OPERAÇÕES UNITÁRIAS IV: TRANSFERÊNCIA DE MASSA

Aprendemos que calor é transferido se existir uma diferença de temperaturas em um meio. De maneira semelhante, se houver uma diferença na concentração de alguma espécie química em uma mistura, transferência de massa tem que ocorrer. Transferência de massa é a massa em trânsito como resultado de uma diferença de concentrações de uma espécie em uma mistura. Desse modo, é importante compreender claramente o contexto no qual esse termo é usado nas operações unitárias.

Quando se colocam em contato duas fases de composições diferentes, pode ocorrer a transferência de componentes de uma fase para a outra, ou vice-versa. Esta é a base física das operações de transferência de massa. Se as duas fases ficam em contato durante um intervalo de tempo suficiente, acabam por atingir um estado de equilíbrio e daí por diante não existe mais a transferência líquida dos componentes entre elas.

Na maioria dos casos que têm interesse para as operações de transferência de massa, as duas fases são apenas parcialmente miscíveis, de modo que no equilíbrio ainda existem duas fases que podem ser separadas uma da outra. Usualmente, estas duas fases têm composições diferentes e estas composições são também diferentes das que tinham as fases no instante do contato inicial. Por isso, as quantidades relativas dos componentes que são transferidas entre as fases são diferentes, de modo que se consegue uma separação entre eles.

Em condições apropria­das, o contato e a separação repetida das fases pode levar a uma separação quase completa dos componentes. A base física para os processos de separação que utilizam equipamento multiestágio – é a diferença de composições das fases em equilíbrio.

As operações unitárias são pertinentes aos processos separativos que dependem apenas das diferenças das propriedades físicas e não do comportamento químico. Estes processos ou se fundamentam sobre uma diferença na composição das fases em equilíbrio ou sobre uma diferença na taxa de transferência de massa dos constituintes da mistura. Na explanação seguinte, discutiremos processos de separação que usam estas duas bases físicas.

Partindo desse pressuposto, a existência das operações unitárias que envolvem transferência de massa é grande. Abaixo, apresentaremos processos de separação que usam estas duas bases físicas.

Destilação

O processo de separação mais amplamente usado na indústria química é a destilação. Esta operação unitária é também denominada fracionamento ou destilação fracionada. A separação dos constituintes está baseada nas diferenças de volatilidade. Na destilação, uma fase vapor entra em contato com uma fase líquida, e há transferência de massa do líquido para o vapor e deste para aquele. O líquido e o vapor contêm, em geral, os mesmos componentes, mas em quantidades relativas diferentes.

O líquido está no seu ponto de bolha e o vapor em equilíbrio, no seu ponto de orvalho. Há transferência simultânea de massa do líquido pela vaporização, e do vapor pela condensação. O efeito final é o aumento da concentração do componente mais volátil no vapor e do componente menos volátil no líquido.

A destilação é amplamente usada para separar as misturas líquidas em componentes mais ou menos puros. As aplicações da destilação têm a mais ampla diversidade. O oxigênio puro, usado na fabricação do aço, nos foguetes e nas aplicações médicas, é produzido pela destilação do ar que foi previamente liquefeito. O petróleo cru é separado inicialmente em diversas frações (como os gases leves, a nafta, a gasolina, o querosene, os óleos combustíveis, os óleos lubrificantes e o asfalto) em grandes colunas de destilação. Estas frações são processadas posteriormente em produtos acabados e a destilação é frequentemente utilizada nas etapas intermediárias da obtenção destes produtos finais.

Figura 11: Configuração de uma coluna de destilação.
Fonte CALDAS, 2007.

Absorção e dessorção de gás

A absorção de gás envolve a transferência de um componente solúvel de uma f ase gasosa para um absorvente líquido relativamente não-volátil. A dessorção é o processo inverso, o da remoção de um componente de um líquido pelo contato com uma fase gasosa.

Nos casos mais simples de absorção de gás, o absorvente líquido não se vaporiza, e o gás contém apenas um constituinte solúvel. Por exemplo, a amônia é absorvida de uma mistura de ar e amônia pelo contato do gás com a água líquida na temperatura ambiente. A amônia é solúvel na água, mas o ar é quase insolúvel. A água, por sua vez, quase não se vaporiza na temperatura ambiente. Por isso, a única transferência de massa é da amônia da fase gasosa para o líquido. A medida que a amônia passa para o líquido, a sua concentração aumenta até que a amônia dissolvida fica em equilíbrio com a que está na fase gasosa. Atingido o equilíbrio, não há mais transferência efetiva de massa.

No equipamento de absorção, o absorvente líquido está abaixo do seu ponto de bolha e a fase gasosa está muito acima do seu ponto de orvalho. Uma outra diferença entre a destilação e a absorção de gás : as f ases líquida e gasosa não contêm todas os mesmos componentes. Os efeitos térmicos na absorção são devidos ao calor de solução do gás absorvido, em contraste com os calores de vaporização e de condensação que participam da destilação.

A absorção envolve a adição de um componente ao sistema (isto é, do absorvente líquido). Em muitos casos, o soluto deve ser removido do absorvente. Esta remoção pode ser feita numa coluna de destilação, ou num equipamento de dessorção, ou mediante outro processo separativo.

Figura 12: Exemplos de coluna de absorção gasosa. (a) Coluna de bolhas, (b) Filme descendente, (c) coluna de recheio.
Fonte: CALDAS, 2007.

A dessorção, ou extração, é a operação oposta da absorção. Neste caso, o gás solúvel é transferido do líquido para a fase gasosa em virtude de a concentração no líquido ser maior que a concentração de equilíbrio com o gás. Por exemplo, pode-se extrair a amônia de uma solução aquosa mediante o borbulhamento de ar através da solução. O ar na entrada não contém amônia, enquanto o líquido a contém; há então uma transferência do líquido para o gás.

A absorção e a extração são amplamente adotadas na indústria química. A absorção e a extração são realizadas em equipa­mento a vários estágios e, em medida menor, em equipa­mento a contato contínuo.

Extração liquido-liquido

Uma mistura líquida pode, às vezes, ser separada pelo contato com um segundo solvente líquido. Os componentes da mistura são solúveis, em diferentes graus, no sol­ vente. No caso ideal, o componente a ser extraído é solúvel no solvente, e os outros componentes são insolúveis. Então o soluto é o único componente transferido da mis­tura inicial para a fase do solvente. A mistura inicial torna-se o refinado à medida que dela se extrai o soluto. A fase solvente transforma-se no extrato é medida que acolhe o soluto.

Na prática, todos os componentes são, possivelmente, solúveis num certo grau uns nos outros, e a separação só é viável quando as solubilidades são suficientemente diferentes. Em qualquer caso, o componente não extraído (inerte) deve ser suficientemente insolúvel para se formarem duas f ases que possam ser extraídas.

Figura 13: Produção de essências por extração líquido-líquido.
Fonte: http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php?option=com_content&task=view&id=63&Itemid=148#3>.

A extração líquido-líquido também é denominada extração por solvente. A separação de um componente de uma solução homogênea se faz pela adição deu outro constituinte, insolúvel, o solvente, nó qual o componente desejado da solução, o soluto, é preferencialmente solúvel; neste solvente o soluto difunde-se com uma velocidade característica até que sejam atingidas as concentrações de equilíbrio em cada uma das fases. Por exemplo, o soluto ácido acético pode ser separado de uma solução aquosa pelo contato com o solvente éter isopropílico. Embora a água seja ligeiramente solúvel no éter, ela tem o papel do refinado, praticamente insolúvel.

A extração por solvente é usada para remover componentes indesejáveis dos óleos lubrificantes e de outras frações do petróleo cru, para separar o nióbio do tântalo, para produzir ácido fosfórico concentrado, e em muitas outras aplicações.

Extração sólido-liquido

Os componentes de uma fase sólida podem ser separados pela dissolução seletiva da parte solúvel do sólido por meio de um solvente apropriado. Esta operação também é denominada lixiviação ou lavagem. O sólido deve estar finamente cominuído, de modo que o solvente líquido entre em contato com todo ele. Usualmente o componente desejável é solúvel, e o restante do sólido é insolúvel. O soluto deve então ser recuperado da solução do extrato, numa outra etapa de separação.

Um exemplo cotidiano da extração sólido-líquido é o da feitura do café. Neste caso, os constituintes solúveis do café moído são separados dos finos insolúveis pela solubilização em água quente. Se o café for fervido du­rante um tempo muito longo, a solução atingirá o equilíbrio com os só lidos restantes. A solução é separada, no coador, dos finos residuais.

Fonte: http://www.nossofoco.eco.br/organicos/producao-de-cafe-organico/

A extração sólido-líquido também é usada industrialmente na fabricação do café solúvel, para recuperar o café solúvel da borra. Outras aplicações industriais incluem a extração do óleo de soja, usando-se hexano como solvente e a recuperação do urânio de minérios de baixo teor pela extração com soluções de ácido sulfúrico ou de carbonato de sódio. Em virtude de uma das fases ser sólida, que não flui como um fluido, é necessário usar tipos especiais de equipamento para a extração sólido- líquido.

Adsorção

A adsorção envolve a transferência de um constituinte de um fluido para a superfície de uma fase sólida. Para completar a separação, o constituinte adsorvido deve então ser removido do sólido. A fase fluida pode ser ou um gás ou um líquido. Se diversos constituintes são adsorvidos em graus diferentes, é possível, muitas vezes, separá-los em estados relativamente puros.

Muitos são os adsorventes sólidos que se usam. Falando de forma definida, o conceito de adsorvente aplica-se usualmente a um sólido que mantém o soluto na sua superfície pela ação de forças físicas. Como exemplo, temos a adsorção de vapores orgânicos pelo carvão. Separa-se industrialmente a fração mais leve do gás natural mediante um leito móvel de adsorvente. A maioria dos outros processos industriais usa leitos fixos e processos descontínuos ou cíclicos em lugar de equipamento com vários estágios, pois é difícil movimentar o sólido.

Figura 14: Colunas de adsorção na indústria.
Fonte: https://derivandoaquimica.wordpress.com/2012/05/04/28/

As peneiras moleculares constituem-se por adsorventes sintéticos especiais que podem ser usados para separar as misturas por diferenças das dimensões moleculares, ou da polaridade ou da saturação de ligações carbônicas. Por exemplo, as moléculas de água são relativamente pequenas e muito polares, de modo que são preferencialmente adsorvidas pelas peneiras moleculares adsorventes. Assim, estes adsorventes são úteis na secagem dos gases e dos líquidos. As peneiras moleculares estão sendo empregadas para separar as parafinas normais contidas nas correntes de hidrocarbonetos, nas refinarias de petróleo, para utilizá-las na manufatura de detergentes  biodegradáveis.

Outros processos unitários de separação

Algumas operações unitárias importantes envolvem a separação dos componentes de uma mistura, mas as operações não são, habitualmente, agrupadas com os processos usuais de separação.

A evaporação, a cristalização e a secagem envolvem a transferência simultânea de calor e de massa. Na evaporação, uma solução líquida é concentrada pela vaporização de uma parte do solvente.

A evaporação tem muitas aplicações industriais, sempre que se tenha que concentrar quaisquer soluções. O que se denomina correntemente de destilação da água do mar é, na realidade, um processo evaporativo para recuperar a água potável.

Quando uma solução é evaporada até que fica saturada pelo soluto, o prosseguimento da evaporação, ou o resfriamento, leva à precipitação dos cristais sólidos. Esta é a base física da cristalização, uma operação unitária que se usa para separar os solutos da solução. A cristalização é usada industrialmente na fabricação de muitos sais inorgânicos. Pode ser também usada para separar misturas de sais pela cristalização fracionada. A secagem, por sua vez, separa um líquido de um sólido pela vaporização do líquido.

Figura 15: Cristalizador-evaporador de circulação forçada, três andares (Swenson);
Fonte: http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php?option=com_content&task=view&id=42&Itemid=159

Todas as operações unitárias vistas ao longo dessa série de textos possuem suas particularidades e aplicabilidades na indústria. Elas englobam procedimentos de importância vital para a indústria de processamento físico-químico, estando presentes em praticamente todo o transcorrer de um processo. Por isso, tornam-se importantíssimas, além de serem indispensáveis ao conhecimento de um engenheiro químico, de modo que o mesmo aplique a operação mais conveniente para um determinado processo, tanto em termos práticos quanto em termos econômicos.

REFERÊNCIAS

– CALDAS, J. N; LACERDA, A. I.; VELOSO, E. Internos de Torres – Pratos & Recheios – 2ª Ed. 2007. Editora Interciência. Rio de Janeiro.

– Foust, Alan et al.; Princípios das Operações Unitárias. LTC: Rio de Janeiro, 2ª Edição, 1982.

Para ler os outros textos da Série Operações Unitárias, acesse os links abaixo: