Processos em Engenharia:
Processos de Separação
Prof. Daniel Coutinho
[email protected]
Departamento de Automação e Sistemas – DAS
Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC
DAS 5101 - Aula 10 – p.1/44
Sumário
• Introdução
• Separação de Misturas
1. Sólidos
2. Sólidos e gases
3. Sólidos e líquidos
4. Líquidos com diferentes volatilidades
5. Multifásica (gás, água e óleo)
• Exemplos
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Introdução - I
• Um processo de separação é qualquer processo de
transferência de massa que converte uma mistura de
substâncias em dois ou mais produtos (que possuem uma
concentração maior de uma determinada substância).
• Em alguns casos, a separação pode levar a completa
separação entre duas substâncias.
• Os processos de separação são baseados nas diferentes
propriedades físico-químicas dos substâncias presentes na
mistura como tamanho, formato, massa ou afinidade
química.
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Introdução - II
• A grande maioria dos elementos na natureza são
normalmente encontrados em estado impuro (i.e.,
misturado com outros elementos).
• Portanto, a separação de materiais tem grande importância
industrial por constituir um meio de preparar um produto
para a sua comercialização ou para uma operação
subseqüente.
• A separação também pode ser a base para um método de
análise físico-química. Como, por exemplo, na
determinação do conteúdo de chumbo na gasolina, que não
pode ser determinado por medição indireta.
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Exemplo 1
• Um exemplo clássico de processo de separação é o refino de óleo
crú (petróleo).
• O óleo crú é naturalmente composto por uma mistura de
hidrocarbonetos e impurezas.
• O processo de refino separa a mistura em diversas substâncias de
grande valor comercial como gás natural, gasolina, óleo diesel e
materia prima (nafta) para indústria petroquímica.
• Para separar esses diversos elementos, o óleo crú passa por uma
série de processos de separação (colunas de destilação) para
chegar ao produto desejado.
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Exemplo 2 - I
• A cromatografia em papel é uma técnica de partição, utilizando
dois líquidos, ou misturas de líquidos, um atuando como fase
móvel (eluente) e outro, suportado sobre papel, atuando como
fase estacionária. Ocorre a retenção das substâncias devido às
diferentes afinidades para com as fases estacionária e móvel.
Utiliza-se papel normal ou papel de filtro (mais utilizado) como
suporte da fase estacionária.
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Exemplo 2 - II
• A mistura é aplicada no papel e mergulhada na mistura das
fases líquida e estacionária.
• A tira de papel de suporte é colocada em um cuba contendo
o eluente. Esta fase móvel (solvente) sobe por capilaridade
e arrasta a substância pela qual tem mais afinidade,
separando-a das substâncias com maior afinidade pela fase
estacionária.
• Como a maioria das substâncias separadas são incolores,
utiliza-se um revelador. As manchas podem ser reveladas
por meio de luz UV, vapores de iodo, soluções de cloreto
férrico e tiocianoferrato de potássio, fluorescências,
radioatividade, etc.
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Introdução - III
• As operações básicas de separação podem ser agrupadas segundo
o ESTADO da matéria ou matérias submetidas a tratamento.
• O conceito de FASE se refere a toda porção homogênea e
mecanicamente distinta - ou mecanicamente separável de
matéria.
• Por exemplo, água e areia representam duas fases ou matérias
distintas e cada uma representa, isoladamente, uma fase distinta.
Uma camada de azeite flutuando na água, ou emulsionada com
ela, constitui uma massa homogênea mecanicamente diferente da
água, e, portanto, uma fase distinta.
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Introdução - IV
• As fases presentes num dado momento podem ser uma ou várias
sólidas e uma ou várias líquidas.
• Uma mistura de sal, gelo, água e vapor, esta composta por duas
fases sólidas e duas fluidas, uma líquida e outra vapor.
• Os gases são fluidos e correntemente, somente e apresentam uma
fase fluida gasosa.
• Nesta aula são estudados os processos de separação visando a
separação de sólidos entre si, sólidos de líquidos, sólidos de
gases, líquidos de líquidos, líquidos de vapores e vice-versa,
utilizando tecnologias que vão da simples decantação aos
processos com transferência de matéria nas grandes colunas de
destilação.
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Separação de Sólidos - I
• Existem diversas formas de separação de sólidos (mistura
heterogênea) que dependem das suas propriedades físicas:
1. Catação
2. Ventilação
3. Levigação
4. Separação magnética
5. Peneiração
6. Flotação
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Catação
• Sólidos de aspectos diferentes são separados manualmente.
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Ventilação
• O sólido menos denso é separado por uma corrente de ar.
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Levigação
• O Sólido menos denso é separado por uma corrente de
água.
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Magnética
• Um dos sólidos é atraído por um ímã.
• Só é usada quando uma das substâncias possui propriedades
magnéticas Ex: ferro, níquel e cobalto (ferromagnéticas).
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Peneiração
• Usada quando os sólidos possuem tamanhos diferentes.
Também podemos usar peneiras com diferentes malhas.
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Separação de Sólidos - II
• Processos industriais: tamisado.
• O tamisado consiste na separação de uma mistura de
partículas de diferentes tamanhos em duas ou mais frações,
cada uma das quais formada por partículas de tamanho
mais uniforme que a mistura original.
• O tamisado pode ser dividido em:
1. em seco para materiais com pouca umidade natural ou
previamente secos;
2. em úmido com adição de água que arrasta através da
peneira as partículas mais finas.
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Tamisado em Seco
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Sólidos Usando Líquidos - I
• A direção do movimento de partículas sólidas em fluidos,
para acima ou para abaixo, depende da densidade relativa
do sólido com relação à do fluido.
• Tal fato constitui a base do procedimento de separação de
sólidos segundo suas respectivas densidades conhecido
como classificação ou separação hidráulica.
• Quando se dispõe de um fluido, cuja densidade seja
intermediária entre as dos sólidos a separar as partículas
podem ser classificadas simplesmente introduzindo-as
numa determinada massa desse fluido. Umas flutuarão e as
outras afundarão.
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Flotação - I
• Um líquido é usado para separar sólidos de diferentes
densidades. O menos denso flutua.
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Sólidos Usando Líquidos - II
• No caso de se ter partículas mais densas que o fluido é possível
ainda separá-las por diferença de velocidades de translação no
seio do fluido.
• Classificação: a separação de um material granular em duas ou
mais frações utilizando a maior ou menor velocidade de
translação das suas partículas no seio do fluido é denominada
classificação.
• A classificação pode ser dividida em:
• por tamanhos, quando utilizada para separar por tamanho (e
forma) materiais da mesma densidade;
• concentração, quando os tamanhos são equivalentes e a
separação é realizada por diferença de densidades.
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Dispositivos de Classificação ou Concentração
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Flotação - II
• Nas modernas técnicas de flutuação com espumas, as partículas
sólidas são mantidas permanentemente agitadas com água, sobre
a que se mantém uma camada de espuma espessa.
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Sólidos de Gases
• A separação de sólidos (ou líquidos) dos gases em que
estão suspensos pode ser dividida em duas classes gerais:
⇒ os que trabalham em seco, atuando sobre a suspensão
tal como ela se apresenta, e
⇒ os que trabalham em úmido usando um fluido
adicional para facilitar a separação.
• O mais comum é o filtro que permite a passagem do gás
retendo o sólido formando uma camada que pode ser
descarregada periodicamente.
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Decantação
• A mistura passa através de obstáculos, onde o sólido fica
retido. Usado nas indústrias.
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Separador Ciclone
• É formado por um cilindro vertical com uma entrada
tangencial próxima a parte superior por onde entra a
corrente fluidal
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Separação de Sólidos e Líquidos
• Sedimentação: é a operação de separar de uma suspensão, um
fluido claro que tende a ficar na superfície e um lodo denso
contendo elevada concentração de materiais sólidos.
• A sedimentação por ser descontínua ou contínua
• Sedimentação descontínua:
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Sedimentação Contínua
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Filtragem
• É o processo que permite a separação de uma mistura
líquido/sólido nos seus componentes utilizando um meio
filtrante que deixa passar o líquido e retém as partículas
sólidas.
• Filtros por gravidade:
⇒ o mais simples e antigo (ex: filtro de areia).
⇒ são usados no tratamento de grandes volumes que
contém somente pequena proporção de sólidos em
suspensão.
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Filtro de Areia
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Filtro Prensa
• constituído por placas e molduras, adaptando tecidos de
filtragem nos casos das placas o conjunto se mantém unido
formando uma unidade através de esforço mecânico.
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Centrifugação - I
• É usada para acelerar a decantação. As partículas são
arremessadas para o fundo do tubo.
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Centrifugação - II
• A centrifugação também pode ser utilizada para separar
líquido de líquido (por diferença de densidades).
• Centrífuga contínua:
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Dissolução Fracionada
• Apenas um dos sólidos da mistura se dissolve em um
líquido. Também pode ser chamado de solubilização.
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Extração Sólido - Líquido
• Extração é o termo aplicado a toda operação na qual um
dos constituintes de uma substância sólida ou líquida é
transferida a um líquido (o dissolvente).
• A expressão extração sólido/líquido, aplica-se somente nos
casos em que existe uma fase sólida.
• Exemplos: óleo das sementes de soja e açúcar da beterraba.
• Sempre é realizada em duas etapas:
1. contato do dissolvente com o sólido que libera o
componente solúvel (soluto);
2. lavado ou separação da solução do resto do sólido.
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Extração Líquido-Líquido
• Neste caso uma substância dissolvida num líquido é
transferida a outra fase também líquida.
• O dissolvente deve ser insolúvel ou muito pouco solúvel na
dissolução que se trata de extrair.
• É realizado em duas etapas:
1. contato do dissolvente com a mistura que libera o
componente solúvel (soluto);
2. separação da solução
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Líquido-Líquido Heterogênea
• Decantação: é feita separando-se líquidos imiscíveis por
meio de diferenças de densidade.
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Líquido-Líquido Homogênea
• Destilação Fracionada: consiste no aquecimento da mistura de
líquidos miscíveis, cujos pontos de ebulição são próximos.
• A mistura é aquecida num balão de destilação, onde os líquidos
destilam-se na ordem crescente de seus pontos de ebulição
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Coluna de Destilação - I
• A coluna de destilação é provavelmente o processo mais
importante e popular estudado na literatura da engenharia
química.
• A coluna de destilação é usada em muitos processos químicos
para a separação e ou purificação na indústria química.
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Coluna de Destilação - II
• A coluna de destilação é comumente empregada no refino
do petróleo.
• Na maioria dos casos é um processo continuo: novas
matérias-primas estão sempre sendo alimentadas na coluna
de destilação e produtos estão sempre sendo removidos.
• A menos que o processo seja perturbado devido a
mudanças nas matérias primas, calor, temperatura
ambiente, ou condensação, a quantidade de matéria prima a
ser adicionada e o volume de produto a ser retirado são
normalmente iguais.
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Coluna de Destilação - III
• A destilação industrial é tipicamente realizada em grandes
colunas cilíndricas verticais conhecidas como torres de
destilação ou fracionamento ou colunas de destilação.
• Elas possuem um diâmetro variando entre 65 cm a até 6 metros, e
altura de 6 a 60 metros ou mais.
• Tais torres possuem escoadouros de líquidos intervalados na
coluna, os quais permitem a retirada de diferentes frações ou
produtos que possuem diferentes ponto de ebulição.
• Os produtos mais leves (aqueles com pontos de ebulição mais
baixo) saem do topo da coluna e os produtos mais pesados
(aqueles como o ponto de ebulição mais alto) saem da parte
inferior da coluna.
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Coluna de Destilação - IV
• As bandejas na coluna de destilação são pratos metálicos
circulares instalados usualmente em intervalos de 60 a 75 cm.
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Separação Multifásica
• No processo de extração de petróleo de poços submarinos,
obtém-se uma mistura multifásica composta de gases, água e
óleo.
• O primeiro estágio no processamento primário da extração
offshore consiste na separação das fases da mistura extraída do
poço submarino.
• O dispositivo que realiza a separação da mistura em óleo e gás
(que são utilizados na produção de energia), e água (geralmente
descartada).
• O princípio básico de separação é a decantação devidos aos
diferentes pesos específicos da mistura.
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Separador Trifásico - I
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Separador Trifásico - II
• Na câmara de separação efetua-se a separação de óleo, gás e
água.
• A água por ser menos densa fica no fundo da câmera de
separação e o óleo concentra-se na parte superior da câmara.
• O óleo que vence a barreira do vertedouro é acumulado na
câmara de óleo.
• Para uma correta operação do separador existem 3 malhas de
controle:
(i) controle da pressão interna no separador;
(ii) controle de nível na câmara de separação; e
(iii) controle de nível na câmara de óleo.
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