O que é um misturador-regulador?
Um misturador-colonizador é uma peça de equipamento de extração líquido-líquido que combina duas zonas contíguas: uma câmara de mistura onde duas fases líquidas imiscíveis (por exemplo, uma alimentação aquosa e um extrator orgânico) são vigorosamente contactadas para permitir a transferência de soluto, e uma câmara de clarificação (ou decantação) onde, sob a influência da gravidade, a emulsão mista se separa nas suas fases constituintes.
Este dispositivo é amplamente utilizado em operações de extração de solventes hidrometalúrgicos para a separação e purificação de metais; permite um funcionamento contínuo ou em várias fases para uma separação profunda, acoplando diretamente as fases de mistura e de decantação.
Continue a ler para saber como funcionam os misturadores-reguladores, quando devem ser utilizados e como escolher/conceber um para o seu processo industrial.
Índice
PRINCÍPIOS BÁSICOS DE FUNCIONAMENTO DO MISTURADOR-LIQUIDIFICADOR
Numa instalação típica de um misturador- decantador, as duas subunidades principais (misturador e decantador) são concebidas para realizar sequencialmente: (1) contacto íntimo e transferência de massa entre duas fases imiscíveis e (2) separação de fases por gravidade da emulsão produzida no misturador.
Fase de mistura (transferência de massa)
A alimentação (por exemplo, uma solução aquosa contendo iões metálicos) e o solvente/extractante (frequentemente orgânico) são introduzidos na câmara de mistura numa proporção definida. Um agitador (como uma turbina ou um impulsor) proporciona um forte cisalhamento, dispersando uma fase na outra, criando assim gotículas finas e uma grande área inter-facial. O aumento da área de contacto, combinado com um tempo de residência suficiente, permite que o soluto alvo seja transferido de uma fase para a outra.
As principais variáveis que afectam a eficiência da mistura incluem:
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velocidade de agitação (cisalhamento e formação de gotículas)
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tempo de residência na zona de mistura (tempo de transferência de massa)
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rácio de fases (orgânico/aquoso)
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tamanho/distribuição das gotículas (afecta a transferência e a separação subsequente)
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continuidade das fases (que fase é contínua ou dispersa)
Fase de sedimentação (separação)
Uma vez terminada a mistura, a emulsão transborda ou é bombeada da câmara de mistura para uma câmara de decantação silenciosa. A diferença de densidade entre as fases provoca a sua separação por gravidade: a fase mais pesada deposita-se no fundo e a fase mais leve sobe para o topo. Podem ser fornecidos auxiliares de coalescência (tais como placas, deflectores) para melhorar a fusão das gotículas, reduzir o arrastamento e encurtar o tempo de separação.
As duas fases separadas são então removidas (fase leve através de um açude ou transbordo; fase pesada através da saída inferior ou açude) e podem ser enviadas para processamento a jusante ou para a fase seguinte de extração. A altura da interface entre as fases pode muitas vezes ser ajustada por meio de açudes ou barreiras ajustáveis para controlar os pontos de saída das fases.
Funcionamento em várias fases ou “bateria
Em muitas aplicações industriais, as unidades misturadoras-separadoras estão dispostas em série (por vezes oito ou mais fases) numa configuração em contracorrente: a alimentação entra numa extremidade, o solvente/extractante na extremidade oposta e as fases fluem em direcções opostas através de cada fase. Esta configuração aumenta a eficiência da separação e aproxima o sistema do equilíbrio.
No entanto, à medida que o número de estágios aumenta, aumentam também os custos de capital (área do decantador, tamanho do misturador, inventário de solventes) e a área ocupada pelo equipamento, pelo que, normalmente, apenas um número limitado de estágios (3-4) é utilizado com misturadores-decantadores.
Assim, o misturador-colisor oferece uma solução de contacto/separação robusta e flexível para a extração líquido-líquido quando é necessário um número moderado de fases e um grande fluxo volumétrico, especialmente em instalações de purificação hidrometalúrgica e química.
Misturador-colisor de laboratório, extração líquido-líquido
No trabalho à escala piloto ou laboratorial, é frequentemente utilizada uma versão mais pequena do misturador-liquidificador para validar as condições do processo, estudar a cinética da transferência de massa, o comportamento das fases e as caraterísticas de sedimentação antes da conceção à escala real. Estas unidades laboratoriais reproduzem tipicamente a estrutura de duas zonas dos misturadores-settlers industriais, mas com volumes reduzidos (litros em vez de metros cúbicos) e materiais transparentes para observação.
Estes misturadores-liquidificadores de laboratório permitem efetuar experiências sobre parâmetros como: a distribuição do tamanho das gotas a uma dada velocidade de agitação, o arrastamento das fases na decantação, a inversão da continuidade das fases (qual a fase que se torna contínua a uma dada razão de fluxo), bem como a aproximação ao equilíbrio (percentagem de extração em relação à teórica) em condições controladas.
Em muitos casos, o misturador-liquidificador de laboratório é utilizado em série (uma bateria) de alguns estágios (2-4) para imitar o comportamento em contracorrente em pequena escala, permitindo que os engenheiros optimizem as proporções de solvente/alimentação, a intensidade da mistura, o tempo de residência, a área do decantador e aumentem a escala com mais confiança.
Dado o papel de um misturador-liquidificador de laboratório no desenvolvimento de processos, é aconselhável selecionar um que tenha a capacidade de ajustar a velocidade de mistura, de variar os caudais, de monitorizar as alturas das interfaces e que seja feito de materiais de construção quimicamente compatíveis (especialmente quando estão envolvidos solventes agressivos ou acidez elevada). As lições aprendidas à escala laboratorial (tamanho das gotículas versus velocidade de mistura, tempo de sedimentação versus razão de fases) constituem a base para a conceção de equipamento misturador-sedimentador à escala real.
Breve introdução ao misturador-regulador
Na extração hidrometalúrgica por solventes, o misturador-colador é o dispositivo de contacto preferido, uma vez que integra a mistura e a clarificação num único conjunto de unidades, oferecendo flexibilidade operacional. Consiste numa câmara de mistura que recebe continuamente a alimentação e o solvente, agita-os para formar uma emulsão, seguida de uma câmara de clarificação que utiliza a gravidade para a separação de fases. Na prática, são ligados em série vários estágios de misturadores-peneirais para aprofundar a separação dos componentes-alvo. Em determinadas condições de processo, a eficiência da transferência de massa da câmara de mistura é influenciada por factores como a intensidade da pá de agitação e o tempo de contacto das duas fases; entretanto, o desempenho da clarificação é regido pelas propriedades físicas das fases, incluindo a viscosidade, a densidade, a tensão superficial, o diâmetro das gotículas e a área de clarificação.
Processo de trabalho do misturador-regulador
Para compreender o processo de trabalho de um misturador-settler, considere os seguintes dois subprocessos principais: (1) transferência de massa mista, e (2) separação de duas fases.
Processo misto de transferência de massa
Na prática habitual, o solvente de extração (fase leve) e o líquido de alimentação do material (fase pesada) são introduzidos no fundo da câmara do misturador numa proporção pré-determinada. Um agitador ou uma turbina (por vezes, uma turbina de mistura por bomba) puxa os líquidos e dispersa-os, conseguindo uma mistura íntima e a formação de gotículas. Este passo de cisalhamento e dispersão assegura uma grande interface de contacto entre as fases e permite que o soluto de interesse seja transferido de uma fase para a outra. Após um tempo de residência suficiente, a emulsão mista (agora contendo solvente enriquecido com soluto e alimentação empobrecida com soluto) é bombeada ou flui por transbordo para a câmara de decantação.
Processo de separação em duas fases
Uma vez no decantador, a mistura pára e a emulsão entra num ambiente quiescente onde a gravidade actua. A fase com maior densidade (normalmente aquosa) assenta para baixo, enquanto a fase mais leve (orgânica) sobe. As placas coalescentes ou os componentes internos podem melhorar a fusão das gotículas e reduzir o arrastamento. A interface entre as fases é controlada por meio de açudes ou barreiras ajustáveis. As fases pesada e leve separadas saem então da unidade: a fase pesada pode ir para o processamento posterior ou para a fase seguinte, e a fase leve pode ir para a decapagem ou para a extração seguinte. Se for utilizada uma bateria de várias fases, cada fase pode alimentar as fases adjacentes em contracorrente.
A conceção profissional do misturador-liquidificador assegura que o misturador produz gotículas suficientemente pequenas para uma transferência de massa eficiente, mas suficientemente grandes para se depositarem eficazmente, e que a área do decantador e o tempo de residência são suficientes para o rendimento necessário sem arrastamento ou inundação.
Amplo campo de aplicação
Os misturadores-espremedores são amplamente utilizados em indústrias onde é necessária a extração líquido-líquido. Os principais campos de aplicação incluem:
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Hidrometalurgia e recuperação de metais: Por exemplo, a extração e a purificação de cobre, cobalto, níquel, urânio e elementos de terras raras a partir de soluções de lixiviação e de alimentos aquosos.
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Fabrico de produtos químicos e separação orgânica: Separação de substâncias orgânicas, ácidos, aminas, fenóis e outros compostos através de processos de extração.
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Reciclagem de baterias e novos materiais energéticos: Na reciclagem de baterias de iões de lítio, em que metais como o lítio, o níquel, o cobalto, o manganês e o cobre têm de ser extraídos e purificados, os misturadores-espremedores são frequentemente utilizados para as etapas de extração por solventes.
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Proteção do ambiente/tratamento de resíduos: Tratamento de fluxos de resíduos industriais através da extração de metais pesados, solventes ou poluentes para uma fase solvente e subsequente separação.
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Indústria farmacêutica e alimentar: Na extração à escala laboratorial de produtos químicos finos, ingredientes farmacêuticos activos, aromas ou produtos naturais, os misturadores-redutores de pequena escala facilitam o desenvolvimento do processo.
Devido a esta versatilidade, o misturador-liquidificador continua a ser uma tecnologia “robusta” para a extração contínua líquido-líquido, particularmente quando é necessário um número moderado de fases, grandes fluxos e uma separação robusta.
Recomendações para a decisão de aquisição
Ao selecionar ou especificar um sistema misturador-liquidificador para uma aplicação industrial (como as relevantes para a extração de metais, separação química ou tratamento ambiental), devem ser considerados vários factores-chave:
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Número de fases necessárias
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Material de construção
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Conceção do misturador e capacidade de agitação
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Área de colonização / tempo de residência / internos
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Relações de fase e caudais
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Escalabilidade e dados-piloto
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Manutenção, acessibilidade e pegada ecológica
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Integração com o seu processo
Ao concentrar-se nestas áreas, pode especificar um sistema misturador-liquidificador que proporciona um elevado desempenho, fiabilidade operacional e valor a longo prazo em aplicações exigentes como a recuperação de metais, a reciclagem de baterias, a purificação química e o tratamento de águas residuais.
Resumo
O misturador-colonizador é um equipamento de processo maduro mas altamente eficaz para a extração líquido-líquido: a sua conceção de duas zonas (mistura + decantação) permite um contacto e uma separação eficientes e, quando configurado em várias fases, pode proporcionar um desempenho de separação profundo. Com uma atenção cuidada ao design do misturador, ao dimensionamento do decantador, aos materiais de construção e aos dados de processo do trabalho de laboratório/piloto, continua a ser uma escolha forte para indústrias que vão desde a hidrometalurgia e a reciclagem de baterias até ao processamento químico e ambiental.
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