Módulo 1

10 Semestre de 2000
Módulo 1 EQ-502/A
Módulo 1
Purificação do Tolueno contendo Ácido Benzóico.
Enquanto que na natureza proteínas, açúcares e outros compostos complexos são
formados com rendimento de quase 100% e sem resíduos nocivos ao meio ambiente, os
nossos complexos industriais utilizam uma grande quantidade de água, solventes e
matérias-primas, que normalmente geram uma grande quantidade de subprodutos a
serem descartados. O problema é cada vez mais crítico, visto que complexos industriais
vem aumentando consideravelmente e as nossas reservas naturais de água vem
diminuindo.
As conseqüências do tratamento indevido dos resíduos podem ser comprovadas
pelas condições das águas nos rios, principalmente nos países em desenvolvimento. O
nosso rio Tietê é um triste exemplo de rio morto, em alguns de seus trechos, devido ao
alto descontrole no descarte de resíduos industriais e humanos.
O engenheiro que possui um bom conhecimento na área ambiental tem um
excelente campo atuação, porque o homem já chegou perto do limite no qual ele pode
destruir a natureza. Assim sendo, atualmente necessita-se de profissionais com
capacidade de proporcionar produtos com um preço mais competitivo, qualidade cada
vez melhor e menor geração de resíduos.
Um exemplo de problema que envolve esta questão é o da extração do ácido
benzóico de uma corrente de tolueno. Deseja-se extrair o máximo possível de ácido do
tolueno para que o mesmo possa ser reutilizado no processo.
Um bom solvente (e o mais barato) é a água, sendo que uma de suas grandes
vantagens é a característica deste sistema físico que proporciona a formação de duas
fases: a fase orgânica, que é a mais leve e composta pelo tolueno, e a fase aquosa, que é
a mais pesada.
A característica deste sistema é que, se agitado vigorosamente, uma quantidade
do ácido vai para a água e a outra fica no solvente. A desvantagem é que a maior
quantidade de ácido fica dissolvida no tolueno e não na água. Isto significa que uma
quantidade muito grande de água seria necessária para extrair o ácido em um único
estágio.
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Por exemplo:
Para purificar 10 m3 de tolueno com 1 kg/m3 de ácido benzóico dissolvido no
tolueno utilizando-se 10 m3 de água pura, nós teríamos no final do processo uma fase
orgânica de 10 m3 de tolueno com 0,89 kg/m3 de ácido benzóico dissolvido. Isto ocorre
porque, em equilíbrio, o sistema tolueno – água - ácido benzóico forma duas fases com
uma concentração de ácido benzóico na fase orgânica 8 vezes maior que na fase aquosa.
Isto se deve ao equilíbrio entre as fases, que neste caso aproxima-se da Lei de
Henry. Sendo assim, pode-se representar o equilíbrio matematicamente por:
y  m.x
Sendo que:
x= concentração de ácido benzóico na Fase Orgânica (kg ácido benzóico/m3 tolueno);
y= concentração de ácido benzóico na Fase Aquosa (kg ácido benzóico/m3 água);
m= 1/8 = coeficiente de distribuição ou constante de Henry.
Imaginemos que deseja-se purificar 10 m3/h de tolueno com 1 kg/m3 de ácido
benzóico dissolvido no mesmo. Qual seria a quantidade de água necessária para
purificar o ácido para uma extração de 95%?
A resposta é que seriam necessários 1520 m3/h, inviabilizando o processo. Mas
será que isto não poderia ser feito utilizando uma menor quantidade de água (por
exemplo 90 m3/h), para extrair os mesmos 95% do ácido? Vejamos a resposta na
resolução do exercício neste módulo.
Resolução:
Vejamos inicialmente o quanto de ácido seria extraído em um estágio. Propõe-se
então o processo da Figura 1.1 para a purificação do tolueno.
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Tolueno +
Àcido Benzóico
Água
Tolueno +
Àcido Benzóico
Água +
Àcido Benzóico
Fase Orgânica
Fase Aquosa
Figura 1.1. Processo da extração do ácido benzóico presente no tolueno
Este esquema pode ser representado por:
R, c
R, x
Fase Orgânica
Fase Aquosa
S, y
S
Figura 1.2. Esquema representativo da Extração do ácido benzóico do tolueno
Sendo que:
R= vazão de tolueno (m3 de tolueno/h);
S= vazão de água (m3 de água/h);
c= concentração de ácido benzóico na corrente a ser purificada (kg ácido benzóico/ m3
de tolueno);
x= concentração de ácido benzóico na corrente já purificada (kg ácido benzóico/ m3 de
tolueno);
y= concentração de ácido benzóico na corrente de água residual (kg ácido benzóico/ m3
de tolueno);
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Observa-se que a corrente de entrada de água não possui uma concentração de
ácido benzóico correspondente. Tal fato deve-se a água estar inicialmente isenta desta
substância.
Para desenvolver os cálculos deve-se então traduzir este esquema em um
balanço de massa do componente ácido benzóico para o sistema:
Para as grandezas que se conservam, como massa, energia e momento existem
termos típicos constituintes do balanço; são eles os fluxos (ou vazões) de entrada e
saída, o acúmulo e a geração. O balanço consiste então de um agrupamento destes
termos:
ENTRADA  SAÍDA  GERAÇÃO  ACÚMULO
Sabendo então escrever corretamente estes termos para o sistema definido é
possível fazer a análise de qualquer processo químico. Esta análise será mais simples ou
complicada em função das hipóteses atribuídas a cada um destes termos.
No caso do balanço de massa do ácido benzóico em questão pode-se escrever:
 m3 tolueno
ENTRADA  R 

h

  kg ácido benzóico
.c
  m3 tolueno
 
 m3 tolueno
SAÍDA  R 

h

SAÍDA  R.x  S.y
  kg ácido benzóico
.x
 
m3 tolueno
 
 kg ácido benzóico 


h


GERAÇÃO=0
ACÚMULO=0
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
  R.c kg ácido benzóico 

h



  m3 água
  S
 
h
 
  kg ácido benzóico
.y
 
m3 água
 




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Observa-se que nos termos acima diversas hipóteses estão inseridas:
1. Os termos de entrada e saída dizem respeito a mesma vazão de tolueno R, ou seja, o
tolueno é considerado completamente imiscível com a água, sendo a justificativa do
R e S serem constantes se comparadas entrada e saída;
2. O termo de geração é igual a zero. Tal fato deve-se a inexistência de transformações
químicas dentro do sistema, as quais poderiam ser responsáveis por gerar ou
consumir ácido benzóico;
3. O acúmulo também é igual a zero. Esta condição reflete a situação operacional que
deseja-se estudar, ou seja, durante o regime permanente no qual o sistema trabalha
continuamente e para o qual ele foi criado;
4. A densidade das soluções permanecem constantes, ou seja, o ácido benzóico tem
uma pequena participação na densidade de cada fase, participação esta que pode ser
desprezada facilitando os cálculos;
5. O equilíbrio de fases pode ser descrito pela Lei de Henry, com o coeficiente de
distribuição valendo 1/8.
Agrupando os termos de entrada, saída, geração e acúmulo; obtém-se a seguinte
equação:
R.c  R.x  S.y
Utilizando a Lei de Henry:
y  m.x
Obtém-se:
R.c  R.x  S.m.x
Ou seja, para x:
x
R.c
S.m  R
E para y:
y
m.R.c
R  S.m
A quantidade extraída de ácido benzóico é a quantidade que sai na água em
relação a quantidade que entrou, portanto:
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E
S.y
S.m.R.c
S.m
1



R
R.c R.cR  S.m  R  S.m
1
S.m
Chamando:

R
1
E
S.m
 1
Para os dados do problema:
m=1/8
R= 10 m3/h
S= 90 m3/h

R
10

 0,8889  E  52,94%
S.m 90.(1 / 8)
Conforme já esperado, um estágio não é suficiente para se extrair mais do que
52,94% do ácido benzóico. Será que a utilização de mais do que um estágio
possibilitaria uma extração maior? Analisemos para dois estágios, conforme Figura 1.3:
R, c
R, x1
Estágio 2
Estágio 1
S,y1
R, x2
S,y2
S
Figura 1.3. Esquema do processo de extração de dois estágios.
Na Engenharia Química, o sufixo denota o número do estágio de onde a corrente
está saindo.
Novamente fazendo um balanço de massa para o ácido benzóico, de forma
análoga ao que foi feito para um único estágio, porém agora para os dois estágios em
questão; obtém-se:
ESTÁGIO 1:
Entrada de ácido benzóico:
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 kg ácido benzóico 


h


ENTRADA  R.c  S.y 2
Saída de ácido benzóico:
 kg ácido benzóico 


h


SAÍDA  R.x1  S.y1
ESTÁGIO 2:
Entrada ácido benzóico:
ENTRADA  R.x1
 kg ácido benzóico 


h


Saída de ácido benzóico:
ENTRADA  R.x 2  S.y 2
 kg ácido benzóico 


h


A relação entre a quantidade de ácido benzóico na fase aquosa, que sai do
sistema de extração em dois estágios e a quantidade de ácido benzóico que entrou no
sistema com o tolueno constitui-se em um parâmetro que representa a quantidade
extraída e o rendimento que o processo tem:
E
S.y1
R.c
Em termos dos dois estágios isto torna-se:
E
S.m.(R  S.m)
R 2  m.R.S  m 2 .S2

2  1
3  1
Fica como exercício a confirmação deste resultado
Para os dados do problema:
E= 70,51
A extração melhorou sensivelmente pela inclusão de mais um estágio no
processo, sem a necessidade de se utilizar-se mais água.
Não será demonstrado neste exercício, mas para N estágios:
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E
N 1
 N 1  1
Para 10 estágios a extração será de 95,29%.
Conclusão:
É possível se extrair 95% do ácido benzóico utilizando-se 10 estágios e uma
quantidade de água de 90 m3/h.
Se a corrente de água fosse de 150 m3/h, 96,1% de ácido benzóico seriam
extraídos em apenas 4 estágios. Uma análise detalhada do problema, associado ao custo
do processo, indicará qual é a melhor opção escolhida pelo engenheiro.
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