TRANSFERÊNCIA DE ASSA

TRANSFERÊNCIA DE MASSA

A força motriz para a transferência de massa é uma diferença de concentração ou gradiente de

concentração

Transferência de calor à potencial motriz é o gradiente de temperatura

�  Embora massa seja transferida toda vez que existir movimento global do fluido à trabalho mecânico Refere-se ao transporte de massa

X �  TM: movimento relativo das espécies em uma mistura

devido ao gradiente de concentração ü 

OPERAÇÕES DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA

�  Grupo de operações que utilizam a diferença na pressão de vapor ou solubilidade, para separar componentes de misturas através da transferência de material de uma fase homogênea para a outra

Diferente de usar densidade ou tamanho de partículas

OPERAÇÕES: TRANSFERÊNCIA SIMULTÂNEA

�  Evaporação: solução líquida é concentrada pela evaporação de uma parte do solvente

�  Cristalização: a formação de cristais separa um

sólido de um fundido ou solução eliminando impurezas

�  Secagem: separa um líquido de um sólido pela

vaporização do líquido

�  Desumidificação: separa um componente, na fase vapor, de uma fase gasosa por condensação

�  Absorção de gases: um vapor solúvel é absorvido por meio de um líquido no qual o soluto gasoso é mais ou menos solúvel. O soluto é recuperado posteriormente por destilação

(operação inversa: dessorção)

Ex: coluna de absorção amônia é absorvida de uma mistura de ar (insolúvel em água) e amônia (solúvel em água) Dessorção ou extração: amônia é transferida do líqudo para o ar (borbulhamento através da solução)


�  Adsorção: um soluto é transferido de um fluido para a superfície de uma fase sólida. Para completar a separação, o constituinte adsorvido deve ser removido do sólido.

- Adsorção química - Processo de adsorção que envolve a formação de uma ligação química entre as substâncias; - Adsorção física - Processo de adsorção que não envolve a formação de uma ligação química -  Isoterma de adsorção - Quantidade de fluido adsorvido por uma superfície sólida em função da pressão de um fluido a uma determinada T; a quantidade adsorvida aumenta com a concentração do fluido e decresce com o aumento da temperatura.

- Adsorvente / Dessecante - O material sólido em que ocorre a adsorção; -  Adsorvato - Fluido no estado adsorvido; - Adsorvível ou adsortivo- Substância em fase fluida em condição de ser adsorvida;


�  Extração líquido-líquido: ou extração por solvente: uma mistura de dois componentes é tratada com um solvente que dissolve preferencialmente um dos componentes

Caso ideal: componente a ser extraído é solúvel no solvente e o restante insolúvel

Ex: remoção de componentes indesejáveis de óleos lubrificantes de outras frações do petróleo, para produzir acido fosfórico concentrado


�  Extração sólido-líquido: ou lixiviação ou lavagem: componentes de uma fase sólida podem ser separados pela dissolução seletiva de parte solúvel do sólido por meio de um solvente apropriado

Componente desejado solúvel à outra etapa de separação

Tipos especiais de equipamentos (pois uma das fases é sólida e não fluida) Ex: fabricação de café solúvel, extração de óleo de soja Aparelho de Soxlet


�  Destilação: Separar, por vaporização, uma mistura líquida de substâncias miscíveis e voláteis em componentes individuais (a fase vapor entra em contato com a fase líquida e há TM do líquido para o vapor e do vapor para o líquido)

¢  Líquido e vapor tem, em geral, mesmos componentes em quantidades relativas diferentes

¢  Efeito final: aumento da concentração do componente mais volátil na fase vapor

¢  Mais amplamente utilizado na indústria química (processo de separação)

¢  Também denominada fracionamento ou destilação fracionada ¢  Vantagem: não é necessário adicionar nenhuma substância para

melhorar a separação


EQUILÍBRIO DE FASES

�  Um limite de transferência de massa é atingido se duas faces entram em equilíbrio e assim a transferência global para

�  AB(sol) A+ (aq) + B- (aq) H2O

Em um processo prático, o equilíbrio deve ser evitado, uma vez que a transferência de massa é proporcional à força motriz, que é o afastamento

do equilíbrio

MÉTODOS DE CONDUÇÃO DE OPERAÇÕES DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA

�  Estado estacionário (Regime permanente)

�  Batelada ou semi-batelada

�  Operação em estágio: duas fases são colocadas em contato para que as substâncias possam ser distribuídas ente as fases e depois estas fases são separadas: a operação e o equipamento constituem um estágio

�  Para separações que requerem grande mudança de concentração, uma série de estágios pode ser arranjada de tal forma que as fases passem pelo conjunto de estágios de um para o outro em contracorrente. Esse tipo de arranjo é chamado de cascata.

OPERAÇÃO EM CONTATO CONTÍNUO

�  As fases escoam através do equipamento em contato contínuo, sem separações repetidas e recontatos. A natureza do método requer que a operação seja feita em semi-batelada ou estado estacionário

�  Conhecer número de estágios requeridos à requer as características do equilíbrio e o balanço de material

Contato entre as fases líquida e vapor

Componentes mais voláteis

Componentes menos voláteis Refervedor

Condensador

Esquema de uma válvula

DEFINIÇÃO ESTÁGIO

�  Unidade de Equipamento onde entram em contato íntimo duas fases diferentes, que são depois separadas.

�  Durante o contato, diversos componentes difusíveis da mistura se redistribuem entre as fases

�  As duas fases resultantes aproximam-se do equilíbrio e, portanto, tem composições diferentes das iniciais

�  As unidades individuais em uma cascata são numeradas em série

Balanço de massa entre o estágio 1 e o estágio n

Balanço de massa para o componente A

Balanço de massa para toda a cascata

Balanço de entalpia entre o estágio 1 e o estágio n

MÉTODOS GRÁFICOS �  Para um sistema contendo apenas 2 componentes, é possível

resolver problemas de transferência de massa por métodos gráficos, baseado no balanço de material e relações de equilíbrio

�  Para um sistema binário, as composições das duas fases em uma cascata podem ser representadas em um gráfico x,y.

�  No equipamento industrial real não é prático esperar tempo suficiente para que a mistura atinge o equilíbrio

�  A b a i x o d a l i n h a d e

equilíbrio: o V vindo de cada p r a t o c o n t é m m e n o r quantidade do menos volátil d o q u e o v a p o r e m equilíbrio

Figura : Diagramas de equilíbrio Y,x..

SISTEMA BINÁRIO A P E T CONSTANTE

Linha de operação

�  B) Quando um componente deve ser transferido da fase V para L (como absorção), a linha de operação deve ser acima do ponto de equilíbrio

�  Força motriz (yn+1 – ye): composição atual do vapor e a composição do vapor no equilíbrio

MÉTODOS GRÁFICOS

�  Para um sistema contendo apenas 2 componentes, é possível resolver problemas de transferência de massa por métodos gráficos, baseados em balanço de material e relações de equilíbrio

�  Para um sistema binário, a composição das duas fases em uma cascata podem ser representadas em um gráfico x,y.

�  Do balanço de massa para componentes individuais:

Destilação

MÉTODOS GRÁFICOS

�  Se os pontos xn e yn+1 para todos os estágios forem plotados, a linha passando por esses pontos é chamada LINHA DE OPERAÇÃO

�  Se Ln e Vn+1 são constantes, a equação é uma reta com inclinação L/V e intercepção (xn=0 e yn+1=0): ya= - (L/V).xa

Laxa + Vn+1yn+1 = Lnxn + Vaya

yn+1 = (Ln/Vn+1)xn + Vaya + Laxa Vn+1

Constante

Destilação

Laxa + Vn+1yn+1 = Lnxn + Vaya

yn+1 = (Ln/Vn+1)xn + Vaya + Laxa Vn+1

Destilação

MÉTODOS GRÁFICOS

�  Se as vazões não são constantes na coluna, a LINHA DE OPERAÇÃO não é uma reta. As composições terminais (xa, ya e x1,y1) podem ser usadas para localizar os extremos dessa linha e cálculos de balanço de massa podem ser usados para encontrar pontos intermediários (2 ou 3 pontos), pois a linha é levemente curvada.

xa xn+2 x

ya

yb

y

xn xb

yn

yn+2

LINHA DE OPERAÇÃO

�  A linha de operação em relação à linha de equilíbrio determina a direção da transferência de massa e quantos estágios são requeridos para uma dada separação.

�  O vapor que chega a um prato contém menos da substância volátil que o vapor em equilíbrio com o líquido que deixa o prato. Portanto o vapor passando pelo líquido será enriquecido com o componente mais volátil

�  Os dados de equilíbrio podem ser encontrados experimentalmente ou por cálculos termodinâmicos. Para retificação em coluna de destilação, a linha de operação s i tua-se abaixo da l inha de equilíbrio.

Destilação

MÉTODOS GRÁFICOS

�  A força motriz para a transferência de massa é a diferença ye – yn+1

�  ESTÁGIO DE CONTATO IDEAL: a fase V que deixa o estágio está em equilíbrio com a fase L que deixa o estágio

DETERMINAÇÃO DO NÚMERO DE ESTÁGIOS IDEAIS

�  Encontrar o número de estágios ideais requeridos em cascata para se atingir a concentração desejada (> eficiência)

�  Pode ser encontrado por MÉTODOS GRÁFICOS (Simples para 2 componentes)

�  Pontos finais da linha de operação: a e b

�  Problema: precisa assegurar que a concentração da fase gasosa muda de yb para ya e a concentração da fase líquida de xa para xb (sempre x e y: frações do componente mais volátil)

�  A concentração do gás que deixa o estágio do topo (1) é ya ou y1. Se o estágio é ideal, o líquido que deixa o estágio está em equilíbrio com o vapor (ponto: x1, y1) à deve estar sobre a linha de equilíbrio

�  A linha de operação passa sobre os pontos tendo como coordenada (xn, yn+1) e assim, se x1 é conhecido, o y2 correspondente é encontrado movendo-se verticalmente até a linha de operação.

�  A passagem em triângulo definida por amn representa o estágio ideal

�  O segundo estágio ideal é encontrado graficamente repetindo-se a operação

n à o à p �  O terceiro: p à q à b �  São necessários 3 estágios

ideais para essa separação

DETERMINAÇÃO DO NÚMERO DE ESTÁGIOS IDEAIS

�  A mesma construção pode ser usada para determinação do número de estágios ideais para diferentes “cascatas”: absorção de gases, destilação, lixiviação ou extração liq-liq

�  A construção gráf ica passo a passo ut i l izando alternadamente a linha de operação e a linha de equilíbrio para encontrar o número de estágios ideais foi aplicada primeiramente para o projeto de colunas de retificação e é conhecida como Método de McCabe-Thiele

�  A construção pode começar em qualquer extremo da coluna e, em geral, a última etapa não coincidirá exatamente com as concentrações terminais. Nestes casos, um estágio fracionário pode ser previsto, ou o número de estágios ideais pode ser arredondado para cima.

EXEMPLO

�  Em uma coluna de pratos, acetona é absorvida de uma mistura com ar em um óleo não volátil. O gás que entra contém 30% em mol de acetona e o óleo que entra não contém acetona. Da acetona contida no ar 97% é absorvida e o licor concentrado na base da coluna contém 10% em mol de acetona. A relação de equilíbrio é ye=1,9xe. Construa um gráfico com a linha de operação e determine o número de estágios ideais.

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