Arranjo de Estágios

Teoria Completa

Agora que já sabemos o que são estágios, vamos estudar como organizamos eles uns em relação aos outros. Ou seja, vamos estudar os arranjos de estágios.

Bora começar com um exemplo.

A desidratação catalítica do etileno glicol, que gera para-dioxano e água, é muito utilizada industrialmente. Seus dois produtos são miscíveis entre si e geram, portanto, uma mistura homogênea. Então, a próxima etapa industrial é a separação desses dois produtos.

A primeira coisa que geralmente se pensa é a separação por temperatura. No entanto, a temperatura de ebulição da água é 100   ° C e do para-dioxano é 101,1   ° C . Então, separar por aquecimento vai ser muiiito complicado.

A outra possibilidade que vimos é avaliar a solubilidade. Benzeno e para-dioxano são totalmente solúveis, enquanto benzeno e água são totalmente insolúveis. Então, utilizar benzeno como solvente em um processo de extração pode ser viável.

A próxima etapa, caso estivéssemos pensando nesse processo, seria definir o arranjo que esses estágios vão ficar nessa extração.

Um estágio único

Caso a gente queira avaliar um estágio único para a extração, teremos apenas duas correntes entrando e outras duas correntes saindo.

As correntes entrando serão uma constituída da mistura água e para-dioxano (corrente W 0 e composição x w 0 ) e a outra constituída do benzeno (corrente B 0 e composição x B 0 ). E aí, a partir do contato entre as correntes, o para-dioxano “abandona” a água pra se misturar com o benzeno.

As saídas serão uma corrente aquosa com o restante de para-dioxano não removido (corrente W 1 e composição x w 1 ) e a corrente de benzeno com o material extraído (corrente B 1 e composição x B 1 ).

E aí, para verificar se a extração foi boa ou não, é só avaliar o K d , lembra? Caso não tenha sido, podemos estudar a possibilidade de trabalhar com outros arranjos de estágios.

Mais de um estágio com correntes em contra-corrente

Um arranjo de estágios muito comum é utilizar mais de um estágio em contra-corrente, a eficiência da extração é muito maior que em um estágio único.

Mais de um estágio com correntes em co-corrente

Nesse caso, a extração também é melhor do que no arranjo com um único estágio.

Esse arranjo se difere do de contra-corrente, porque as entradas e saídas percorrem os estágios na mesma ordem. Saca só:

A limitação desse arranjo é que a partir do momento que o equilíbrio é atingido, não ocorre mais nada nos estágios seguintes. É como se a partir do estágio de equilíbrio, os demais estágios fossem apenas um só.

Mais de um estágio com correntes cruzadas

Nesse arranjo, a vazão de solvente puro que está entrando, ou seja, o benzeno, é dividido entre os estágios. Dessa forma, os estágios sempre estão realizando a extração com solvente puro.

Esse processo é muiito eficiente, principalmente caso a vazão antes da divisão da corrente seja o dobro da vazão de solvente utilizada nos outros arranjos que estamos comparando. Pois, dessa forma, após a divisão da corrente entre os estágios, será a mesma vazão passando por estágio quando comparado aos outros arranjos, mas aqui, sempre com o solvente puro. E aí veríamos que é beem eficiente.

Mas, mesmo sem aumentar a quantidade de benzeno utilizada, a eficiência chega bem próxima da do arranjo em contra-corrente. Olha só esse gráfico que compara a eficiência entre os arranjos:

Observação importante:

Repara que como falamos de extração (fases líquidas), não utilizamos a notação de líquido e vapor ( x e y ). Maaas pode ser que mesmo assim seu professor use essa notação para líquidos e aí o x vai ser a fase mais pesada e o y , a fase mais leve. Beleza?

Outra observação importante é que a regrinha para dar o nome das correntes continua valendo, tá? Tudo que sai de um estágio, recebe um índice com o número desse estágio!!

Expandir

Exercício Resolvido #1

Elaboração própria

Quais são as possibilidades de arranjos dos estágios de equilíbrio?

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Passo 1

Caso seja um único estágio, não há diferença. Se for mais de um estágio, as possibilidades são:

Contra-corrente:

Em co-corrente:

E, para fechar, corrente cruzada:

Sacou? 😊

Resposta

Único estágio ou múltiplos estágios (em corrente cruzada, contra-corrente ou co-corrente).

Exercício Resolvido #2

Elaboração própria

Qual é a desvantagem do arranjo de estágios em co-corrente?

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Passo 1

Vimos que os estágios são os locais onde ocorrem as transferência de massa. E essas transferências ocorrem até que o equilíbrio seja atingido, certo?

Os estágios em arranjo co-corrente têm essa carinha aqui:

Isso significa que depois de atingir o equilíbrio, as mesmas correntes permanecerão em contato. Então, como já foi atingido o equilíbrio, os demais estágios não terão função nenhuma :/ E essa é a grande desvantagem desse arranjo.

Resposta

No arranjo em co-corrente, após atingir o equilíbrio, os demais estágios perdem sua utilidade e não são observadas mais variações na composição.

Exercício Resolvido #3

Elaboração própria

Explique o gráfico de eficiência abaixo, comentando a diferença de comportamento entre os arranjos.

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Passo 1

O arranjo em co-corrente possui a menor eficiência de todos. Isso é super explicável, pois como as correntes estão sempre indo na mesma direção, depois que o equilíbrio é atingido não acontece mais transferência de massa e nada mais muda :/

Passo 2

Em segundo lugar aí, em termos de eficiência, temos o arranjo em corrente cruzada. Ele é mais eficiente que o anterior, pois a corrente que sai do estágio 1 ( W 1 ), por exemplo, no estágio 2 está em contato com uma nova corrente ( B 0 / 2 ) e não com a outra corrente que também saiu do estágio 1 ( B 1 ).

Mas repara que, comparando a vazão do x B 0 com o que entra no outro arranjo, nesse a vazão em cada estágio é a metade ( B 0 / 2 ). E, isso acaba impedindo que a eficiência seja muito alta.

Passo 3

O arranjo de maior eficiência de todos é o arranjo em contra-corrente.

Ele não a limitação do primeiro arranjo que vimos (co-corrente), pois não tem o problema das mesmas correntes estarem entrando em contato após o equilíbrio já ter sido atingido. As correntes em contato estão sempre se modificando.

E ele não tem a vazão de um dos componentes pela metade em cada estágio, que foi o problema do arranjo em corrente cruzada. Então, sua eficiência é a maior.

Resposta

Exercício Resolvido #4

Elaboração própria

Deseja-se que o arranjo em corrente cruzada seja utilizado em uma planta industrial e que sua eficiência supere o arranjo em contra corrente. Qual modificação pode ser feita no processo para que a nova exigência seja satisfeita?

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Passo 1

O arranjo de estágios corrente cruzada possui a seguinte carinha:

Repara que o solvente que entra nele é dividido em duas correntes. Então, em cada estágio, passa um solvente puro (o que é ótimo), mas passa a metade da vazão que é utilizada nos outros arranjos.

Com o solvente puro em todos os estágios, esse processo possui um super potencial para ter resultados melhores. No entanto, a vazão reduzida impede esse resultado!

Então, caso fosse dobrada a vazão inicial, teríamos a mesma vazão que os outros arranjos passando em cada estágio. E, lembrando mais uma vez, agora com um solvente puro. E aí conseguiríamos aumentar a eficiência, já que nos outros arranjos teríamos a mesma vazão de solvente, mas que só estaria puro no primeiro estágio e não nos demais.

Resposta

Aumentar a vazão de solvente.

Exercício Resolvido #5

Elaboração própria

Um processo de secagem industrial de matéria-prima segue o esquema proposto abaixo:

A secagem é feita com ar quente. É possível estabelecer uma certa semelhança desse processo industrial com um dos arranjos de estágios. Qual arranjo seria esse?

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Passo 1

Nesse processo, tanto a matéria-prima quanto o ar estão escoando na mesma direção, lado a lado. Portanto, esse processo lembra estágios em arranjos de co-corrente, conforme figura a seguir.

Resposta

Co-corrente

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