Extração líquido-líquido

Introdução

Extração líquido-líquido é a transferência de um soluto de um solvente para outro. O soluto passa de um solvente para o outro porque ele é mais solúvel no segundo solvente do que no primeiro. Os dois solventes não podem ser miscíveis (misturar-se em todas as proporções), portanto, devem formar duas fases ou camadas.

A técnica de separação pela extração é utilizada nos casos em que a destilação é inadequada. Por exemplo, o soluto for sensível ao calor, ou estar em concentração muito baixa, ou se a separação for difícil por razões termodinâmicas, então aplicamos a extração líquido-líquido.

Tabela 1: Comparação Extração/Destilação.

Extração Destilação

1. Extração é a Operação Unitária na qual os constituintes da mistura líquida são separados através da adição de um solvente líquido insolúvel. 1. Os constituintes da mistura líquida são separados pela adição de calor.

2. A Extração usa a diferença de solubilidades dos componentes para conseguir a separação. 2. A Destilação usa a diferença de pressão de vapor dos componentes para conseguir a separação.

3. A Seletividade é uma medida da facilidade da separação. 3. A Volatilidade é uma medida da facilidade da separação.

4. Obtém-se uma nova fase líquida insolúvel por adição do solvente à mistura líquida inicial. 4. Forma-se uma nova fase por adição de calor.

5. As fases são mais difíceis de misturar e separar. 5. A mistura e separação das fases é fácil.

6. A extração não fornece produtos puros e requer outros tratamentos posteriores. 6. Fornece produtos praticamente puros.

7. Oferece maior flexibilidade na seleção das condições operatórias. 7. Menor flexibilidade na seleção das condições operatórias.

8. Requer energia mecânica para a mistura e a separação. 8. Requer energia térmica.

9. Não precisa de sistemas de aquecimento ou arrefecimento. 9. Precisa de sistemas de aquecimento e arrefecimento.

10. Normalmente é a segunda escolha para a separação dos componentes de uma mistura líquida. 10. Normalmente é a primeira escolha para a separação dos componentes de uma mistura líquida.

Na extração líquido-líquido a alimentação que contém o soluto a extrair, é misturada com o solvente (B) do processo o qual deve ser o mais imiscível possível com o diluente (A) da alimentação. Em resultado deste processo produzem-se duas fases, uma rica no solvente B (Extrato) e outra rica no diluente A (Resíduo ou Refinado). O solvente que se seleciona para o processo de extração deve ter grande afinidade com o soluto, de tal modo que, no processo de mistura, a transferência de massa ocorra no sentido dos extratos, ou seja, o soluto fique preferencialmente retido na fase do solvente B. Em seguida deixa a mistura repousar para formar as duas fases praticamente imiscíveis (densidades diferentes) produzindo-se finalmente o extrato e o resíduo.

Figura 1. Projeto de um equipamento para extração líquido-líquido.

Para melhorar a recuperação do soluto no extrato e a eficiência global do processo, a extração pode decorrer em vários andares em equilíbrio. O esquema da Figura 2 corresponde a um Processo em Contra-Corrente. Na extração não se usam, normalmente operações em corrente pois nesse caso a driving-force fica muito pequena no final do processo. No caso da extração em contra-corrente a driving-force para a transferência de massa (diferença de concentração entre as duas fases) mantém-se praticamente constante ao longo de todo o processo.

Figura 2. Extração líquido-líquido em contra-corrente.

Existe também a extração em Operação em Corrente Cruzada, embora neste caso os gastos com solvente sejam mais elevados. Esta operação, implementada através de uma série de misturadores e decantadores é usada, normalmente, em unidades de baixa capacidade.

Figura 3. Extração em corrente cruzada.

Equilíbrio líquido-líquido

Para se projetar um equipamento de extração líquido-líquido é necessário o conhecimento dos sistemas de balanço de massa e as equações de equilíbrio químico.

O equilíbrio líquido-líquido pode ser descrito pela igualdade dos potenciais químicos (µ) das duas fases líquidas, como acontece nos sistemas líquido-vapor.

No equilíbrio líquido-líquido a equação (1) reduz-se:

γiα e γiβ são os coeficientes de atividade de i nas duas fases e xi α e xi β as respectivas frações molares.

Os coeficientes de atividade podem ser calculados pelo método UNIFAC ou UNIQUAC.

• Método UNIFAC

O método UNIFAC publicado pela primeira vez em 1975 por Fredenslund, Jones e Prausnitz, supõe que a mistura líquida é uma solução das unidades estruturais (denominadas grupos e subgrupos) que constituem as moléculas em vez de considerá-las como uma mistura das próprias moléculas.

Desta maneira, as propriedades de uma mistura podem ser representadas pela soma das contribuições individuais de cada um dos grupos que compõem a mesma.

UNIFAC usa os grupos funcionais presentes nas moléculas que compõem a mistura líquida para calcular coeficientes de atividade. Ao utilizar as interações para cada um dos grupos funcionais presentes nas moléculas, bem como alguns coeficientes de interação binária, a atividade de cada uma das soluções pode ser calculado. Esta informação pode ser usada para obter as informações de equilíbrios líquidos, que é útil em muitos cálculos termodinâmicos, entre eles para cálculos de destilação.

O método admite que o coeficiente de atividade do componente i de uma mistura líquida resulta de duas contribuições: uma contribuição combinatória (ou contribuição entrópica) e uma contribuição residual:

(1)

A contribuição combinatorial, γiC, que é dado pela UNIQUAC, diz respeito às diferenças de tamanho e de forma das moléculas, sendo calculada a partir de propriedades da