Aula 7 Extracao Liquido Liquido Simplificada

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Aula 7 – Equilíbrio Líquido-Líquido e Extração por Solvente
Operações Unitárias: 
Separação Composicional
Prof. Rodrigo Azevedo dos Reis
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EQUILÍBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Sistemas Ternários
Para um único estágio, defini-se: 
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Solvente, S
Componente B
Rafinado, R
Componentes A, B, C
Alimentação, A
Componentes A, C
Extrato, E
Componentes A, B, C
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NOTAÇÃO
CONCENTRAÇÕES EM TERMOS DE FRAÇÕES OU RAZÕES: 
x	(fração molar ou mássica de um componente no rafinado ou na carga), 
X	(razão molar ou mássica de um componente no rafinado ou na carga), 
y	(fração molar ou mássica de um componente no extrato ou no solvente), 
Y	(razão molar ou mássica de um componente no extrato ou no solvente).
 
Subscritos: relativos aos componentes (A,B,C) 
Sobre-escritos: relativos às correntes que representam: (S) - solvente; (E) - extrato; (F) -carga; (R) - rafinado)
EQUILÍBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO
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EQUILÍBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Sistemas Ternários
Para um único estágio, defini-se: 
 	Taxa molar do Carreador C alimentada livre do soluto A;
 	Taxa molar de Solvente S alimentada livre de soluto A;
 	Razão molar de soluto A na fase  em base seca de soluto A;
	
	Fator de Extração
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EQUILÍBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Sistemas Ternários
Balanço de Massa para o Soluto (Caso a):
Relação de Equilíbrio para o Soluto:
Para um único estágio:
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Extrato, E
Componentes A, B
Extrato, E
Componentes A, B, C
Rafinado, R
Componentes A, B, C
Rafinado, R
Componentes A, C
Alimentação, A
Componentes A, C
Alimentação, A
Componentes A, C
Solvente, S
Componente B
Solvente, S
Componente B
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EQUILÍBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Sistemas Ternários
Para um único estágio (Caso A) – Substituindo a definição do Fator de Extração e a relação de equilíbrio no balanço material, tem-se:
Uma corrente de alimentação de 13500 kg/h consiste de 8% w/w de ácido acético (A) em água (C). Como na destilação da solução aquosa de ácido acético, haveria muita vaporização de água, a remoção de ácido acético é promovida pela extração a 25oC com metil isobutil cetona (B). No rafinado, deve sair somente 1%w/w de ácido acético. Estimar a vazão mássica de solvente requerida para atingir a separação requerida em um único estágio. 
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EQUILÍBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Nos casos mais comuns, o Carreador (C) alimentado é parcialmente solúvel no solvente (B) do extrato. Nesses casos, as correntes de saída forma sistemas ternários, cujas composições em equilíbrio são representadas por diagramas ternários.
Diagramas Ternários Tipo Triângulo Equilátero
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EQUILÍBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Diagramas Ternários
Exemplo – Sistema (A) – etileno glicol; (B) – furfural; (C) – água 
25oC e 101 kPa (acima da pressão de ponto de bolha)
Tipo Triângulo Eqüilátero
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EQUILÍBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Diagramas Ternários
Exemplo – Sistema (A) – etileno glicol; (B) – furfural; (C) – água 
25oC e 101 kPa
Tipo Triângulo Eqüilátero
Formando uma mistura de composição global M, o sistema se distribuirá em duas fases líquidas, uma de composição E (41,8% de glicol; 10% de água; 48,2% de furfural) e outra de composição R (11,5% de glicol; 81,5% de água; 7% de furfural) 
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Tipo Triângulo Eqüilátero
EQUILÍBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Diagramas Ternários
Regra das Fases: No interior da curva de saturação, tem-se três componentes e duas fases, então F = 3. O estado do sistema estará completamente especificado se fixarmos T, P e xi() uma das fases.
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EQUILÍBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Diagramas de Distribuição:
 Sistema (A) – etileno glicol; (B) – furfural; (C) – água 
25oC e 101 kPa
Interpolar linhas de amarração
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EQUILÍBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Diagramas de Janecke:
 Sistema (A) – etileno glicol; (B) – furfural; (C) – água 
25oC e 101 kPa
Os pontos do diagrama representam ambas as fases extrato e rafinado. 
As composições de equilíbrio são ligadas por linhas de amarração
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EQUILÍBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Exemplo: Calcule a composição de equilíbrio das fases extrato e rafinado produzidas quando uma solução aquosa de 45%w/w de glicol (A) é contactado com uma mesma vazão mássica de solvente (B) puro a 25oC e 101 kPa. Resolva utilizando cada um dos diagramas apresentados. Qual a composição de glicol em base seca de solvente na corrente extrato?
2) Defina M = F + S = E+ R;
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B
A
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EQUILÍBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Exemplo: Calcule a composição de equilíbrio das fases extrato e rafinado produzidas quando uma solução aquosa de 45%w/w de glicol (B) é contactado com uma mesma vazão mássica de solvente (C) puro a 25oC e 101 kPa. Resolva utilizando cada um dos diagramas apresentados. Qual a composição de glicol em base seca de solvente na corrente extrato?
5) Regra da alavanca inversa para os pontos E, M e R:
 E = M (RM/ER) = 200 (49/67) = 146g
 R = M (ME/ER) = M - E = 54g
6) A composição de extrato livre de solvente é obtida na intercessão da reta SE com o eixo livre de C.
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EQUILÍBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Exemplo: Calcule a composição de equilíbrio das fases extrato e rafinado produzidas quando uma solução aquosa de 45%w/w de glicol (A) é contactado com uma mesma vazão mássica de solvente (B) puro a 25oC e 101 kPa. Resolva utilizando cada um dos diagramas apresentados. Qual a composição de glicol em base seca de solvente na corrente extrato?
b)
1) Localize os pontos F e S;
2) Defina M = F + S;
3) Regra da alavanca inversa:
	MF/MS=1;
	localize o ponto M;	
4) Localize os pontos R e E pela linha de amarração que passa por M;
5) Localize o ponto H extrapolando a reta SE até o eixo das ordenadas.
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EQUILÍBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Exemplo: Calcule a composição de equilíbrio das fases extrato e rafinado produzidas quando uma solução aquosa de 45%w/w de glicol (B) é contactado com uma mesma vazão mássica de solvente (C) puro a 25oC e 101 kPa. Resolva utilizando cada um dos diagramas apresentados. Qual a composição de glicol em base seca de solvente na corrente extrato?
c e d) Para esses diagramas a solução gráfica não é possível, pois seria necessário resolver simultaneamente a equação do balanço material para o soluto e as relações de equilíbrio.
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EQUILÍBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Exemplo: Calcule a composição de equilíbrio das fases extrato e rafinado produzidas quando uma solução aquosa de 45%w/w de glicol (A) é contactado com uma mesma vazão mássica de solvente (B) puro a 25oC e 101 kPa. Resolva utilizando cada um dos diagramas apresentados. Qual a composição de glicol em base seca de solvente na corrente extrato?
e)
3) Localize os pontos R(0,09;0,09) e E (1,91;0,81) pela linha de amarração que passa por M;
4) No ponto E, lê-se no eixo da abscissas a composição de glicol em base seca de solvente.
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EQUILÍBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Quatro Diferentes Casos de Sistemas Ternários onde Dois Pares de Componentes são Parcialmente Miscíveis.
(b) Duas fases se fundem;
Reduzi a T
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EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO OU EXTRAÇÃO POR SOLVENTE MULTIESTÁGIOS
Definição: Operação na qual um solvente líquido é posto em contato forçado com uma mistura líquida e, através deste contato, um soluto se transfere da mistura para o solvente.
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EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Introdução
Seqüência Básica da Operação 
A separação se baseia na diferença de solubilidade do soluto em líquidos imiscíveis ou parcialmente miscíveis.
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EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Introdução
Ex: Processo típico de extração líquido-líquido 
Produção de Ácido Acético Glacial (99,8%)
Outros exs.: 
Recuperação de penicilina do meio fermentativo; 
 Recuperação de BTEX;
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EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Introdução
O fato de existirem perdas de solvente no processo representa problemas de impacto ambiental e a necessidade de make up de solvente torna o processo mais oneroso e menos desejável que a DESTILAÇÃO. 
Em geral, a extração será preferida à destilação para as seguintes aplicações:
substâncias inorgânicas dissolvidasou complexadas em soluções orgânicas ou aquosas; 
Remoção de compostos presentes em traços; 
Remoção de solventes de alta temperatura de ebulição presentes em pequenas quantidades em efluentes líquidos; destilação com elevados gastos de calor; 
Recuperação de materiais termo-sensíveis (se decompõe com calor); 
Separação de líquidos com pontos de ebulição próximos, mas que apresentam solubilidades diferentes em outros líquidos; 
Misturas que formam azeótropo. 
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ter uma alta solubilidade pelo soluto; 
apresentar baixa ou nenhuma solubilidade, nas condições de operação, nos outros componentes para reduzir a perda de solvente e facilitar sua recuperação; 
tensão interfacial: as fases formadas se apresentam de duas formas: uma dispersa em forma de gotas e outra contínua. fase dispersa deve apresentar elevada tensão interfacial para provocar rápido coalescimento das gotas formadas. presença de surfactantes, naturais ou não, reduzem esta tensão interfacial, provocando estabilização da dispersão.
ser estável para maximizar sua vida útil e reduzir a necessidade make up; 
ser não corrosivo para permitir o uso de internos metálicos; 
apresentar densidade mais diferente possível dos outros componentes da fase rafinado (carreadores ou co-solvente) para facilitar a separação de fase; 
ser pouco viscoso, não tóxico e não inflamável para menor custo de bombeamento e maior segurança durante a operação; e 
estar disponível no mercado por um preço que viabilize o projeto. 
SELEÇÃO DO SOLVENTE
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SELEÇÃO DO SOLVENTE
CRITÉRIOS RELACIONADOS À PERFORMANCE DO SOLVENTE: CAPACIDADE DE O SOLVENTE EXTRAIR O SOLUTO DA CARGA, TRÊS FATORES IMPORTANTES:
 Coeficiente de distribuição do soluto nas duas fases: 
Relação da composição do soluto na fase extrato para aquela da fase rafinado. Mede a tendência de o soluto se distribuir nas fases. 
 Quanto maior que 1 for KeqA melhor será a recuperação do soluto pelo solvente.
	
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SELEÇÃO DO SOLVENTE
 SELETIVIDADE: 
Capacidade de o solvente extrair o soluto sem extrair o co-solvente. Expressa pela relação entre coeficientes de distribuição do soluto e co-solvente. 
 Quanto maior que um for a seletividade maior será a eficácia do solvente para a extração do soluto. 
 Capacidade: quantidade de solvente necessária para se tratar a carga. 
 Quanto menor for esta quantidade melhor será em termos de processo e de custo. 
	
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EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Equipamento
A transferência de massa na extração líquido-líquido (ELL) é lenta quando comparada aos outros processos, tais como destilação e absorção. Isso se deve as maiores densidades e viscosidades envolvidas nas fases. Por esse motivo, usualmente se utiliza o auxílio de agitadores mecânicos para facilitar a contactação das fases.
Fase dispersa ou descontínua – fase formadora das gotículas durante a 				agitação
Fase contínua – fase externa que envolve as gotículas durante a 			agitação
Fases Formadas na Operação
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EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Equipamentos
Misturador – Decantador
Torres verticais;
Torres agitadas;
Extratores centrífugos.
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EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Equipamento
Misturador - Decantador
Tanque agitado mecanicamente seguido de outro tanque para a sedimentação de onde são separadas as correntes formadas pelas fases imiscíveis.
Tempo de contato necessário para se atingir de 80 a 90% da composição de equilíbrio
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EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Equipamento
Colunas não Agitadas
Colunas de Spray
Colunas de Recheio
Torres de recheio só serão aplicadas para a ELL quando a viscosidade das fases presentes for muito baixa e a diferença de densidade for muito alta. 
A exceção dos Aneis de Rasching, os recheios para ELL são os mesmos da absorção.
São preferidos materiais perfeitamente molhados pela fase contínua. 
Colunas de Pratos
Pratos perfurados em uma coluna reduzem a mistura axial e alcançam melhor qualidade de contactação que as torres de spray. O sistema é análogo da destilação, com a fase leve passando pelas perfurações e a mais densa descendo, entre um estágio e outro por canais laterais. 
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EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Equipamento
Torres Verticais X	 Torres Agitadas 
Energia Gravitacional			Energia Mecânica
Agentes de contactação		Agitadores montados em um eixo rotatório
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EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Equipamento
Colunas Agitadas Mecanicamente
Se a tensão superficial for alta e/ou a diferença de densidade for baixa entre as duas fases líquidas e/ou as viscosidades dos líquidos forem altas, então a contactação deve ser auxiliada por agitadores mecânicos.
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EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Equipamento
Extratores Centrífugos
A força centrífuga é empregada para acelerar a dispersão e a separação das fases. O aumento do campo de forças sobre as fases minimiza o problema das mesmas apresentarem densidade próximas durante a sedimentação.
Vários estágios em espaço reduzido com pequeno tempo de contato
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EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Considerações Gerais de Projeto
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EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Considerações Gerais de Projeto
Seletividade Relativa: 
 Se KC for pequeno, significa que o líquido carreador é pouco solúvel no solvente;
 Se KA for grande, significa que o soluto é muito mais solúvel no solvente (B) do que no líquido carreador (C);
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EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Considerações Gerais de Projeto
 Efeito de Pressão negligenciável (normalmente operam a P ambiente);
 Se a alimentação e o solvente entram no extrator na mesma T (normalmente a ambiente), o único efeito térmico é o calor de mistura que é usualmente pequeno;
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Aumentando T 
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EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Método Gráfico Utilizando Diagramas Triangulares Equiláteros
Método Hunter-Nash
Considere um contactador contínuo de N estágios operando isotermicamente em regime permanente e em contra-corrente para a extração líquido-líquido de um sistema ternário acima de vapor dos componentes.
Os estágios são numerados a partir da alimentação: saída de extrato em E1 e de rafinado em RN.
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Estágio de Equilíbrio Adiabático
Restrições:
Balanço material:	 					 C
Balanço energético:				 	 	 1
Igualdade das temperaturas (TLOUT = TVOUT): 	 1
Igualdade das pressões (PLOUT = PVOUT): 	 	 1
Equilíbrio termodinâmico: 			 	 C__
						NE	= 2C + 3
Graus de Liberdade e Variáveis de Projeto
Variáveis: 	
Composições:			4(C-1)
Fluxos VIN, VOUT, LIN e LOut: 	4
Temperaturas e pressões:		8_____
			Nv 	=	4(C + 2) 
ND = 4C+8 – (2C+3)= 2C+5
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Extração Líquido/Líquido Adiabática
Grau de Liberdade e Variáveis de Projeto
Variáveis: 	
Número “n” de estágios:		1
Fluxos VIN, VOUT, LIN e Lout: n(4C+8) 		 _______ 
 Nv 	 = n(4C + 8)+1 
Restrições:
Balanço material por estágio	 x n estágios – nC
Balanço energético por estágio x n estágios – n
(TLout = TVOUT) por estágio 	 x n estágios – n
(PLout = PVOUT) por estágio x n estágios – n
Eq. termodinâmicos por estágio x n estágios – nC
A cada dois estágios, 2 correntes são compartilhadas pelas interconexões, portanto para n estágios empilhados podem ser escritas 2(n-1) (C+2) igualdades
NE	= n(2C + 3)+2(n-1)(C+2) 
ND = n+2C+5
(4nC + 8n + 0C + 1)
-
(4nC + 7n - 2C – 4)
N + 2C + 5
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EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Método Gráfico Utilizando Diagramas Triangulares Equiláteros
Vamos novamente considerar o Sistema 
(A) – etileno glicol; (B) – furfural; (C) – água a 25oC e 101 kPa
Tipo de Problemas
Especifica-se F, xiF, xiS e:
S e xiRN;
S e yiE1;
xiRN e yiE1;
N e xiRN;
N e yiE1;
S e N.
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EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO
1) Localize a corrente de alimentação e solvente;
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EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Para problemas do tipo (a):
 Como RN é uma corrente que sai em equilíbrio, suacomposição se localiza na curva binodal, então com, por exemplo, xARN especificado em 0,025, pode-se localizar o ponto RN.
 Para problemas do tipo (b):
Como E1 é especificada e tem-se xAE1, o procedimento é o mesmo para localizar o ponto E1.
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Liquid-Liquid Extraction: Operating Lines
Linhas e Pontos de Operação
Balanço de Massa Global:
Definimos o ponto P como a diferença de correntes que se cruzam:
Balanço de Massa para os primeiros n estágios:
Reparem que podemos rearranjar esta equação, encontrando uma igualdade para quaisquer diferença de correntes que se cruzam:
EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO
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O ponto de Operação
Os N balanços de Massa em torno dos N estágios individuais resultam em:
EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Balanço de Massa para o estágio n:
Reparem que podemos rearranjar esta equação, reconhecendo Rn como um ponto de mistura entre P e En+1:
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EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Para construir as retas de operação que relacionam correntes que se cruzam, precisamos encontrar o ponto diferença (P), que é o encontro das retas que passam pelos pontos (E1,F) e (S,RN).
P é também chamado de ponto de operação
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O ponto de Operação
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EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO
P
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O ponto de Operação
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EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Método Gráfico Utilizando Diagramas Triangulares Eqüiláteros
Razão de Taxas (S/F) máxima e mínima
Infinitos estágios para se obter a separação necessária  ponto de Pinch
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EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Método Gráfico Utilizando Diagramas Triangulares Eqüiláteros
Razão de Taxas (S/F) máxima e mínima
1) O ponto M deve estar na intercessão da reta SF com a reta E1RN.
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EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Método Gráfico Utilizando Diagramas Triangulares Eqüiláteros
Razão de Taxas (S/F) máxima e mínima
A partir de Smin, podemos aumentar a quantidade de solvente de modo que o ponto M desça pela reta SF até encontrar a curva de equilíbrio pelo lado do extrato. A partir deste ponto, toda a alimentação seria dissolvida no extrato em um único estágio, e nenhum refinado seria formado não havendo separação. Neste instante, encontramos o Smáx/F.
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EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Método Gráfico Utilizando Diagramas Triangulares Eqüiláteros
Linhas de Amarração com Inclinação Invertida
Neste caso, o ponto P estará a esquerda do diagrama e o ponto Pmin é aquele mais próximo possível do ponto S. O ponto de operação P deve ser escolhido a esquerda de Pmin. 
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EQUILÍBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Transformação do Diagrama Triângulo Eqüilátero em Diagrama Triângulo Retângulo para Sistemas Ternários
A vantagem dos diagramas triângulo retângulo recai no fato de fornecerem maior precisão na sua construção.
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EQUILÍBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Método Gráfico Utilizando Diagramas Triângulo Retângulo
Vamos novamente considerar o Sistema 
(A) – etileno glicol; (B) – furfural; (C) – água a 25oC e 101 kPa
Reconheçam os eixos, as linhas de amarração e o ponto F de alimentação. 
Digam o que significam os pontos A’ e A”. Como obter o ponto M?
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EQUILÍBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Método Gráfico Utilizando Diagramas Triângulo Retângulo
Vamos novamente considerar o Sistema 
(A) – etileno glicol; (S) – furfural; (C) – água a 25oC e 101 kPa
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Quase paralelas:
Quando o ponto P se localiza no infinito, indica que são requeridos apenas 1 ou 2 estágios.
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EQUILÍBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO
Método Gráfico Utilizando Curvas de Distribuição
Quando o número de Estágios aumenta muito, os diagramas triangulares ficam muito confuso, tornando atrativo uma conjunção com o Método McCabe-Thiele.
Construção:
1) Na ordenada, coloque a composição do soluto no extrato, enquanto, na abscissa, coloque a composição do soluto no rafinado.
2) Cada linha de amarração da binodal do diagrama ternário, torna-se um ponto da curva de distribuição.
3) Cada linha de operação do diagrama ternário, torna-se um ponto da curva de operação. Com alguns pontos (5 ou 6) e conhecendo os extremos, pode-se interpolar a curva de operação completa.
4) Comece do ponto da alimentação (F)
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