Classificação dos Processos de Separação

Teoria Completa

Motivação

Até agora, vimos que existe mais de um agente de separação, diferentes bases e etc. Mas que processos são esses utilizados pra separar compostos de uma mistura?

Agora chegou a hora de conhecer alguns processos de separação que ocorrem por transferência de massa. Mais especificamente ainda, aqueles que ocorrem por equilíbrio de fases. Mas não se assusta! Vamos explicar cada um desses processos com calma e você vai entender tudinho sobre eles, beleza?

Processos de Separação por Equilíbrio de Fases

Aqui vamos dar uma olhada nos seguintes processos de separação: evaporação, flash térmico, flash mecânico, destilação, absorção, esgotamento e extração. Primeiro vamos ver o que é cada um deles e, no final, rola um resumão com as infos mais importantes, beleza?

Evaporação

O processo mais simples de todos é o de Evaporação. Esse aí é aquele que acontece quando colocamos a roupa no varal. A roupa recebe energia e aí boa parte do líquido que está nela (a água) vira vapor e a roupa seca!

Flash Térmico

O flash térmico é representado da seguinte forma:

Repara que a carga entre no processo de separação e é separada em duas correntes: uma de vapor e uma de líquido.

E, dependendo da carga, pode ocorrer a entrada ou remoção de calor pra promover a separação.

Ele utiliza como princípio de separação a diferença de volatilidade. Esse processo é muito parecido com o de evaporação. A principal diferença é que a carga da evaporação só pode ser líquida e no flash térmico ela pode ser líquida ou vapor.

E repara que no flash térmico tem um dispositivo no fundo que tem justamente essa função de adicionar ou remover o calor!

Flash Mecânico

Além do flash térmico, existe o flash mecânico, que também utiliza a diferença de volatilidade, mas, ao invés de variar a temperatura, varia a pressão através de uma válvula antes do tanque de flash. E, assim como no flash térmico, as saídas são líquido e vapor.

Vamos ver agora outros processos um pouquinho mais robustos que o flash e a evaporação. Mas não me abandona, pois eles vão ser super importante na hora da prova!

Coluna de destilção

Esse equipamento é o CORAÇÃO das operações por transferência de massa.

Ele é tão especial que precisa de pedacinhos para gerar as fases.

Em relação aos processos que vimos até agora, aqui a gente vai adicionar um condensador no topo do equipamento, que transforma o vapor (igual o que saia no flash) em líquido. E, no fundo, é adicionado um refervedor para transformar o líquido em vapor. E, além disso, ao longo da coluna usamos dispositivos de contato, que são os pratos!

O vapor que é gerado no refervedor vai subindo a coluna e o líquido gerado no condensador vai descendo. Vapor e líquido vão interagindo um com o outro a medida que se deslocam na coluna, em cada um dos pratos. Com isso, vão promovendo a nossa separação.

Na verdade, existem vários tipos de pratos, que influenciam o quanto de contato vai ocorrer entre as fases vapor e líquido. Então, eles afetam a transferência de massa.

Existem também colunas que não são compostas por pratos. Ao invés disso elas são preenchidas de um material que chamamos de recheio. Usar pratos ou recheios influencia a nossa transferência de massa. E e ssa vai ser a principal diferença de colunas recheadas e de pratos: as contas de transferência de massa.

Uma observação muito importante: as correntes que entram e saem do condensador e refervedor podem ter propriedades diferentes! No nosso esqueminha ali de cima, representamos condensadores e refervedores totais, mas, quando a gente for avaliar as colunas de destilação, vamos mostrar todos os casos e explicar cada um deles com mais detalhes e com muito carinho. Não se preocupa com isso agora.

Até aqui, todos os processos que vimos precisavam de energia, certo? Mas, e quando o agente de separação não é o calor?

Coluna de Absorção

Na Coluna de Absorção, por exemplo, a gente utiliza a matéria como agente de separação. Portanto, nesse caso não existem condensadores (totais ou parciais) e nem refervedores, pois vamos considerar que a temperatura é constante ao longo de toda a coluna. Não estamos mais preocupados com o agente de separação energia, sacou?

A carga (entrada) desse processo deve ser sempre fase gasosa entrando por baixo! E o solvente (líquido) utilizado deve solubilizar um ou mais componentes da carga.

Então, o que ocorre é o seguinte: a carga gasosa entra em contato com um solvente líquido que é capaz de solubilizar componentes dessa carga. Com isso, o produto gasoso sai isento dessas espécies (ou com um pouquinho delas, se a absorção não foi completa) e o produto líquido sai enriquecido dessas espécies. Repara que a gente pode estar tanto “limpando” o produto gasoso de um contaminante, quanto recuperando um produto de valor que tava misturado à carga.

Portanto, na coluna de absorção vai ser suuuper importante avaliarmos a diferença de solubilidade.

Coluna de Esgotamento

A Coluna de Esgotamento ou Stripping é suuuper parecida com as colunas de absorção. Ela também não precisa de condensador ou refervedor e nem de pratos, o princípio é o mesmo.

A diferença é que as colunas de esgotamento trabalham com uma carga líquida. Geralmente, ela é utilizada após a coluna de absorção para recuperação do solvente que foi utilizado na outra. O agente de separação também é matéria. A função dessa coluna é remover gases tóxicos e só é economicamente viável quando o solvente gasoso é vapor dágua, pois é bem baratinho.

Extração

Por último, temos a extração! A extração também utiliza como agente a máteria. Ela é diferente dos processos anteriores, pois não possui uma fase líquida e outra vapor ou gás. Na extração, só estamos falando de líquidos. E ela pode ocorrer tanto num tanque quanto coluna. O mais normal é que utilize diversos tanques para melhorar a separação. Para uma boa eficiência, é necessário que ocorra agitação pra promover mais contato.

Essa separação ocorre, basicamente, por causa de uma maior afinidade de A por C do que por B. Assim, A vai preferir ficar na mesma fase que C e B ficará sozinho. Portanto, essa separação de B só ocorreu devido à diferença de solubilidade existente.

Resumão

Bora, resumir todas essas propriedades de cada processo numa tabela para ficar mais fácil quando tivermos que escolher um para utilizar?

Bora exercitar o que aprendemos até agora?

Expandir

Exercício Resolvido #1

Elaboração própria

Deseja-se escolher um processo de separação que seja capaz de tratar uma carga gasosa, que seus produtos sejam líquidos e gás e que o princípio de separação seja a diferença de solubilidade. Qual processo deve ser escolhido?

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Passo 1

A primeira coisa que precisamos fazer nesse tipo de questão é identificar os dados mais importantes. Eles são:

Carga – Gás

Produtos – Líquido e Gás

Princípio – Diferença de solubilidade

Passo 2

Com isso, podemos verificar a lista de todos os processos disponíveis e comparar.

Comparando, vemos que esse processo é a Absorção, que é representada da seguinte forma:

Resposta

Absorção

Exercício Resolvido #2

Elaboração própria

Qual a principal diferença entre o flash mecânico e o flash térmico?

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Passo 1

O flash térmico, como o nome já indica, utiliza a diferença de temperatura para realizar a separação. Então, esse processo possui um dispositivo no seu tanque para adicionar ou remover calor.

Já o flash mecânico não possui esse dispositivo, mas sua carga passa por uma válvula que é responsável por alterar a pressão!

Passo 2

Vamos de exemplo:

Digamos que a gente tenha uma mistura de dois líquidos com volatilidades distintas e queremos separar eles.

Se a gente optar por usar o flash térmico, podemos entrar com a carga líquida e usar o dispositivo pra adicionar calor ao sistema. Assim, o cara com maior pressão de vapor (volatilidade) passa pra fase de vapor ao receber calor, enquanto o outro permanece na fase líquida. Show, separamos nossos compostos!

Se, por outro lado, a gente optar por utilizar o flah mecânico, a gente pode entrar com a carga líquida pressurizada. Aí, dentro do equipamento a gente trabalha com uma pressão mais baixa. Quando nossa mistura “encontra a pressão mais baixa”, o cara mais volátil passa pro estado de vapor (a alta pressão de antes tava “empurrando ele” pra fase líquida), enquanto o menos volátil permanece na fase líquida.

Sacou a diferença dos dois processos? Um trabalha com calor e o outro com pressão 😉

Resposta

Flash térmico opera com variação de temperatura e flash mecânico com variação de pressão.

Exercício Resolvido #3

Elaboração própria

Um processo é representado pelo fluxograma abaixo.

Sabendo que amina é um solvente e que os termos “rica” e “pobre” fazem referência à concentração dos contaminantes, identifique quais são os processos envolvidos nos equipamentos 1 e 3 .

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Passo 1

Para definirmos quais são os processos, precisamos avaliar as correntes de entrada e saída de cada equipamento.

No primeiro equipamento, observe que não há presença de refervedores ou condensadores fazendo reciclos no fundo ou topo, assim não é uma coluna destilação.

Temos como carga um gás contaminado e, como não há aquecimento, o princípio de separação não é a diferença de volatilidade e sim de solubilidade.

Logo, o que temos é a transferência de contaminantes, por diferença de solubilidade, do gás para um solvente (amina pobre) pobre em contaminantes. Assim, o gás perde os contaminantes e fica purificado, enquanto osolvente fica rico em contaminantes (amina rica).

Assim, esse processo é uma coluna de absorção!

Passo 2

O próximo equipamento (3) possui como entrada a amina rica, ou seja, a carga é um líquido contaminado.

Esse equipamento também não possui condensadores e refervedores, e, portanto, também não ocorre destilação. A saída do equipamento 3 é a amina pobre, ou seja, foi removido contaminante do líquido e, para isso, foi utilizado um gás isento de contaminantes (que veio do equipamento 7).

Logo, esse processo é uma coluna de esgotamento. colunas de esgotamento são, geralmente, utilizadas após colunas de absorção para recuperação do solvente já utilizado.

Resposta

Absorção (1) e Esgotamento (3).

Exercício Resolvido #4

Elaboração própria

Extração é um processo baseado na diferença de solubilidade em que todos os produtos são líquidos. Industrialmente, são utilizados tanques em série para esse processo, em que a saída de um tanque é a entrada do próximo. Dentre as características citadas desse processo, qual(is) pode(m) representar uma dificuldade para seu emprego?

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Passo 1

Beleza, falou de extração! Então tanto a carga quanto os produtos são líquidos. Lembra que na teoria vimos que ocorre uma diferença de solubilidade entre os dois componentes existentes e o terceiro que nós adicionamos?

Logo, um fator que pode dificultar a operação é o fato de ter mais de uma fase líquida, fazendo com que seja necessário trabalhar com diagramas de fases ternário (já que são 3 componentes) dos componentes envolvidos, tipo esse aqui embaixo:

Obs: não fica preocupado em entender esse diagrama, pois quando a gente for avaliar a extração em detalhes, você vai entender tudinho dele, beleza?

Passo 2

Outro fator que pode complicar a operação industrial é a necessidade de tanques em série para atingir a extração desejada. Esses tanques podem exigir um espaço físico meio grande na sua indústria.

Resposta

Presença de mais de uma fase líquida (diagrama ternário) e necessidade de emprego de tanques em série.

Exercício Resolvido #5

Elaboração própria

As colunas de destilação possuem condensadores e refervedores. Além disso, elas podem ser constituídas de pratos ou recheios. Os principais recheios utilizados na indústria são listados a seguir:

Qual seria o objetivo de rechear a coluna dessas diferentes formas?

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Passo 1

A destilação é um processo de separação. Então, tanto os pratos quanto os recheios são dispositivos que tem por objetivo melhorar a separação, promovendo maior contato entre as correntes e, assim, facilitando a transferência de massa.

Assim, fica mais fácil diferenciar os compostos e promover sua separação. Logo, de acordo com a especificação desejada dos produtos, diferentes tipos de recheios podem ser escolhidos ou pode optar por coluna de pratos.

Resposta

O objetivo das diferentes formas é promover maior contato entre as correntes a fim de facilitar a separação dos compostos.

Exercício Resolvido #6

Cespe – SLU-DF – 2019 – Analista de Gestão de Resíduos Sólidos

A respeito do processo de destilação, julgue o próximo item.

O processo de dessalinização de água do mar mediante destilação flash consiste em aquecer a água e encaminhá-la por bombeamento para um tanque de baixa pressão, onde ela se vaporiza imediatamente. O vapor é condensado e retirado como água pura, e o líquido não vaporizado poderá seguir para a unidade flash seguinte.

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Passo 1

Essa é uma questão teórica de um concurso. Para poder julgar se ela está certa ou errada, precisamos só saber o que é a destilação flash.

Nesse caso, o enunciado diz que temos um tanque de baixa pressão, que provoca a vaporização. E isso é o que acontece no que chamamos de flash mecânico, onde a separação ocorre por diferença de pressão.

O líquido e vapor, portanto, se separam e são retirados!

Então tá certinho!

Resposta

O item está correto.

Exercício Resolvido #7

Concurso Cesgranrio -2012-Innova – Técnico de Operação Júnior

Considere o processo descrito a seguir:

A produção de monoacetato de vinila (VAM) pode ser feita a partir de ácido acético, etileno e oxigênio. As etapas do processo após a reação, envolvendo a purificação dos compostos obtidos, estão ilustradas na Figura acima. As colunas C-número são de absorção ou destilação. Os produtos da reação entram na coluna C-1 em fase gás. A entrada da coluna C-6 constitui-se de fase aquosa.

No fluxograma de purificação do processo de produção do VAM, os equipamentos C-1, C-5, E-2, E-5 representam, respectivamente,

  1. Coluna de absorção, coluna de destilação, refervedor e condensador.
  2. Coluna de absorção, coluna de absorção, refervedor e condensador.
  3. Coluna de absorção, coluna de destilação, condensador e refervedor.
  4. Coluna de destilação, coluna de destilação, refervedor e condensador.
  5. Coluna de destilação, coluna de absorção, condensador e refervedor.
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Passo 1

Para a coluna C-1, as opções que temos nas alternativas são Coluna de Destilação e Coluna de Absorção. Vamos avaliar aqui a coluna C-1.

A coluna C1 não possui condensador no topo e nem refervedor no fundo. Portanto, ela não pode ser uma coluna de destilação. Portanto, a única opção que resta é a coluna de absorção. E o enunciado é para afirmar para a gente que entra na coluna C-1 um gás. Logo, confere com o que vimos sobre a coluna de absorção com carga gasosa.

Passo 2

Já para a coluna C-5, temos o condensador e o refervedor. Portanto, é uma coluna de destilação.

Passo 3

Já E-2 fica no topo da coluna e condensa todo o vapor que está subindo para retornar para a coluna. Comparando com a representação de coluna de destilação que vimos, o topo da coluna é o condensador.