1^{\underline{\text { a }}} ) 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.
Passo 1
O enunciado descreve um processo de extração líquido–líquido em contracorrente que usa uma mistura de solventes (tolueno + acetona) para extrair parafinas de óleos pesados. Após a torre obtém‑se uma fase rica em solvente (que contém a parafina) e outra rica em óleo (raffinate). A fase rica em solvente é resfriada para precipitar a parafina, que é depois filtrada.
O que se pede: julgar (verdadeiro ou falso) cada uma das cinco afirmações listadas:
A força motriz responsável pela migração da parafina do óleo para o solvente permanece constante ao longo de todo o percurso na torre, porque depende apenas da natureza das fases.
Em torre recheada, a altura de uma unidade de transferência pode ser definida como uma medida da eficiência da separação.
O tipo de recheio pode ser confeccionado com diferentes materiais, sendo sempre recomendáveis materiais de baixo custo, baixa densidade e quimicamente inertes.
A temperatura do processo é um dos parâmetros que determinam a eficiência de extração da parafina pelo solvente.
Uma desvantagem do processo é que o óleo residual fica contaminado com tolueno e acetona em teores consideráveis e não há como removê‑los.
Informações relevantes dadas pelo enunciado que usarei:
Solvente: mistura de tolueno + acetona.
Operação: torre de extração líquido–líquido, contracorrente, torre recheada (packing).
Pós‑extração: resfriamento da fase rica em solvente para precipitar parafina (logo a solubilidade/coeficiente de partição depende de temperatura).
Objetivo: julgar cada afirmação com justificativa técnica.
Passo 2
Entender o que é “força motriz” em transferência de massa (para analisar a afirmação 1).
A transferência de massa de um soluto (aqui: parafina) entre duas fases (óleo \leftrightarrow solvente) ocorre porque existe uma diferença entre a concentração real de soluto em cada fase e a concentração de equilíbrio correspondente. Em termos simples, a força motriz local para o passo de transferência do soluto na fase óleo é
C_{\text{o}} é a concentração atual da parafina na fase óleo naquele ponto da coluna;
C_{\text{o}}^{*} é a concentração de equilíbrio da parafina na fase óleo para a composição da fase solvente local (ou seja, é a concentração que a fase óleo teria se estivesse em equilíbrio com a fase solvente naquele ponto).
A relação de equilíbrio entre as duas fases pode ser descrita por um coeficiente de partição K (uma modelagem simples):
K = \frac{C_{\text{s}}}{C_{\text{o}}},
onde C_{\text{s}} é a concentração na fase solvente e C_{\text{o}} na fase óleo, ambos em equilíbrio. Reorganizando, a concentração de equilíbrio do óleo em função de C_{\text{s}} é C_{\text{o}}^{*} = C_{\text{s}}/K. Note que K pode depender de temperatura e composição.
Conclusão desta explicação: a força motriz local depende das concentrações locais C_{\text{o}} e C_{\text{s}}, que variam ao longo da torre (porque o solvente vai se carregando de parafina e o óleo vai se enxaguando). Logo, a força motriz não é, em geral, constante ao longo da torre.
Resposta ao item 1: FALSO. A motivação é que, apesar da natureza das fases influenciar o equilíbrio, a força motriz depende das concentrações locais que mudam com a altura da torre.
Passo 3
Exemplo numérico ilustrativo (ajuda a fixar a ideia do passo 2):
Imagine entrada do óleo com C_{\text{o,entrada}} = 1{,}0 (unidades quaisquer) e entrada do solvente com C_{\text{s,entrada}} = 0.
No topo da torre, o solvente está quase limpo (C_{\text{s}} pequeno), então C_{\text{o}}^{*}=C_{\text{s}}/K é pequeno → \Delta C_{\text{o}} grande: forte força motriz inicial.
Próximo ao fim da torre, o solvente já se carregou, C_{\text{s}} aumentou, então C_{\text{o}}^{*} cresce e \Delta C_{\text{o}} diminui: força motriz menor.
Isto mostra concretamente que a força motriz varia com a posição na torre, portanto reforça o argumento do Passo 2.
Passo 4
Analisando o item 2 (altura de uma unidade de transferência como medida de eficiência).
Explicação didática do que é “altura de uma unidade de transferência” (HTU) e como se relaciona com eficiência:
Em colunas recheadas trabalhamos com dois parâmetros úteis: o número de unidades de transferência (NTU) e a altura de uma unidade de transferência (HTU).
A relação básica é
H = HTU \times NTU,
onde H é a altura total do recheio necessário para obter a separação desejada.
Intuição: NTU mede quantas vezes “a capacidade de transferência” precisa ser aplicada para chegar do ponto inicial ao ponto final de concentração; HTU mede quanto recheio (altura) é necessário para efetuar uma unidade dessa transferência. Assim, quanto menor o HTU, mais eficiente é o recheio (menos altura necessária para uma dada unidade de transferência).
Portanto, dizer que a altura de uma unidade de transferência pode ser definida como uma medida da eficiência da separação está correto: um recheio com menor HTU é mais eficiente (faz a mesma tarefa com menos altura). Observação: a definição técnica pode variar (algumas fontes usam HETP — height equivalent to a theoretical plate — conceito relacionado), mas a ideia é a mesma: parâmetro de eficiência do recheio.
Resposta ao item 2: VERDADEIRO.
Passo 5
Analisando o item 3 (recheio: baixo custo, baixa densidade e quimicamente inertes — “sempre recomendáveis”).
Vamos discutir propriedades desejáveis para o recheio (packing):
Bom recheio deve ter: grande área superficial específica para troca massa, baixa queda de pressão, boa distribuição de líquidos e gases, resistência mecânica, resistência química ao processo (inerte frente ao solvente/óleo), e durabilidade.
Custo baixo é desejável, mas “sempre recomendável” pode conflitar com outros requisitos: às vezes um material mais caro (metal ou cerâmica) é escolhido por resistência mecânica/temperatura/compatibilidade química.
Baixa densidade não é necessariamente desejável: recheios muito leves podem sofrer esmagamento, deslocamento, problemas mecânicos, ou exigir estruturas de suporte; em colunas de grande diâmetro, densidade e rigidez podem ser necessárias. Materiais metálicos (maior densidade) podem ser preferidos quando se precisa de maior resistência mecânica ou condutividade térmica.
Quimicamente inerte é realmente importante, porque reagir com solvente ou óleo é inaceitável.
Conclusão: nem todos os três atributos citados são “sempre recomendáveis” ao mesmo tempo; “baixo custo” e “quimicamente inerte” são geralmente desejáveis, mas “baixa densidade” não é uma exigência universal e pode ser indesejável em certas aplicações. Portanto a afirmação que diz que é sempre recomendável materiais de baixo custo, baixa densidade e inertes é exagerada/errada.
Resposta ao item 3: FALSO.
Passo 6
Analisando o item 4 (efeito da temperatura sobre a eficiência de extração).
Explicação didática:
O coeficiente de partição K (ou, de modo geral, as curvas de equilíbrio entre fases) dependem de temperatura: K=K(T). A solubilidade da parafina no solvente e no óleo varia com T.
No próprio enunciado consta que a fase rica em solvente é resfriada para precipitar a parafina — isso evidencia que a solubilidade diminui com temperatura e que controlar T é parte do processo.
Consequência prática: variar a temperatura altera a força motriz (porque altera as concentrações de equilíbrio), altera a eficiência e o rendimento da extração, e pode ser uma forma de separar melhor (por exemplo, operar a coluna a uma temperatura que maximize K favorável).
Portanto, a temperatura é sim um dos parâmetros que determinam a eficiência da extração.
Resposta ao item 4: VERDADEIRO.
Passo 7
Analisando o item 5 (desvantagem: óleo residual fica contaminado com tolueno e acetona em teores consideráveis sem possibilidade de remoção).
Discussão técnica e prática:
É verdade que uma desvantagem potencial de processos de extração com solventes é a presença de traços do solvente no raffinate (óleo). Porém, a afirmação diz que os solventes “ficam retidos no óleo em teores consideráveis sem que seja possível removê‑los” — essa parte é demasiado absoluta e, na prática, incorreta.
Na indústria, após a extração existem etapas de recuperação de solvente: por exemplo, lavagem com outro solvente, destilação/evaporação, aquecimento/vácuo, ou etapas de stripping para recuperar tolueno e acetona do óleo. Tais processos podem reduzir os teores residuais a níveis aceitáveis. Claro que pode haver perdas e custo energético para remover totalmente, mas não é verdade que seja impossível remover; é uma questão de projeto e custo.
Portanto, embora a contaminação parcial seja uma desvantagem possível (precisa de unidades de recuperação), afirmar que não é possível removê‑los é falso.