg de A) mm5 = 0,02 (Kg de M) mw5 = 0,01 (kg de W) m6 (kg) ma6 = (kg de A) mm6 = (Kg de M) mw6 = (kg de W)
13 2) Escrevendo o balanço de massa geral a. Analisando o sistema dos dois extratores: escreva o balanço de massa total e o balanço de acetone; resolva os sistemas simultaneamente para determiner m1 e m3; escreva o balanço de massa de MIBC para determiner xm1 - Balanço de Massa Total ( )kg = 43,1 kg+ m1 + m ,1 = m1 + m3 m1 = 231,9 m3 - Balanço de Acetona A [100.(0,500) (0) + 75.(0)]kg A = (43,1).(0.053) kg A + m1.(0.275) + m3.(0.09)
14 - Balanço de Acetona A [100.(0,500) (0) + 75.(0)]kg A = (43,1).(0,053) kg A + m1.(0.275) + m3.(0,09) [100.(0,500) (0) + 75.(0)]kg A = (43,1).(0,053) kg A + (231,9 m3).(0,275) + m3.(0,09) 50 kg A = (43,1).(0,053) kg A = (231,9 m3).(0,275) + m3.(0,09) 50 2, ,7725 = 0,275.m3 + 0,09.m3 16,0568 = 0,185.m3 m3 = 86,7935 m3 = 86,8 kg - Balanço de Massa Total m1 = 231,9 m3 m1 = 145,1065 kg m1 = 145,1 kg
15 - Balanço de Solvente M [100.(0) ] kg M = (43,1).(0,016) kg M + m1.(x1) + m3.(0,88) 175 = 0, ,1065.(x1) + 86,7935.(0,88) 175 = 0, ,1065.(x1) X1 = kg M /Kg
16 2) Escrevendo o balanço de massa geral a. Analisando o sistema dos dois extratores: b. Analisando o sistema no ponto de mistura dos extratores:
17 Coluna de Destilação Analisando o sistema no ponto de mistura dos extratores 100 kg 0,500 A 0,500 W A = acetona (soluto) W = água (diluente) M = MIBC (diluente) Extrator 100 kg M m2 (kg) ma2 (kg de A) mm2 (Kg de M) mw2 (kg de W) m1 (kg) ma1 = 0,275 (kg de A) mm1 = x1 (Kg de M) mw1 = 0,725 - x1 (kg de W) m4 (kg) ma4 = (kg de A) mm4 = (Kg de M) mw4 = (kg de W) Extrator 75 kg M m3 (kg) ma3 = 0,09 (kg de A) mm3 = 0,88 (Kg de M) mw3 = 0,03 (kg de W) 43,1 Kg 0,053 kg A /kg 0,016 kg M/kg 0,931 kg W/kg m5 (kg) ma5 = 0,97 (kg de A) mm5 = 0,02 (Kg de M) mw5 = 0,01 (kg de W) m6 (kg) ma6 = (kg de A) mm6 = (Kg de M) mw6 = (kg de W)
18 2) Escrevendo o balanço de massa geral b. Analisando o sistema sistema no ponto de mistura dos extratores: escreva o balanço de massa da acetona, MIBC e da água; resolver para determinar ma4, mm4 e mw4, respectivamente. - Balanço de Acetona A m1.(0,275) + m3.(0,09) kg A = ma4 145,1065.(0,275) + 86,7935.(0,09) = ma4 ma4 = 47,7157 Kg A ma4 = 47,7 kg de A
19 - Balanço de Solvente M m1.(xm1) + m3.(0,88) kg M = mm4 145,1065.(0,675) + 86,7935.(0,88) = mm4 mm4 = 174,3252 Kg M mm4 = 174,3 kg de M - Balanço de Água W m1.(mw1) + m3.(mw3) kg W = mw4 145,1065.(0,725 x1) + 86,7935.(0,03) = mw4 145,1065.(0,725 0,675) + 86,7935.(0,03) = mw4 mw4 = 9,8591 Kg W mw4 = 9,9 kg de W
20 2) Escrevendo o balanço de massa geral a. Analisando o sistema dos dois extratores: b. Analisando o sistema no ponto de mistura dos extratores: c. Analisando o sistema no primeiro (ou segundo extrator):
21 Coluna de Destilação Analisando o sistema no primeiro (ou segundo extrator) 100 kg 0,500 A 0,500 W A = acetona (soluto) W = água (diluente) M = MIBC (diluente) Extrator 100 kg M m2 (kg) ma2 (kg de A) mm2 (Kg de M) mw2 (kg de W) m1 (kg) ma1 = 0,275 (kg de A) mm1 = x1 (Kg de M) mw1 = 0,725 - x1 (kg de W) m4 (kg) ma4 = (kg de A) mm4 = (Kg de M) mw4 = (kg de W) Extrator 75 kg M m3 (kg) ma3 = 0,09 (kg de A) mm3 = 0,88 (Kg de M) mw3 = 0,03 (kg de W) 43,1 Kg 0,053 kg A /kg 0,016 kg M/kg 0,931 kg W/kg m5 (kg) ma5 = 0,97 (kg de A) mm5 = 0,02 (Kg de M) mw5 = 0,01 (kg de W) m6 (kg) ma6 = (kg de A) mm6 = (Kg de M) mw6 = (kg de W)
22 2) Escrevendo o balanço de massa geral c. Analisando o sistema no primeiro (ou segundo extractor): escreva o balanço de massa da acetona, MIBC e da água; resolver para determinar ma2, mm2 e mw2. Utilizando o extrator 1: - Balanço de Acetona A 100.(0,5) kg A = ma2 + m1.(0,275) 50 = ma ,1065.(0,275) ma2 = 10,0957 Kg A ma2 = 10,1 kg de A
23 - Balanço de Solvente M 100 kg M = mm2 + m1.(x1) 100 = mm ,1065.(0,675) mm2 = 2,0531 Kg M mm2 = 2,1 kg de M - Balanço de Água W 100.(0,5) kg W = mw2 + m1.(mw1) 50 = mw ,1065.(0,725 x1) 50 = mw ,1065.(0,725 0,675) ma2 = 42,7447 Kg W mw4 = 42,7 kg de W
24 Coluna de Destilação Se soubéssemos (ou poderíamos determinar de forma independente) qualquer uma das variáveis m5, ma6, mm6 ou mw6, poderíamos calcular os três restantes. Como não temos, devemos terminar os cálculos neste momento. 100 kg M 75 kg M 100 kg 0,500 A 0,500 W A = acetona (soluto) W = água (diluente) M = MIBC (diluente) Extrator m2 (kg) ma2 (kg de A) mm2 (Kg de M) mw2 (kg de W) m1 (kg) ma1 = 0,275 (kg de A) mm1 = xm1 (Kg de M) mw1 = 0,725 - xm1(kg de W) m4 (kg) ma4 = (kg de A) mm4 = (Kg de M) mw4 = (kg de W) Extrator m3 (kg) ma3 = 0,09 (kg de A) mm3 = 0,88 (Kg de M) mw3 = 0,03 (kg de W) 43,1 Kg 0,053 kg A /kg 0,016 kg M/kg 0,931 kg W/kg m5 (kg) ma5 = 0,97 (kg de A) mm5 = 0,02 (Kg de M) mw5 = 0,01 (kg de W) m6 (kg) ma6 = (kg de A) mm6 = (Kg de M) mw6 = (kg de W)
25 Tarefa Determine as variáveis, m5, m6, mm6 e mw6, considerando ma6 = 0,03.
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