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Operações Unitárias

3.7 EquipamentosPara a operação de absorção e esgotamen-

to, são utilizados os mesmos equipamentos quepara a operação de destilação, principalmentetorres com recheios, embora torres com pra-tos com borbulhadores ou com pratos valvu-lados também sejam empregadas.

As torres com recheios são mais utiliza-das em processos de absorção, pois nesta ope-ração as vazões de líquido e vapor, geralmen-te, não sofrem muita alteração ao longo doprocesso. Na operação correta, a torre está cheiade gás e o líquido desce através da coluna. Orecheio, desta forma, está sempre coberto poruma camada de líquido permanentemente emcontato com o gás. A vazão de líquido não podeser muito pequena, caso contrário o recheionão ficaria molhado de maneira uniforme. Avazão de vapor não pode ser excessivamentealta, pois dificultaria a descida do líquido natorre.

A transferência de massa entre as fases épromovida pelo recheio no interior da coluna.Este mantém o contato íntimo e contínuo en-tre as fases em toda a extensão de cada leitorecheado.

Anotações

Operações Unitárias

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4Processos de ExtraçãoLíquido-Líquido

4.1 IntroduçãoA operação denominada Extração Líqui-

do-Líquido é empregada nos processos de se-paração de um ou mais compostos de umamistura líquida, quando estes não podem serseparados por destilação de forma economi-camente viável.

Geralmente, tais separações ocorrem nosseguintes casos:

a) os componentes a serem separados sãopouco voláteis – seria necessário, en-tão, utilizar processos com temperatu-ras muito altas, combinadas com pres-sões muito baixas, com a finalidade deconseguir a separação desejada;

b) os componentes a serem separados têmaproximadamente as mesmas volatili-dades – neste caso, seria necessária autilização de colunas de destilação comum número muito grande de estágiosde separação (pratos), conseqüente-mente torres muito elevadas, a fim deconseguir a separação desejada;

c) os componentes são susceptíveis à de-composição – os compostos ou com-ponentes a serem separados sofrem de-composição quando atingem a tempe-ratura necessária para a separação;

d) o componente menos volátil que se querseparar está presente em quantidademuito pequena – não seria economi-camente viável, em tal situação, vapo-rizar toda a mistura líquida para ob-ter o produto desejado.

4.2 ConceitoO processo de Extração Líquido-Líquido

é a operação no qual um composto dissolvidoem uma fase líquida é transferido para outrafase líquida.

A fase líquida, que contém o composto aser separado, é denominada de solução e ocomposto a ser separado é denominado desoluto.

A fase líquida, utilizada para fazer a se-paração do soluto, é denominada de solvente.O solvente deverá ser o mais insolúvel possí-vel na solução.

De acordo com a natureza do compostoque se quer extrair da solução, isto é, o soluto,basicamente, há dois tipos de extração:

a) extração de substâncias indesejáveis –o soluto é uma impureza que deverá serretirada da solução. O produto dese-jado neste processo de separação é asolução livre do soluto. Como exem-plo, pode ser citada a extração de com-postos de enxofre existentes nos deri-vados de petróleo, como a gasolina, oquerosene e outras correntes. Um ou-tro exemplo é a retirada de compostosaromáticos de correntes de óleos lubri-ficantes para purificação dos mesmos;

b) extração de substâncias nobres – osoluto é, neste caso, o composto dese-jado após a operação de separação, orestante da solução é o produto inde-sejável do processo. Como exemplo,tem-se citar a separação do butadienode uma mistura entre o buteno e o bu-tadieno, na indústria petroquímica, uti-lizando-se como solvente neste proces-so de extração uma solução aquosa deacetato cupro-amoniacal.

4.3 Mecanismo da ExtraçãoO mecanismo do processo de extração

ocorre, basicamente, de acordo com as seguin-tes etapas:

a) mistura ou contato íntimo entre o sol-vente e a solução a ser tratada. Ao lon-go desta etapa, ocorrerá a transferênciado soluto da solução para a fase sol-vente;

b) a separação entre a fase líquida da so-lução, denominada de rafinado, e a faselíquida solvente, denominada de extrato;

c) recuperação do solvente e do soluto.

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Operações UnitáriasPara a recuperação do soluto do solvente, é

necessário que estes tenham características quepermitam a separação dos mesmos através deum simples processo de destilação ou qualqueroutro tipo de separação simples e possível.

O ciclo da extração pode ser representadopela figura seguinte, de forma que a massa es-pecífica do solvente é menor do que a massaespecífica da solução, para que seja possível aextração.

4.4 Equipamentos do Processo deExtração4.4.1 De um único estágio

Neste tipo de equipamento, os líquidos sãomisturados, ocorre a extração e os líquidosinsolúveis são decantados. Esta operação po-derá ser contínua ou descontínua. Este equi-pamento é correspondente ao esquema da fi-gura anterior.

4.4.2 De múltiplos estágiosBaseado, ainda, no exemplo da figura an-

terior, caso o rafinado (A + B) seja mais uma

vez processado e a este seja adicionada novaporção de solvente, será possível extrair maissoluto da solução e o rafinado tornar-se-á ain-da mais puro. Quanto maior o número de está-gios, maior será a extração.

Se, ao invés de ser utilizado solvente novoe puro para cada caso, um sistema em contra-corrente, for empregado, o solvente puro en-trará em contato com a carga em contracor-rente e tem-se então um sistema de múltiplosestágios, que formam uma sucessão de estágiossimples.

Como exemplo, pode-se observar a figura aseguir, que mostra um sistema para dois estágios.

a) torre de dispersão;

b) torre com recheios;

c) torre agitada.

Nota: Não são utilizados pratos com borbulhadores emequipamentos de extração.

Os equipamentos que fazem a extraçãolíquido-líquido em múltiplos estágios utilizamo princípio desta figura uma única coluna, ge-ralmente, semelhantes a uma torre de destila-ção, podendo ou não conter recheios ou aindabandejas. Os principais tipos de equipamen-tos são:

Operações Unitárias

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Os equipamentos mencionados anteriormente podem ser observados nas figuras a seguir:

4.5 Equilíbrio entre as Fases LíquidasExiste uma analogia, que se pode fazer,

entre os processos de esgotamento e ou absor-ção em relação ao processo de extração.

A fase líquida do solvente, o extrato,pode ser considerada como a fase vapor,enquanto que a fase líquida da solução, orafinado, pode ser considerada a fase líquida.

Na absorção e no esgotamento, quando as duasfases entram em equilíbrio, não há mais alte-ração da composição nem da fase líquida, nemda fase vapor. Da mesma forma na extração,quando é atingido o equilíbrio entre as fases,então não haverá mais alteração das composi-ções do extrato e do rafinado, o que está ilus-trado na figura a seguir.

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Operações Unitárias

4.6 Fatores que influenciam a Extração4.6.1 Relação Solvente-Carga

De forma semelhante ao processo de ab-sorção, na extração, também existe uma rela-ção mínima solvente/carga, abaixo da qualnão é possível efetuar a extração desejada.Quanto maior a relação solvente/carga, me-lhor será a extração, pois uma concentraçãomaior de solvente na solução aumentará o po-tencial de transferência de massa do soluto paraa fase líquida do solvente, com a conseqüenteformação do extrato.

4.6.2 Qualidade do solventeNos casos em que o solvente é recupera-

do, após a extração, quanto mais isento desoluto ele retornar para a torre de extração,melhor será a extração, pois sua composiçãoestará mais afastada da composição de equilí-brio com a carga e maior será a transferênciade soluto da fase da solução (carga) para a fasesolvente.

4.6.3 Influência da temperaturaEmbora seja adequado que o solvente

apresente insolubilidade na carga, isto na prá-tica não ocorre, pois sempre existe , ainda quepequena, uma solubilidade mútua entre as fa-ses que aumenta com a elevação da tempe-ratura. A composição das duas fases em equi-líbrio muda, então, com a alteração da tempe-ratura. Isto pode influenciar de forma negati-va na extração desejada. Portanto, nunca sedeve operar com temperaturas acima das re-comendadas para um certo processo de extra-ção, pois poderá ocorrer a dissolução de parteou até mesmo de todo o solvente na carga ouvice-versa, impedindo a separação das duasfases líquidas. Caso haja uma certa dissolu-ção de solvente na carga ou vice-versa, o equi-pamento não terá uma operação satisfatóriacom conseqüente queda de eficiência no pro-cesso de extração.

Anotações

Operações Unitárias

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5Fluidização de Sólidose Separação Sólido

5.1 Fluidização de sólidos5.1.1 Conceito

Para compreender melhor o conceito defluidização de sólidos, suponha que um fluidolíquido ou gasoso esteja escoando vagarosa-mente através de um leito de partículas sóli-das finamente divididas. Os sólidos agem comoum obstáculo à passagem deste fluido, ocasio-nando uma queda de pressão (DP), devido aoatrito, que aumenta com o aumento da veloci-dade. Ao aumentar ainda mais a velocidadedo fluido, os canais de passagem formados pelomesmo aumentam e as partículas sólidas fi-cam mais separadas. Nesse ponto, inicíasse afluidização do leito de sólidos, pois estes per-dem suas características e passam a se com-portar como fluidos, de modo a seguir as leisde escoamento de fluidos, em que a pressão éproporcional à altura do leito.

Caso continue o aumento da velocidadede escoamento do fluido, haverá um ponto emque as partículas sólidas serão arrastadas, des-fazendo-se, desta maneira, o leito sólido.

5.1.2 Objetivo da FluidizaçãoA principal aplicação da operação com

leito fluidizado é em processos cujas reaçõesquímicas envolvam catalisadores, como nocaso do processo de craqueamento catalítico.Neste, o catalisador sólido finamente divididoestá em forma de leito fluidizado. O estadofluidizado do catalisador, além de garantir seumelhor contato com a carga devido ao aumen-to da área específica do catalisador com ele,permite que o catalisador seja escoado de umvaso para outro por diferença de pressão, comose fosse um líquido. Evita-se, desta forma, autilização de equipamentos de transporte desólidos, como caçambas, esteiras rolantes, cor-reios ou outros métodos de transporte de lei-tos sólidos.

5.1.3 Tipos de FluidizaçãoExistem dois tipos de fluidização, a parti-

culada e a agregativa.A fluidização particulada ocorre, prin-

cipalmente, quando o fluido é um líquido, en-quanto a fluidização agregativa ocorre quan-do o fluido é um gás.

Na fluidização particulada, o início doprocesso é caracterizado por um rearranjo daspartículas de forma a oferecer maior área livrepara o escoamento, porém sem que as partícu-las percam o contato entre elas.

Na fluidização agregativa, o início é ca-racterizado por um fenômeno semelhante àebulição, ou seja, bolhas de gás atravessam oleito sólido e rompem-se na superfície, em-purrando as partículas de sólido para cima.

A fluidização do tipo agregativa é aquelaque ocorre no processo de craqueamento ca-talítico.

5.1.4 Dimensões do Leito FluidizadoA altura necessária do equipamento que

contém o leito aumenta com a velocidade deescoamento do fluido, pois o volume de vaziosfica maior com o aumento da velocidade. Aspartículas menores têm velocidade de quedamenor do que as maiores, ou seja, se uma par-tícula de 1 mm não é arrastada pelo fluido, umaoutra de 0,1 mm poderá ser arrastada e aban-donar o leito. Com o constante choque entreas partículas sólidas, aos poucos, elas vão sen-do reduzidas a tamanhos cada vez menores.Para que estas partículas não sejam arrastadas,seria necessária a utilização de velocidadesmuito baixas para o escoamento dos fluidos,o que equivale a construir equipamentos comdiâmetros muito elevados. Mesmo com aconstrução de equipamentos com diâmetrosmuito elevados, ainda haveria o problema deque as partículas maiores não seriam movi-mentadas de forma adequada no leito. Por ou-tro lado, quando ocorre a redução de tama-nho das partículas, sempre existe o arraste de

28

Operações Unitáriaspartículas finas para fora do leito. Nos casosem que o fluido é um gás, como no processode craqueamento catalítico, estas partículasfinas são retiradas através de equipamentos es-peciais, denominados ciclones, que promovemo retorno destas para o equipamento que con-tém o leito de sólidos.

5.2 Separação sólido-gásA separação de partículas sólidas de um

gás pode ser efetuada através de diversas ma-neiras, por exemplo, filtração, precipitaçãoeletrostática, aspersão com líquidos, ciclonese outros processos. O mais utilizado em refi-narias, geralmente, é o ciclone, especialmenteempregado em processos de craqueamentocatalítico, onde são retidas as partículas finasdo processo de craqueamento.

No processo de craqueamento catalítico,o gás que entra nos ciclones pela abertura la-teral encontra-se carregado de partículas decatalisador, saindo pela parte superior, o gáspurificado e, por baixo, as partículas de catali-sador, que voltam ao leito.

Dentro do ciclone, as partículas de sóli-dos chocam-se contra as paredes, perdem ve-locidade e, em conseqüência se precipitam.

5.2.2 Arranjos entre os CiclonesPara se obter maior eficiência de remoção de partículas nos ciclones, é possível fazer com-

binações de ligações entre os mesmos. Estas ligações poderão ser em série ou em paralelo,dependendo de cada caso desejado.

Para altas vazões de gás, utilizam-se as ligações em paralelo, com a finalidade de reduzir aperda de pressão (perda de carga) originada pelo processo de separação nos ciclones.

Na figura a seguir observam-se os arranjos mencionados.

O ciclone é um separador por decantação,em que a força da gravidade é substituída pelaforça centrífuga. A força centrífuga que agesobre às partículas pode variar de 5 a 2.500 ve-zes a mais do que a força da gravidade sobre amesma partícula, dependendo das condições dogás e do projeto do ciclone. O ciclone é um equi-pamento muito eficiente e por isso muito utili-zado nos processos de separação sólido-gás.

5.2.1 Fatores que influenciam o funcionamentode um Ciclone

a) Diâmetro das partículas: o ciclone nãoé muito eficiente para partículas meno-res do que 0,005 mm.

b) Velocidade do gás na entrada do ciclo-ne: é muito importante notar que quan-to maior a velocidade do gás que entrano ciclone, mais partículas finas serãoretirada do gás. A velocidade do gásque vai para o ciclone não pode seraumentada de forma indiscriminada,pois a perda de pressão (perda de car-ga) que ocorre no interior do ciclonepoderá ser muito grande.

c) Viscosidade: O aumento da viscosidadedo gás dificulta a remoção das partículas.

Operações Unitárias

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5.3 Noções básicas do processo de Craqueamento Catalítico

Um ciclone em operação é apresentado a seguir:

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Operações UnitáriasNo processo de craqueamento catalítico,

a carga (gasóleo) entra em contato com o ca-talisador no riser, onde são iniciadas as rea-ções, que ocorrem em fase gasosa. O riser éum tubo de grande dimensão, que fica a mon-tante do reator. O reator, por sua vez, funcionacomo um vaso separador entre os produtosformados e o catalisador.

O catalisador em forma de pó, ou seja,partículas muito finas, quando retirado do rea-tor, está impregnado com coque; por isso ne-cessita de retificação para retornar ao reator.No regenerador, o coque do catalisador é quei-mado na presença de ar, que vem do blower(soprador). Os gases gerados na combustão docatalisador (CO2, CO, H2O, H2, N2, O2 em ex-cesso, e outros gases), antes de serem envia-dos para a atmosfera, passam em uma caldei-ra recuperadora de calor (caldeira de CO), paraque o calor latente dos gases, bem como a quei-ma do CO na caldeira possam ser aproveita-das na geração de vapor.

Os ciclones, que estão localizados no topodo reator, evitam que o catalisador contamineos produtos que saem do reator.

Os produtos gerados no reator seguem parauma torre de fracionamento, onde são separa-dos em frações, como GLP, nafta craqueada,diesel de FCC (LCO) e óleo combustível deFCC. Na torre de fracionamento, ainda éproduzids uma fração denominada borra, que,por conter algum catalisador arrastado do pro-cesso de craqueamento, retorna para o iníciodo processo, junto com a carga.

Anotações

Operações Unitárias

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6Bombas6.1 Curvas características de BombasCentrífugas

As curvas características de bombas tra-duzem o funcionamento do equipamento emquestão. São produzidas a partir de dadosempíricos (experimentais) do próprio fabrican-te do equipamento, fazendo a bomba vencerdiversas alturas de coluna de líquido, varian-do a vazão do líquido e ao mesmo tempo veri-ficando a potência absorvida pelo eixo da bom-ba e a sua eficiência.

As curvas características, fornecidas pe-los fabricantes de bombas são:

a) curva de carga (H) versus vazão volu-métrica (Q);

b) curva de potência absorvida (Pabs)versus vazão volumétrica (Q);

c) curva de rendimento (h) versus vazãovolumétrica (Q).

Podem ser obtidas teoricamente ou, então,em testes de performance do equipamento emquestão.

6.2 Curva da carga (H) versus vazãovolumétrica (Q)

A carga de uma bomba pode ser definidacomo a energia por unidade de peso. As cur-vas de carga versus vazão, fornecidas pelosfabricantes, apresentam, portanto, normalmen-te uma das seguintes unidades:

kgf x m / kgf = m ou lbf x ft / lbf = ft

A curva “carga” versus “vazão” recebediferentes denominações, de acordo com a for-ma que apresenta:

a) Curva tipo “rising”Nesta curva, a altura manométrica (H)aumenta continuamente com a diminui-ção da vazão, como pode ser observa-do na figura a seguir:

b) Curva tipo “Drooping”Nesta curva, a altura manométrica, naausência de vazão (vazão zero ou va-zão de shut-off), é menor do que a de-senvolvida pelo equipamento para ou-tras vazões, conforme apresentado nafigura a seguir:

c) Curva tipo “steep”Nesta curva, a altura manométrica (H)aumenta rapidamente com a diminui-ção da vazão, conforme se observa nafigura a seguir:

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Operações Unitáriasd) Curva tipo “Flat”:

As curvas características de bombas po-dem ser conceituadas como curvas do tipo es-tável e instável.

1. Curva tipo “estável”Curvas do tipo estável são aquelas em que

um determinado valor de altura manométrica(H) corresponderá somente a uma vazão (Q),como é o caso das curvas dos itens a, c, d(rising, steep, flat).

2. Curva tipo “instável”São aquelas em que um determinado va-

lor de altura manométrica (H) poderá corres-ponder a uma ou duas vazões (Q), como é ocaso da curva do item b (drooping).

6.3 Curva de potência absorvida (PABS.)versus vazão volumétrica (Q)Geralmente, quando se escolhe uma bom-

ba, a maior preocupação é com a potência ab-sorvida pela bomba, pois esta é a requeridapelo acionador da bomba. A seleção do equi-pamento será feita, portanto, com base nestedado de potência.

É importante que se faça a distinção entre“potência útil cedida ao fluido” e “potênciaabsorvida pela bomba”.

A potência útil cedida ao fluido não levaem consideração as perdas que ocorrem noequipamento, enquanto que a potência absor-vida no eixo da bomba é a energia efetivamenteentregue à bomba, para que esta realize traba-lho desejado. A potência absorvida pela bom-ba considera, então, a eficiência do equipamento.

a) Potência útil cedida ao fluido: a potên-cia cedida ao fluido, que não consideraa eficiência da bomba, é a potência re-cebida por ele para a realização do tra-balho de deslocamento do mesmo epode ser expressa pelas equações se-guintes:

PC = r . Q . H / 550

em que:PC = potência cedida em HPr = massa específica em lb/ft3

Q = vazão volumétrica em ft3/sH = altura manométrica em ft

PC = g . Q . H / 550

em que:PC = potência cedida em HPg = peso específico em lbf/ft3

Q = vazão volumétrica em ft3/sH = altura manométrica em ft

PC = g . Q . H / 75

em que:PC = potência cedida em CVg = peso específico em kgf/m3

Q = vazão volumétrica em m3/sH = altura manométrica em m

b) Potência absorvida pela bomba: é a po-tência que a bomba recebe do aciona-dor (motor, turbina ou outro equipa-mento). Analogamente à potência ce-dida, a potência absorvida pode ser ex-pressa pelas equações seguintes:

Pabs = r . Q . H / 550 . h

em que:Pabs = potência absorvida em HPr = massa específica em lb/ft3

Q = vazão volumétrica em ft3/sH = altura manométrica em fth = rendimento da bomba

Pabs = g . Q . H / 550 . h

em que:Pabs = potência cedida em HPg = peso específico em lbf/ft3

Q = vazão volumétrica em ft3/sH = altura manométrica em fth = rendimento da bomba

Pabs = g . Q . H / 75 . h

em que:Pabs = potência cedida em CVg = peso específico em kgf/m3

Q = vazão volumétrica em m3/sH = altura manométrica em mh = rendimento da bomba