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1. INTRODUÇÃO
EQ 852 – OPERAÇÕES UNITÁRIAS III
Este material está baseado no capítulo 1 do livro Separation Process Principles:
Chemical and Biochemical Operations, 3rd edition , J. D. Seader, E. J. Henley e D. K.
Roper, John Wiley & Sons, Inc.
Pags: 2- 34, itens: 1.0 a 1.8
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PROCESSOS DE SEPARAÇÃO
• Processos de separação são usados desde antigas civilizações
para:
– Extrair metais a partir de minérios
– Extrair perfumes de flores
– Extrair corantes de plantas
– Extrair sal da água do mar
– Destilar bebidas alcoólicas
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Químicos
XEngenheiros Químicos
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1.1 PROCESSOS INDUSTRIAIS E OS ENGENHEIROS QUÍMICOS
– Operações chaves:
– Operações auxiliares:
Reações químicas eseparação de misturas
químicas
Trocadores de calorBombas e compressoresRedução do tamanho de
partículas sólidasSeparação de sólidos por
tamanho
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Produção de cloreto de hidrogênio
H2 + Cl2 -> 2HCl
Processos simples quenão requeremoperações de
separação são muito
raros.
1% H2, N2, H2O, CO, CO2
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Hidratação do etileno
572K e 6,72MPaC2H4 + H2O -> C2H5OH
Conversão do etileno =5%
Se etileno puro estivesse disponívelcomo matéria-prima e não
ocorressem reações laterais, este
processo seria facilmente realizado
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Hidratação do etileno
Normalmente, mais etapas de separação do que as
originalmente planejadas são normalmente necessárias.
Impurezasna
alimentação(propileno)
+
Reaçõeslaterais doetileno
->
produzemdietil eter,
álcoolisopropílico,
e
acetaldeído
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Produção de etanol por fermentação
Importância: Preocupação devido ao suprimento de fósseis que nãosão renováveis, não permitem o desenvolvimento sustentável, eresultam na emissão de poluentes atmosféricos como material
particulado ou compostos orgânicos voláteis.
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BIOREFINARIAS
Muitas das mesmas substâncias orgânicas podem ser extraídas de
biomassa renovável, a qual é sintetizada bioquimicamente por células em
reações de fermentação e recuperadas por bioseparações.
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1.2 Operações e Processos Unitários
http://www.abimaq.org.br/solucoes_tecnicas_imagens/etanol/diapro_x.jpg
http://www.abimaq.org.br/solucoes_tecnicas_imagens/etanol/diapro_x.jpghttp://www.abimaq.org.br/solucoes_tecnicas_imagens/etanol/diapro_x.jpg
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1.3 Operações Unitárias de Transferência de Massa
s permeabilidades
sadsortividade
s difusividade
s volatilidades pontos fusão s solubilidade
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Tamanho dos equipamentos
“ Got a few problems going from lab scale up
to full-scale commercial ”
-tamanho -> taxas detransferência de massade cada espécie
- força motriz e adireção da
transferência de massa-> governada pelo
equilíbriotermodinâmico
- grau de separação -> diferenças naspropriedades
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Propriedades importantes
Os valores destas propriedades aparecem em handbooks, livros de referência,e jornais. Muitos podem ser estimados usando programas de simulação
de processos. Quando os valores das propriedades não estão disponíveis,
eles devem ser estimados ou determinados experimentalmente
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Separações por adição ou criação de fases
• ESA = Energia como agente de separação
– (transferência de calor ou trabalho de eixo )
• MSA = Agente de separação mássico – (imiscível com um ou mais componentes da mistura)
• Destilação extrativa = MSA + ESA
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Desvantagem de utilizar MSA
1. Necessidade de um separador adicional para recuperar o
MSA por reciclo
2. Necessidade de repor as perdas de MSA
3. MSA pode contaminar o produto
4. Maior dificuldade dos procedimentos de projeto
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Separações baseadas em criação ou adição de fases
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Separações baseadas em criação ou adição de fases
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Separações baseadas em criação ou adição de fases
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Destilação Flash
Alimentação -> espécies que diferem
largamente emvolatilidade
fase vapor -> espécies +
voláteis
Fase líquida -> espéciesmenos
voláteis
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Destilação
Múltiplos contatos contracorrente
entre as fases líquido e vapor
Boilup (refluxo de vapor)
refluxo
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Destilação
seção de enriquecimento ou retificação:
porção acima da alimentação
seção de stripping ou esgotamento:porção abaixo da alimentação
Alimentação
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Destilação Extrativa
Pequena diferença de volatilidade -> mais de 100 pratos -> destilação extrativa
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Destilação Extrativa
Requer operação subsequente -> Recuperar o MSA -> reciclo.
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Absorção e Stripping
T ambiente ealtas pressões
P ambiente e altastemperaturas
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Absorção e Stripping
Absorção - Um solvente absorve seletivamente um ou mais componentes da
alimentação dependendo de sua solubilidade.
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Destilação azeotrópica
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Extração Líquido-líquido
Um solvente dissolve seletivamente um ou mais componentes da alimentação.
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Extração Supercrítica
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Extração Supercrítica
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CO2 Supercrítico
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Secagem
Requisito:
Pvap do líquido a ser evaporado do sólido > P parcial na corrente gasosa.
Considerar:
TemperaturaUmidade
Fluxo de ar
Tamanho das partículas
Outros efeitos:
Difusão interna
Fluxo capilar
Equilíbrio do teor de umidade
Sensibilidade ao calor
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Curva de Secagem
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Evaporação
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Cristalização
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Sublimação
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Lixiviação
Extração sólido - líquido
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Separações por barreiras
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Osmose
Transferência de um solvente através de uma membranaporosa por um gradiente de concentração.
A membrana é sempre impermeável ao soluto
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Osmose Reversa
o transporte do solvente ocorre na direção oposta a osmosepela imposição de uma pressão, maior que a pressão
osmótica, do lado da alimentação.
Diálise
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Diálise
Mi l fil ã
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Micro e ultrafiltração
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Pervaporação
Usado para separar misturas azeotrópicas.
Utiliza pressões muito menores que a osmose reversa, mas o calor de
vaporização deve ser fornecido.
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Permeação de gás
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Membranas Líquidas
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Separações por agentes sólidos
• Separações que usam agentes sólidos são listadas na Tabela 1.3
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Adsorção x absorção
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Equipamento de Adsorção
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Equipamento de Adsorção
Equipamento:
vaso cilíndrico empacotado com um leito de partículas adsorventes sólidas
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Adsorção
Equipamento:
Como a regeneração é conduzida periodicamente, dois ou mais vasos são
usados, um adsorve enquanto o outro dessorve.
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Métodos de regeneração
Regeneração ocorre por um dos 4 métodos:
• (1) vaporização do adsorbato com gás de purga aquecido(thermal swing adsorption)
• (2) redução da pressão para vaporizar o adsorbato (pressureswing adsorption)
• (3) stripping em purga inerte sem alteração de temperatura ou
pressão
• (4) deslocamento por um fluido contendo espécies adsorvidasmais fortemente.
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Cromatografia
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Troca iônica
õ d
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Separações por gradiente ou campo externo
• Campos externos podem levar alguma vantagem de diferentes
graus de resposta de moléculas e íons com relação as forças decampo. Tabela 1.4 lista técnicas comuns e suas combinações.
C if ã
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Centrifugação
C if ã dif i l
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Centrifugação diferencial
Dif ã té i
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Difusão térmica
usado para aumentar a separação de isótopos em processos de permeação
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Eletrólise
Produção Industrial de elementos como alumínio e o cloro
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Eletrodiálise
El t f
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Eletroforese
Explora as diferentes
velocidades de migração deespécies carregadas, coloidais ouem suspensão, em um campo
elétrico
F i t d d fl
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Fracionamento de campo de fluxoCampo elétrico,magnético ou
térmico
Campo defluxo
laminar
Componentesda misturaviajam nadireção do
fluxo a
diferentesvelocidades
N t t d
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Neste curso, estudaremos:
Recuperação de componentes e
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Recuperação de componentes e
pureza dos produtos
C = número de componentes i,
ni(F) = taxa de fluxo molar ou mássico na alimentação
ni
(p)
= fluxo molar ou mássico dos produtos
Recuperação de componentes e
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volatilidade
Recuperação de componentes e
pureza dos produtos
li f i
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Split fraction
• O split fraction (SF) para o componente i no separador k é a fraçãoencontrada no primeiro produto.
• Na qual, n(1) e n(F) referem-se as taxas de fluxo do componente no
primeiro produto e na alimentação.
Varia de 0 a 1
S li i
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Split ratio
• Alternativamente, o split ratio (SR) entre dois produtos é:
• Na qual, n(2) refere-se a taxas de fluxo do componente no segundo
produto.
Varia de 0 a
S li f i li i
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Split fraction e split ratio
d i ã d i õ
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Pureza e designação de composições
Sequência de separação
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Sequência de separação
S ê i d ã
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Sequência de separação
Conforme o número de produtos finais aumenta, onúmero de sequencias alternativas cresce rapidamente
Estratégia inicial de Sequência ótima
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Estratégia inicial de Sequência ótima
1. Remova substância instáveis, corrosivas, ou quimicamente reativas cedo
na sequência.
2. Remova os produtos finais um por um como destilados no topo.
3. Remova, cedo na sequência, aqueles componentes de maior porcentagem
molar na alimentação.
4. Faça a separação mais difícil na ausência de outros componentes.
5. Deixe para o último passo da sequência aquelas separações que produzemprodutos finais de alta pureza.
6. Selecione a sequência que favoreça quantidades quase equimolares de
produtos de topo e fundo em cada coluna.
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• Infelizmente, estas afirmações conflitam uma com a outra, e nem sempre uma escolha clara é
possível.
1. Remova substância instáveis, corrosivas, ou quimicamente reativas cedo na sequencia.
(Deve ser sempre aplicada)
2. Remova os produtos finais um por um como destilados no topo.
(Sequência industrialmente mais comum)
3. Remova, cedo na sequencia, aqueles componentes de maior porcentagem molar na alimentação.
4. Faça a separação mais difícil na ausência de outros componentes.
(Usualmente aplicada para separação de isômeros)
5. Deixe para o último da sequência aquelas separações que produzem produtos finais de alta pureza.
6. Selecione a sequência que favoreça quantidades quase equimolares de produtos de topo e fundo em cadacoluna.
(Favorecida quando os custos de energia são altos)
Estratégia inicial de Sequência ótima
Fator de separação
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Fator de separação
• Em outros casos, uma outra medida do grau de separação entre doiscomponentes chaves, i e j, é o fator ou poder de separação, SP, definido
em termos de divisão do componente como medido pela composição dedois produtos (1 ) e (2).
Na qual C é alguma medida de composição. SP é prontamente convertido
nas seguintes formas em termos de split fraction ou split ratio.
Viabilidade de separação
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Viabilidade de separação
• Para cada uma das misturas binárias abaixo, um método de
separação é sugerido. Explique por que a separação será ounão um sucesso.
• A) Separação do ar em oxigênio e nitrogênio por destilação
• B) Separação do m-xileno e p-xileno por destilação
• C) Separação de benzeno e ciclohexano por destilação
• D) Separação de isopropil alcool e água por destilação
• E) Separação de penicilina da água em um caldo de
fermentação por evaporação.
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OBJETIVOS
Explicar o papel das operações de separação nas indústriasquímicas e bioquímicas.
Explicar o que constitui a separação de uma mistura e como cadauma das 5 técnicas básicas de separação funcionam.
Calcular balanços de massa por componente em operações deseparação baseando-se em especificações de recuperação decomponentes e ou pureza de produto.
Usar o conceito de componente chave e fator de separação entre
dois componentes chaves
Selecionar operações de separação baseando-se nas diferenças depropriedades entre alimentação e produtos e das característicasdas operações de separação.
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