Base, agentes e fatores dos Processos de Separação

Teoria Completa

Processos de Separação

Fala aí, galera!!

Primeiramente, para a gente começar a bater um papo sobre os detalhes dos processos de separação envolvendo transferência de massa, acho suuuuper importante a gente entender que processos são esses.

Vamos pensar numa refinaria de petróleo? Você concorda comigo que o petróleo que extraem não é exatamente igual ao diesel e à gasolina que você encontra no posto? Isso acontece porque, dentre muitos dos processos que ocorreram lá na refinaria, alguns deles foram processos de separação, feitos justamente pra separar essas faixas aí (gasolina, diesel, etc.) no petróleo bruto.

Essas “faixas” possuem cada uma suas propriedades específicas. Então, um processo de separação é baseado nas diferenças das propriedades físico-químicas entre as espécies presentes em uma mistura. E todo processo de separação vai resultar em 2 ou mais produtos, partindo de uma mistura.

E esses processos são muitíssimo importantes, pois SEMPRE estão presentes em uma planta química, desde o pré-tratamento até o processamento.

Base dos Processos de Separação

Para que esse processo de separação seja eficaz, é preciso manipular as condições do processo de forma que uma espécie se comporte completamente diferente das outras (se diferencie), ficando beeem mais fácil de separar ela.

Como assim? Isso pode ser feito de diversas maneiras!! Podemos propor condições para que uma espécie boie e as demais afundem, aí fica mais fácil separar essa que boiou. Ou, então, no processo proposto podemos fazer uma espécie mudar de fase e as outras ficarem na fase inicial e por aí vai....

Com isso, podemos definir um conceito super importante que são os agentes de separação!

Agentes de Separação

Os agentes de separação são os responsáveis por mudar as condições da mistura e fazer com que uma espécie se comporte completamente diferente.

Quanto estamos separando água e acetona, por exemplo, a forma mais fácil de realizar essa separação é utilizando calor. Para isso, podemos escolher qualquer processo que utilize a diferença de volatilidade entre elas.

Mas, agora, e se eu quiser separar algo utilizando a diferença de solubilidade? Aí eu não preciso utilizar o calor. O que vai realizar a minha separação será a própria matéria (substâncias envolvidas ali).

Então, quais são os dois principais agentes de separação?

Os principais agentes de separação são energia (calor, no caso da acetona e água – diferença de volatilidade) e matéria (no caso da diferença de solubilidade).

Processos de destilação, flash e evaporação ocorrem por diferença de volatilidade, pressão de vapor. Então seus agentes são energia.

Já os processos de extração atuam com a diferença de solubilidade! Logo, o agente é a matéria.

Fator de Separação

E para a gente fechar esse tópico, vamos pensar o seguinte: Fui lá e projetei um processo para separar os produtos da minha planta química, como posso determinar se o processo separou bem?

Para isso, utilizamos o Fator de Separação, nosso querido .

Saca só como isso funciona.

Digamos que a gente tinha uma mistura dos compostos i e j . Essa mistura passou por um processo de separação e formou dois produtos. Mas esses produtos não são “puros” em i e j . Nós temos i e j no produto 1 e i e j no produto 2. Vamos dizer que essas composições são assim:

Repara que o produto 1 saiu enriquecido em j e o produto 2 saiu enriquecido em i , e que a soma das linhas tem que dar 1, porque a soma das frações molares tem que dar 1, valeu?

Assim, como calcularíamos o fator de separação desse processo? Através do ∝ i , j .

∝ i , j = x i , 1 x j , 1 ∙ x j , 2 x i , 2

∝ i , j = 0,3 0,7 ∙ 0,1 0,9 = 3,86

E pra não ficar dúvidas em relação à notação, x i , 1 indica a fração molar de i no produto 1.

Então, esse vai ser muito importante para definirmos qual processo vai ser usado em cada caso.

Vamos supor: você é dono de uma empresa e, pra dado processo de separação, precisa de um mediano. O seu fornecedor te oferece dois processos de separação. O primeiro é muito caro, mas vai te dar um ótimo grau de separação. Já o outro é bem mais barato e o grau de separação é mais baixo que o primeiro, mas é suficiente para você. Nesse caso, a melhor opção pra você seria o segundo processo!

Concluindo, indica o grau de separação obtido por um processo e, quanto maior for o alfa, melhor é a sua separação.

Expandir

Exercício Resolvido #1

Elaboração Própria

Defina Processos de Separação.

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Passo 1

Processos de Separação são processos que devem ser adotados quando queremos separar produtos ou componentes em determinadas correntes numa planta química. Eles são baseados nas diferenças de propriedades físico-químicas entre as espécies presentes na mistura.

Resposta

Processos de Separação são processos que devem ser adotados quando queremos separar produtos ou componentes em determinadas correntes numa planta química. Eles são baseados nas diferenças de propriedades físico-químicas entre as espécies presentes na mistura.

Exercício Resolvido #2

Elaboração própria

Na procura por um agente de separação para separar uma mistura de componentes com pressões de vapor muito próximas, foi descartada a opção de utilização de energia. Explique qual outro agente poderia ser utilizado e qual o motivo da energia ter sido desconsiderada.

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Passo 1

A pressão de vapor mede a tendência de um líquido ir para a fase vapor. Quanto maior a pressão de vapor de uma substância, mais volátil ela é.

Então, se dois componentes tem pressão de vapor muito próximas, quando eles forem submetidos ao calor (energia), eles vão para a fase vapor praticamente juntos. Eles têm volatilidades muito semelhantes. E aí fica muito difícil de separá-los!

Por isso a energia foi desconsiderada como agente de separação!

Passo 2

Nesses casos, precisamos pensar em outro agente de separação. E qual é o outro agente de separação que a gente viu? A matéria!!

Pra verificar se a matéria seria um bom agente de separação, a gente precisaria conhecer a diferença de solubilidade desses compostos.

Resposta

Matéria.

Não se pode utilizar a energia porque as pressões de vapor são próximas.

Exercício Resolvido #3

Elaboração própria

Ao optar por um processo de separação, quais parâmetros devem ser considerados na escolha?

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Passo 1

Na hora de optar por um processo de separação, nós precisamos conhecer as especificações desejadas dos produtos e o quanto podemos pagar por elas.

Em todo processo de separação, o fator de separação pode ser calculado. E, a partir dele, será avaliado se o processo atingiu os requisitos do ponto de vista físico-químico. Para isso, é necessário comparar o fator calculado com as condições exigidas para os produtos.

Já do ponto de vista empresarial, o custo de cada processo precisa ser avaliado. Tanto o custo de instalação quanto o custo operacional. Muitas vezes, o processo com maior fator de separação não é empregado, visto que, com processos mais baratos, já podemos atingir o fator de separação necessário (ainda que ele seja menor que o fator de separação de processos mais caros). 😊

Resposta

Fator de separação, especificações desejadas e custos.

Exercício Resolvido #4

Elaboração própria

Um engenheiro precisa definir um processo para atuar na separação de dois produtos na sua empresa. Ele possui as seguintes informações sobre as frações de cada componente em cada produto de acordo com o processo empregado.

Qual processo possui melhor grau de separação?

Observação: 1 e 2 simbolizam as correntes, então a soma da composição dos produtos ( i , j ) em cada corrente tem que dar 1.

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Passo 1

O grau ou fator de separação é calculado pela seguinte fórmula:

∝ i , j = x i , 1 x j , 1 . x j , 2 x i , 2

Então, bora calcular o fator de separação para cada um dos processos.

Passo 2

Substituindo no Processo 1:

∝ i , j = x i , 1 x j , 1 . x j , 2 x i , 2 = 0,7 0,3 . 0,4 0,6 = 1,56

Fazendo o mesmo procedimento para o Processo 2:

∝ i , j = x i , 1 x j , 1 . x j , 2 x i , 2 = 0,6 0,4 . 0,7 0,3 = 3,5

Logo, o Processo 2 possui melhor fator / grau de separação, pois seu ∝ i , j é maior.

Resposta

Processo 2

Exercício Resolvido #5

Elaboração própria

O diagrama abaixo mostra a pressão de vapor do éter etílico, álcool etílico e água em função da temperatura.

Caso o agente de separação considerado seja energia, qual mistura seria mais fácil separar: éter etílico e água ou álcool etílico e água?

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Passo 1

Quando estamos avaliando processos de separação, queremos conseguir diferenciar os componentes da maneira mais fácil possível. Nesse caso, o agente de separação é a energia, calor. Isso significa que vamos utilizar algum processo que aqueça.

A partir daí, um dos componentes vai para fase vapor e outro para líquida. Então, quanto mais distantes forem as pressões de vapor, na temperatura considerada, mais fácil será essa separação!

Lembrando que a pressão de vapor mede a tendência de um líquido ir para a fase vapor!!!!!!!!! Então, os dados de pressão de vapor estão super relacionados com nosso problema de separação 😊

Passo 2

Avaliando, então, as curvas de pressão de vapor, vemos que éter etílico e água estão mais distantes que água e álcool etílico.

Logo, é mais fácil separar éter e água, pois possuem pressões de vapor e volatilidades bem distintas.

Resposta

Mistura 1: éter etílico e água.

Essa mistura é mais facilmente separada porque os componentes possuem pressões de vapor mais distantes.

Exercício Resolvido #6

Adaptado de UFRGS, 2016

A produção de café descafeinado consiste em retirar a cafeína sem alterar muito o sabor original do café. Existem diferentes processos para a descafeinação.

Abaixo são apresentadas 2 situações sobre um desses processos:

1 - O processo consiste em utilizar um banho de solvente, como por exemplo o acetato de etila, que dissolve bem a cafeína e dissolve muito pouco os outros componentes do café.

2 - O solvente utilizado em 1 é retirado através de evaporação.

Identifique nas duas etapas qual é o agente de separação.

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Passo 1

Na primeira etapa do processo, vemos que um solvente está sendo utilizado pra dissolver a cafeína seletivamente. Ou seja, devido à diferença de solubilidade dos compostos no solvente, a gente consegue obter um produto enriquecido em cafeína, que é separada do resto da mistura.

Nossas opções de agente de separação são energia e matéria. Nessa descrição da etapa um, nem foi falado sobre temperatura ou nada disso, apenas sobre o uso de solvente, portanto o agente de separação é a matéria.

Passo 2

Para a segunda etapa, temos um processo de evaporação. Na evaporação, a gente precisa dar energia para o solvente evaporar, certo? Portanto, o agente de separação dessa segunda etapa é a energia.

Resposta

Na primeira etapa, o agente de separação é a matéria e, na segunda etapa, a energia.

Exercício Resolvido #7

Elaboração Própria

Deseja-se projetar um processo de separação entre dois componentes. Existem duas opções, uma que usa a energia e o obtido é na ordem de 10, e a outra utiliza extração com solvente e o obtido é na ordem de 100.

Os custos para separação com aquecimento são maiores que o custo para extração com solvente. No entanto, o solvente é tóxico. Qual opção você adotaria?

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Passo 1

Essa questão não tem uma resposta certa ou errada.

A primeira coisa que precisamos avaliar é o . Sabemos que o segundo processo ( extração), possui um grau de separação muito maior, então ele seria melhor. Além disso, os seus custos são menores

No entanto, para que ele ocorra, deve ser utilizado um solvente tóxico. Logo, dependendo da toxicidade desse solvente, talvez seja melhor optar pelo processo mais caro e com pior separação mesmo ☹

Outra solução seria procurar por um outro solvente e avaliar esses mesmos parâmetros novamente.

Resposta

Depende.

Exercício Resolvido #8

Elaboração Própria

O equipamento abaixo é utilizado para separar os componentes A, B, C, D e E presentes na corrente de alimentação. Com isso, são geradas duas correntes (uma de produto de topo e uma de produto de fundo). Os produtos mais leves vão para o topo (como vapor) e os produtos mais pesados vão para o fundo (como líquido). Com base nessa informação, indique quais são os componentes mais voláteis e quais são os componentes menos voláteis.

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Passo 1

A alimentação é composta pelos compostos A,B,C,D,E. Os produtos mais leves (A,B,C) vão para o topo e os mais pesados (D,E) vão para o fundo.

Os produtos mais leves vão para o topo (como vapor), pois tem maior tendência a ficar na fase vapor. Portanto, A,B,C possuem maior volatilidade relativa. Os produtos mais pesados vão para o fundo (como líquido), pois tem menor volatilidade relativa e possuem maior tendência de ir para o fundo.

Resposta

A, B e C possuem uma volatilidade relativa maior que D e E, portanto A,B e C são mais voláteis.

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