Faculdade de Engenharia Química (FEQUI) Operações Unitárias 2 4ª Lista de Exercícios (parte B Extração Líquido-Líquido) Profº Carlos Henrique Ataíde (novembro de 2013) 1ª) Concurso Petrobras Químico (a) de Petróleo Junior de (2004) No processo de refino de petróleo, além de combustíveis, diversos produtos podem ser obtidos. Por exemplo, dos óleos pesados oriundos dos processos de destilação a pressão reduzida, podem ser extraídas as parafinas. Nesse processo, um solvente mistura de tolueno e acetona passa corrente em contracorrente em relação ao óleo pesado em uma torre de extração líquido-líquido. Na saída dessa torre, se obtém uma fase rica em solvente, a qual contém a parafina, e outra rica em óleo com baixo ponto de fluidez, que poderá dar origem a um óleo lubrificante. A fase rica em solvente é então resfriada, ocorrendo a precipitação da parafina, que é finalmente separada por filtração. Com relação a esse assunto, julgue (verdadeiro ou falso) os itens seguintes. A força motriz responsável pela migração da parafina do óleo para o solvente permanece constante ao longo de todo o percurso em uma torre, uma vez que ela depende apenas da natureza das fases envolvidas. Efetuando-se a extração em uma torre recheada, a altura de uma unidade de transferência pode ser definida como uma medida da eficiência da separação da parafina do óleo pesado pelo solvente. O tipo de recheio a ser usado na torre de extração pode ser confeccionado com diferentes materiais, sendo sempre recomendáveis materiais de baixo custo, baixa densidade e quimicamente inertes. Um dos parâmetros que determinam a eficiência de extração da parafina pelo solvente é a temperatura na qual ela é realizada. Uma desvantagem do processo em apreço é a contaminação do óleo residual com tolueno e acetona, os quais ficam retidos no óleo em teores consideráveis sem que seja possível removê-los. 2ª) Concurso Petrobras Químico (a) de Petróleo Junior (2010) Os ácidos naftênicos estão presentes em petróleos de diferentes origens, inclusive no petróleo nacional. O principal inconveniente causado pela presença desses ácidos é o ataque aos equipamentos. Uma das alternativas para a remoção desses ácidos é a extração por solventes. Sobre essa operação unitária, foram feitas as considerações a seguir. I- A utilização de modificadores capazes de alterar a relação solvente-diluente aumenta as perdas de solvente de extração por solubilidade no diluente. II- A distribuição do soluto entre as fases pode ser governada pela equação xn= xonk, onde x n é o peso do soluto que permanece na fase extraída, x o é a massa do soluto inicial, n é o numero de extrações e ké uma constante que envolve o coeficiente de distribuição. III- Em misturadores-decantadores,quanto maior for a agitação, maior a transferência de massa; contudo, também será maior o risco de formação de emulsões. IV- Para realizar extrações com dois líquidos de massas específicas muito próximas, pode-se lançar mão de uma centrífuga para acelerar o processo de separação das fases. Estão corretas as considerações (A) I e II, apenas. (B) III e IV, apenas. (C) I, II e III, apenas. (D) II, III e IV, apenas (E) I, II, III e IV. 3ª) Concurso Petrobras Engenheiro (a) de Processamento Junior Biocombustível (2010) A adição de uma quantidade de solvente (S) a uma solução binária de acetaldeído e água, na temperatura de 293 K e pressão de 1 atm, resulta na mistura (F) localizada no diagrama ternário a seguir, no qual figuram as linhas de amarração. As composições mássicas das fases extrato e rafinado são, aproximadamente, em termos percentuais:
Dados de equilíbrio líquido-líquido Acetaldeído/Água/Solvente S (Frações mássicas, 293 K e 1 atm) (A) (B) (C) (D) (E) Fases Solvente S Acetaldeído Água Extrato 2 28 70 Rafinado 74 24 2 Extrato 2 70 28 Rafinado 74 24 2 Extrato 2 24 74 Rafinado 70 28 2 Extrato 70 28 2 Rafinado 2 24 74 Extrato 74 28 70 Rafinado 2 24 74 4ª) Concurso Petrobras Engenheiro (a) de Processamento Junior (2010) O bom desempenho de uma operação de extração líquido líquido está diretamente relacionado à escolha adequada do solvente. Nessa perspectiva, analise as características dos solventes, apresentadas a seguir. I - Alta seletividade em relação ao soluto quando comparado aos demais componentes da mistura. II - Alta capacidade de solubilização do soluto. III - Baixa viscosidade para promover a separação de fases, minimizar a queda de pressão e aumentar a taxa de transferência de massa do soluto. IV - Elevada pressão de vapor. V - Baixa diferença de densidade relativa entre as fases extrato e rafinado. São corretas APENAS as características (A) I e II. (B) I e V. (C) II e IV. (D) III e IV. (E) II, III e V. 5ª) Concurso Petrobras Engenheiro (a) de Processamento Junior (2010) Os diagramas ternários a seguir representam o equilíbrio dos componentes N e Q com dois diferentes solventes, R e S. As linhas tracejadas correspondem às linhas de amarração (tie lines). Ao se comparar os diagramas apresentados e os dois solventes, conclui-se que o solvente R é 2
(A) menos seletivo que o S e irá produzir extratos mais pobres no soluto Q do que os rafinados. (B) menos seletivo que o S e irá produzir extratos mais ricos no soluto Q do que os rafinados. (C) mais seletivo que o S e irá produzir extratos mais pobres no soluto Q do que os rafinados. (D) mais seletivo que o S e irá produzir extratos mais ricos no soluto Q do que os rafinados. (E) tão seletivo quanto o S e irá produzir extratos com igual teor do soluto Q no extrato e no rafinado. 6ª) Concurso Petrobras Químico (a) de Petróleo Junior (2010) Uma corrente com 200 kg/s de uma mistura líquida de etilenoglicol água com 60% (em massa) de etilenoglicol são colocados em contato com a mesma quantidade de furfural puro a 298 K e 101.325 Pa. O diagrama de equilíbrio Etilenoglicol/Água/Furfural (frações mássicas, 298 K e 101.325 Pa) encontra-se a seguir. Com relação ao diagrama ternário do sistema etilenoglicol água furfural, a vazão mássica em kg/s e as composições da fase extrato, são, respectivamente, Vazão Composição (%) (kg/s) Água Etilenoglicol Furfural (A) 185,7 8 45 47 (B) 185,7 45 8 47 (C) 185,7 77 17 6 (D) 214,3 47 8 45 (E) 214,3 77 17 6 7ª) Concurso Petrobras Engenheiro (a) de Processamento Junior (2006) Em um sistema de extração líquido-líquido, os solventes das duas fases (água e querosene) são completamente imiscíveis. Assinale o diagrama que retrata adequadamente esse sistema, sabendo-se que: x S, y S = frações molares do soluto nas fases aquosa e orgânica x Q, y Q = frações molares do querosene nas fases aquosa e orgânica = reta de amarração. 3
8ª) Concurso Petrobras Engenheiro (a) de Processamento Junior (2008) A extração líquido-líquido é um método de separação mais eficiente que a destilação, I: no caso de substâncias inorgânicas complexadas ou dissolvidas em soluções aquosas ou orgânicas. II: no caso da separação de mistura estar de acordo com o tipo químico e não com a volatilidade relativa. III: no caso de misturas que formam azeótropos. (A) Apenas um item está certo. (B) Apenas os itens I e II estão certos. (C) Apenas os itens I e III estão certos. (D) Apenas os itens II e III estão certos. (E) Todos os itens estão certos. 9ª) Concurso Petrobras Engenheiro (a) de Processamento Junior (2010) 100 g de uma mistura ácido acético/água com 60% (em massa) de água são colocados em contato com 140 g de éter isopropílico puro a 20 C e 1 atm. Usando o diagrama ternário, com as linhas de amarrações (linhas tracejadas), as composições em frações mássicas das fases resultantes dessa mistura (rafinado e extrato) são, aproximadamente, (A) (B) (C) (D) (E) Fase Rafinado 0,04 de água, 0,11 de ácido acético e 0,85 de éter isopropílico 0,11 de água, 0,04 de ácido acético e 0,85 de éter isopropílico 0,04 de água, 0,30 de ácido acético e 0,66 de éter isopropílico 0,70 de água, 0,25 de ácido acético e 0,05 de éter isopropílico 0,04 de água, 0,11 de ácido acético e 0,85 de éter isopropílico Fase Extrato 0,30 de água, 0,65 de ácido acético e 0,05 de éter isopropílico 0,30 de água, 0,05 de ácido acético e 0,65 de éter isopropílico 0,70 de água, 0,05 de ácido acético e 0,25 de éter isopropílico 0,04 de água, 0,11 de ácido acético e 0,85 de éter isopropílico 0,70 de água, 0,25 de ácido acético e 0,05 de éter isopropílico 4
10ª) Concurso Petrobras Engenheiro (a) Junior Área de Processamento (2006) Duas correntes entram e duas correntes saem de um estágio de equilíbrio, conforme ilustrado a seguir. Corrente L o:100 kg de ácido acético; 20 kg de éter isopropílico e 80 kg de água Corrente V 2: 15 kg de ácido acético; 82 kg de éter isopropílico e 3 kg de água Considerando os dados do digrama ternário anterior, as quantidades 1 L e 1 V (em kg) são, respectivamente: (A) 100 e 200 (B) 140 e 160 5
(C) 160 e 140 (D) 200 e 100 (E) 200 e 100 11ª) Concurso Petrobras Químico (a) de Petróleo Junior 2011 Transpetro (2011) Considere que 1.000 kg/h de uma solução com 35% (massa) de ácido acético e 65% (massa) de água é alimentada a uma coluna de extração que opera em contracorrente. Para extrair o ácido acético, são usados 1.335 kg/h de éter isopropílico. É necessário que o produto rafinado contenha apenas 10% (massa) de ácido acético. Utilizando o gráfico da figura a seguir, conclui-se que a composição mássica de éter isopropílico da corrente extrato é, aproximadamente, Dados de Equilíbrio: Sistema Ácido Acético Água Éter Isopropílico a 101,3 kpa (Fração Mássica) (A) 0,06 (B) 0,18 (C) 0,24 (D) 0,76 (E) 0,97 12ª) Concurso Petrobras Profissional Junior Formação: Engenharia Química - Petrobras Distribuidora (2010) Considere o diagrama ternário de equilíbrio líquido-líquido abaixo. Analise as afirmações a seguir. I - Um sistema de composição global correspondente ao ponto Z possui, no equilíbrio, apenas uma fase líquida ternária. II - Um sistema de composição global correspondente ao ponto G possui uma fase líquida e está em equilíbrio com a mistura de composição J. III - Uma mistura de composição global correspondente ao ponto M possui duas fases líquidas em equilíbrio, cujas composições são, respectivamente, aquelas correspondentes aos pontos P e Q. IV - A mistura binária de composição global dada pelo ponto F alimenta um tanque e é misturada com o solvente puro S coincidente com o ponto B, enquanto que as duas fases resultantes que deixam o tanque têm 6
composições correspondentes aos pontos P e Q, sendo que a mistura correspondente ao ponto Q é o produto extrato e a mistura correspondente ao ponto P é o produto rafinado. V - Quando se utiliza a quantidade mínima de solvente para obter a separação das duas espécies, obtém-se um produto extrato com a máxima concentração de soluto. Está correto APENAS o que se afirma em (A) II e III. (B) III e IV. (C) I, II e IV. (D) I, III e V. (E) II, IV e V. 13ª) Concurso Petrobras Engenheiro (a) Processamento Junior (2010) O diagrama ternário abaixo representa o equilíbrio dos componentes A e C com um solvente B, no qual as composições estão em fração mássica. Em um processo de separação, 96 kg do componente B puro são adicionados a uma carga de 104 kg com iguais quantidades dos componentes A e C. Como resultado dessa mistura, duas fases líquidas denominadas genericamente por P e Q serão obtidas em quantidades e composições diferentes. As quantidades e composições de P e Q serão, aproximadamente, (A) P = 117 kg ( 38% de B, 2% de C) e Q = 83 kg (81% de C, 18% de B) (B) P = 117 kg ( 2% de B, 38% de C) e Q = 83 kg (81% de B, 18% de C) (C) P = 83 kg ( 2% de B, 38% de C) e Q = 117 kg (81% de B, 18% de C) (D) P = 83 kg ( 38% de B, 2% de C) e Q = 117 kg (81% de C, 18% de B) (E) P = 83 kg ( 38% de B, 60% de C) e Q = 117 kg (18% de B, 1% de C) 14ª) Balanço material num extrator. Uma mistura com 100 Kg à 20 C contem 30 Kg de éter isopropílico/ether (C), 10 Kg de ácido acético/acetic acid (A) e 60 Kg de água/water (B) após contato adequado é separada em duas fases líquidas em equilíbrio. Qual a composição das duas fases em equilíbrio? Qual a quantidade (em Kg) 7
dessas fases (extrato e refinado). Os dados e equilíbrio líquido-líquido para o sistema encontram-se na página a seguir. 15ª) Extração acetona estágio simples e em dois estágios consecutivos. Uma mistura contendo 40 % peso de acetona e 60% peso de água é concentrada com igual quantidade Metil isobutil Ketone (MIK) puro, calcular: a) A fração de acetona que pode ser removida num estágio simples (único estágio)? b) A fração de acetona removida se a quantidade de solvente for dividida em duas partes iguais e cada metade alimentasse dois estágios iguais de equilíbrio em série ou consecutivos? 16ª) Extração líquido-líquido em estágio simples. Pretende-se extrair ácido acético (soluto) de uma solução aquosa com éter isopropílico (solvente extrator). Para isso preparamos 100 kg da mistura contendo, 30 kg de éter isopropílico (S), 10 kg de ácido acético (A) e 60 kg de água (B). Considerando os dados de equilíbrio apresentados a seguir (Fonte: Treybal 1980) responder as questões abaixo, considerando que a extração é feita a 293 K (ou 20 C) e a 1,0 atm: a) A mistura com essa composição original, após agitação vigorosa (contato) e posterior repouso, apresenta quantas fases líquidas em equilíbrio? b) Qual a composição das fases líquidas em equilíbrio? c) Quais as quantidades (em massa) das fases em equilíbrio (extrato e refinado)? Fase rica em água (% peso) Fase rica em éter isopropílico (% peso) Água Éter Ácido acético Água Éter Ácido acético 98,10 1,20 0,69 0,50 99,30 0,18 97,10 1,50 1,41 0,70 98,90 0,37 95,50 1,60 2,89 0,80 98,40 0,79 91,70 1,90 6,42 1,00 97,10 1,93 8
84,40 2,30 13,30 1,90 93,30 4,82 71,10 3,40 25,30 3,90 84,70 11,40 58,90 4,40 36,70 6,90 71,50 21,60 45,10 10,60 44,30 10,80 58,10 31,10 37,10 16,50 46,40 15,10 48,70 36,20 17ª) Extração em estágio simples com mistura de composição desconhecida. Uma mistura inicial de 200 kg (alimentação) e composição desconhecida contêm água, ácido acético e éter isopropílico é colocada em contato (num estágio simples) com outra mistura de 280 kg, com a seguinte composição: 40% (peso) de ácido acético, 10 % (peso) de água e 50% (peso) de éter isopropílico. Uma fase líquida denominada de refinado com 320 kg, contendo 29,5 % (peso) de ácido acético, 66,5% (peso) de água e 4,0% de éter isopropílico é obtida. Determinar a composição da alimentação e a composição da fase extrato resultante. Os dados de equilíbrio encontram-se a seguir, considerando que a extração é feita a 293 K (ou 20 C) e 1,0 atm. 1 0 0.9 0.1 0.8 0.2 0.3 0.2 0.5 0.4 Fração de Ácido Acético 0.7 0.6 0.3 0.4 Fração de Éter 0.5 0.6 0.7 0.8 0.1 0.9 0 1 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 Fração de Água 18ª) Extração de acetona com 1,1,2 tricloroetano. Uma bateria de extratores (mixer-settlers) com fluxos contracorrentes, a concentração de soluto (acetona) na corrente de 100 kg/h de uma mistura 40:60 (peso) acetona-água, deve ser reduzida para 10% de acetona. A extração é feita com 1,1,2 tricloroetano (TCE) puro a 25 C. Calcular V para essa separação a) A taxa mínima de solvente ( ) b) Para ( V ) 1,8 ( V ) b op. b min. b min. =, determinar o número teórico de estágios necessários para a separação c) Para as condições do item b, quais as taxas das correntes que deixam a bateria de extratores 9
Curva do limite de solubilidade (% peso) TCE Água Acetona 94,73 0,26 5,01 79,58 0,76 19,66 67,52 1,44 31,04 54,88 2,98 42,14 38,31 6,84 54,85 24,04 15,37 60,59 15,39 26,28 58,33 6,77 41,35 51,88 1,72 61,11 37,17 0,92 74,54 24,54 0,65 87,63 11,72 0,44 99,56 0,00 Linhas de amarração % peso fase rica em água % peso fase rica em tricloroetano TCE Água Acetona TCE Água Acetona 0,52 93,52 5,96 90,93 0,32 8,75 0,73 82,23 17,04 73,76 1,10 25,14 1,02 72,06 26,92 59,21 2,27 38,52 1,17 67,95 30,88 53,92 3,11 42,97 1,60 62,67 35,73 47,53 4,26 48,21 2,10 57,00 40,90 40,00 6,05 53,95 3,75 50,20 46,05 33,70 8,90 57,40 6,52 41,70 51,78 26,26 13,40 60,34 10