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Balanço de MassaProcesso de Extração Destilação

Processo de Extração Destilação

Uma mistura contendo 50,0% em peso de acetona e 50,0% em peso deágua deve ser separada em duas correntes - um enriquecido emacetona, o outro em água.

O processo de separação consiste na extração da acetona da água emmetil isobutil cetona (MIBC), que dissolve a acetona, mas é quase

imiscível com água. A descrição a seguir apresenta alguns dos termoscomumente usados em referência aos processos de extração líquida. Oprocesso é mostrado esquematicamente a seguir.

Misturador Misturador

Decantador Decantador

Co

lun

ad

e

De

stila

ção

M (MIBC solvente)

Alimentação

50% A, 50% W

A = acetona (soluto)

W = água (diluente)

M = MIBC (diluente)

Extrato 1Principalmente M e A

Rafinado 1

Extrato combinadoA maior parte do A na alimentação , M

Rafinado 2

M (MIBC solvente)

93,1% W, algum M e A

Extrato 2Maior parte M, algum A e W

Produto: 97% A, 2% M, 1% W

Solvente Recuperado

Principalmente M, algum W e A

Processo de Extração Destilação

A mistura de acetona (soluto) - água (diluente) entra em contato pelaprimeira vez com o MIBC (solvente) em um misturador que proporciona umbom contato entre as duas fases líquidas. Uma porção da acetona naalimentação transfere-se da fase aquosa (água) para a fase orgânica (MIBC)nesta etapa. A mistura passa para um tanque de decantação, onde as fasesse separam e são retiradas separadamente (rafinado e extrato).

A fase rica no diluente (água, neste processo) é referido como o rafinado e afase rica em solvente (MIBC) é o extrato.

A combinação de misturador-decantador (extrator) é a primeira etapa desteprocesso de separação.

O que entra e o que sai?

Misturador Misturador

Decantador Decantador

Co

lun

ad

e

De

stila

ção

M (MIBC solvente)

Alimentação

50% A, 50% W



M = MIBC (diluente)


Rafinado 1


Rafinado 2

M (MIBC solvente)



Produto: 97% A, 2% M, 1% W

Solvente Recuperado

Principalmente M, algum W e A

Processo de Extração Destilação - Exemplo

Em um estudo de planta-piloto, para cada 100 kg de acetona-águaalimentada ao primeiro estágio de extração, 100 kg de MIBC são alimentadospara o primeiro estágio e 75 kg são alimentados para o segundo estágio. Oextrato de o primeiro estágio contém 27,5% em peso de acetona. (Todas asporcentagens são percentuais de peso.) O refinado do segundo estágio temuma massa de 43,1 kg e contém 5,3% de acetona, 1,6% de MIBK e 93,1% deágua, e o extrato do segundo estágio contém 9,0% de acetona, 88,0% deMIBC e 3,0% de água. O produto acima da coluna de destilação contém 2,0%de MIBC, 1,0% de água e o equilíbrio de acetona.

Com base no cálculo de 100 kg de alimentação de acetona e água, calcule asmassas e as composições (percentagens em peso de componentes) dorafinado e extrato da Etapa 1, o extrato da Estapa 2, o extrato combinado, eos produtos de destilação de topo e de fundo.

Processo de Extração Destilação - Solução

1) Desenhar e Rotular o fluxogramaPor simplicidade, vamos tartar cada combinação misturador-decantador como uma única unidade chamada extrator.

1) Desenhando e rotulando o fluxograma

Extrator Extrator

Co

lun

ad

e

De

stila

ção

M (MIBC solvente)

Alimentação

50% A, 50% W



M = MIBC (diluente)


Rafinado 1


Rafinado 2

M (MIBC solvente)



Produto: 97% A, 2% M, 1% W

Solvente RecuperadoPrincipalmente M, algum W e A

m2 (kg)mA2 (kg de A)mM2 (Kg de M)mW2 (kg de W)

1) Desenhando e rotulando o fluxograma

Extrator Extrator

Co

lun

ad

e

De

stila

ção

100 kg M

100 kg

0,500 A0,500 W



M = MIBC (diluente)

75 kg M

43,1 Kg0,053 kg A /kg0,016 kg M/kg0,931 kg W/kg

m1 (kg)mA1 = 0,275 (kg de A)mM1 = xm1 (Kg de M)mW1 = 0,725 - xm1(kg de W)

m3 (kg)mA3 = 0,09 (kg de A)mM3 = 0,88 (Kg de M)mW3 = 0,03 (kg de W)

m4 (kg)mA4 = (kg de A)mM4 = (Kg de M)mW4 = (kg de W)



Processo de Extração Destilação - Solução

1) Desenhar e Rotular o fluxogramaPor simplicidade, vamos tartar cada combinação misturador-decantador como uma única unidade chamada extrator.

2) Escrever o balanço de massa geralOs balanços podem ser escritos para qualquer um dos sistemas mostrados no gráfico, extratores individuais, combinação de dois extratos, ponto onde as duas correntes de extrato se combinam, coluna de destilação, incluindo o processo geral.

2) Escrevendo o balanço de massa geral

a. Analisando o sistema dos dois extratores:


Analisando o sistema dos dois extratores

Extrator Extrator

Co

lun

ad

e

De

stila

ção

100 kg M

100 kg

0,500 A0,500 W



M = MIBC (diluente)

75 kg M


m1 (kg)mA1 = 0,275 (kg de A)mM1 = x1 (Kg de M)mW1 = 0,725 - x1 (kg de W)






a. Analisando o sistema dos dois extratores: escreva o balanço de massa total e o balanço de acetone; resolva os sistemas simultaneamente para determiner m1 e m3; escreva o balanço de massa de MIBC para determiner xM1

- Balanço de Massa Total

(100 + 100 + 75)kg = 43,1 kg+ m1 + m3

275 – 43,1 = m1 + m3

m1 = 231,9 – m3

- Balanço de Acetona A

[100.(0,500) + 100.(0) + 75.(0)]kg A = (43,1).(0.053) kg A + m1.(0.275) + m3.(0.09)


[100.(0,500) + 100.(0) + 75.(0)]kg A = (43,1).(0,053) kg A + m1.(0.275) + m3.(0,09)

[100.(0,500) + 100.(0) + 75.(0)]kg A = (43,1).(0,053) kg A + (231,9 – m3).(0,275) + m3.(0,09)

50 kg A = (43,1).(0,053) kg A = (231,9 – m3).(0,275) + m3.(0,09)

50 – 2,2843 – 63,7725 = – 0 ,275.m3 + 0,09.m3

– 16,0568 = – 0,185.m3

m3 = 86,7935

m3 = 86,8 kg

- Balanço de Massa Total

m1 = 231,9 – m3

m1 = 145,1065 kg

m1 = 145,1 kg

- Balanço de Solvente M

[100.(0) + 100. + 75] kg M = (43,1).(0,016) kg M + m1.(x1) + m3.(0,88)

175 = 0,6896 + 145,1065.(x1) + 86,7935.(0,88)

175 = 0,6896 + 145,1065.(x1) + 76.37828

X1 = 0.675 kg M /Kg



b. Analisando o sistema no ponto de mistura dos extratores:


Analisando o sistema no ponto de mistura dos extratores

Extrator Extrator

Co

lun

ad

e

De

stila

ção

100 kg M

100 kg

0,500 A0,500 W



M = MIBC (diluente)

75 kg M








b. Analisando o sistema sistema no ponto de mistura dos extratores: escreva o balanço de massa da acetona, MIBC e da água; resolver para determinar mA4, mM4 e mW4, respectivamente.


m1.(0,275) + m3.(0,09) kg A = mA4

145,1065.(0,275) + 86,7935.(0,09) = mA4

mA4 = 47,7157 Kg A

mA4 = 47,7 kg de A


m1.(xM1) + m3.(0,88) kg M = mM4

145,1065.(0,675) + 86,7935.(0,88) = mM4

mM4 = 174,3252 Kg M

- Balanço de Água W

m1.(mW1) + m3.(mW3) kg W = mW4

145,1065.(0,725 – x1) + 86,7935.(0,03) = mW4

145,1065.(0,725 – 0,675) + 86,7935.(0,03) = mW4

mW4 = 9,8591 Kg W

mM4 = 174,3 kg de M

mW4 = 9,9 kg de W



b. Analisando o sistema no ponto de mistura dos extratores:

c. Analisando o sistema no primeiro (ou segundo extrator):


Analisando o sistema no primeiro (ou segundo extrator)

Extrator Extrator

Co

lun

ad

e

De

stila

ção

100 kg M

100 kg

0,500 A0,500 W



M = MIBC (diluente)

75 kg M








c. Analisando o sistema no primeiro (ou segundo extractor): escreva o balanço de massa da acetona, MIBC e da água; resolver para determinar mA2, mM2 e mW2.

Utilizando o extrator 1:


100.(0,5) kg A = mA2 + m1.(0,275)

50 = mA2 + 145,1065.(0,275)

mA2 = 10,0957 Kg A

mA2 = 10,1 kg de A


100 kg M = mM2 + m1.(x1)

100 = mM2 + 145,1065.(0,675)

mM2 = 2,0531 Kg M

- Balanço de Água W

100.(0,5) kg W = mW2 + m1.(mW1)

50 = mW2 + 145,1065.(0,725 – x1)

50 = mW2 + 145,1065.(0,725 – 0,675)

mA2 = 42,7447 Kg W

mM2 = 2,1 kg de M

mW4 = 42,7 kg de W


Se soubéssemos (ou poderíamos determinar de forma independente) qualquer uma das variáveis m5, mA6, mM6 ou mW6, poderíamos calcular os três restantes. Como não temos, devemos terminar os cálculos neste momento.

Extrator Extrator

Co

lun

ad

e

De

stila

ção

100 kg M

100 kg

0,500 A0,500 W



M = MIBC (diluente)

75 kg M


m1 (kg)mA1 = 0,275 (kg de A)mM1 = xm1 (Kg de M)mW1 = 0,725 - xm1(kg de W)





Tarefa

Determine as variáveis, m5, m6, mM6 e mW6, considerandomA6 = 0,03.

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