Os ensaios iniciais foram realizados tendo como objetivos o conhecimento do comportamento do sistema de membranas líquidas surfatantes relativamente ao escoamento no interior da coluna, o estabelecimento de uma metodologia padrão para a execução dos experimentos e também a avaliação do desempenho do desemulsificador em modo contínuo. Para tanto,
durante a operação da unidade piloto, foram observados o comportamento da dispersão no interior da coluna, a coalescência da dispersão no sedimentador de topo, a eficiência e taxa de desemulsificação das emulsões no coalescedor. Adicionalmente, o percentual de extração de ácido cítrico em cada condição foi determinado para avaliar a eficiência da unidade como um todo. Esses ensaios foram feitos para variadas condições de vazão total e razão de fazes Fd/Fc, não visando, nesse momento, o estabelecimento do regime permanente para a operação do sistema.
No que concerne às condições de escoamento no interior da coluna, o principal problema observado foi o de emulsificação da fase externa durante a ascenção dos glóbulos de emulsão no interior da coluna. Esse tipo de fenômeno altera as características da emulsão primária, levando ao aumento do diâmetro dos glóbulos, à obstrução das perfurações dos pratos e, em condições muito acentuadas, à inundação da coluna, conforme observado na FIGURA 5.23, para um dos ensaios realizados. Além disso, ocorre a diluição da fase interna e queda de eficiência na etapa de desemulsificação. Após a realização de vários ensaios, nos quais o fenômeno mostrou-se intermitente para réplicas de uma mesma condição de operação, foi possível identificar a origem do problema como uma falha no procedimento de start-up. Como mencionado na METODOLOGIA (item 4.6.2), antes da alimentação da emulsão primária, a coluna deve ser preenchida com a fase aquosa externa; só então, deve ser iniciada a alimentação da emulsão primária. Observou-se, no entanto, que sempre ocorria emulsificação da fase externa quando a alimentação de emulsão primária era iniciada sem que o fluxo de fase aquosa externa fosse interrompido. Provavelmente, sem essa interrupção, no início da operação, quando a fase dispersa (emulsão primária) ainda não está presente para oferecer resistência à passagem da fase contínua, a turbulência no ponto de alimentação da emulsão é maior, favorecendo a emulsificação da fase contínua. Mantendo-se a alimentação de fase contínua fechada até que toda a coluna fosse preenchida com a dispersão e esta começasse a coalescer no sedimentador de topo, foi possível suprimir por completo o fenômeno de emulsificação da solução de ácido cítrico, para as condições de operação estudadas, conforme pode ser observado na FIGURA 5.24.
(a) (b)
FIGURA 5.23 - Fenômeno de emulsificação da fase externa: (a) glóbulos com tamanho aumentado, distribuição irregular e coalescência na parte superior da foto; (b) inundação da coluna em andamento
FIGURA 5.24 - Padrão de dispersão usual na coluna para a extração de ácido cítrico por MLS
Com relação à coalescência da dispersão no sedimentador de topo, um segundo problema, relativo à formação de espuma na inteface durante a separação de fases, foi observado, em diferentes graus, para várias condições estudadas. Esse fenômeno era de certa forma esperado, pois os estudos de bancada indicaram a formação dessa espuma na etapa de decantação. O fenômeno só representou problema real para o processo de separação como um todo quando vazões mais elevadas de emulsão primária eram usadas, pois o tempo utilizado para a separação de fases tornava-se reduzido devido ao grande volume de dispersão que se acumulava no sedimentador para coalescência. Com vazões mais baixas, a formação de
espuma era bastante reduzida não apresentado dificuldades operacionais para a execução do processo.
Quanto ao desempenho do desemulsificador, até então avaliado somente para emulsões primárias não carregadas com o soluto, foram obtidos resultados bastante promissores. Para sistemas que não apresentaram emulsificação da fase externa, o equipamento apresentou taxas de desemulsificação da ordem de 1,0 L.h-1, atendendo às especificações de projeto, e eficiência de separação de aproximadamente 90%, empregando-se tempos de residência de pelo menos 30 minutos. O estabelecimento de um fluxo contínuo mostrou-se de execução mais trabalhosa porque as vazões eram muito baixas e os registros são pouco precisos para realizar os ajustes necessários. As capacitâncias do par célula-emulsão ficaram em torno de 700 pF e o ajuste da freqüência do equipamento durante a operação variou de aproximadamente 4,8 a 5,8 kHz, com operação ininterrupta. Quando vazões de emulsão superiores a 1,0 L.h-1 eram utilizadas na coluna, a emulsão primária carregada era acumulada em um tanque pulmão, sendo possível separar todo o seu conteúdo no mesmo dia do experimento, desde que este não apresentasse problemas de emulsificação da fase contínua. Duas fotos do equipamento em operação são apresentadas na FIGURA 5.25.
(a) (b)
FIGURA 5.25 - Coalescedor eletrostático contínuo: (a) fonte de alta tensão acoplada à célula de desemulsificação; (b) detalhe da célula em operação
Finalizada essa etapa, foram realizados os experimentos finais para avaliar os perfis de concentração ao longo da coluna e sua variação com o tempo de operação, determinar a velocidade de deslizamento das gotas, os valores das frações de fase dispersa total e local, a distribuição do diâmetro das gotas, os percentuais de extração, ruptura da emulsão primária durante a permeação e inchamento, e as concentrações finais de ácido cítrico na fase de alimentação exaurida e enriquecida. Nesses ensaios, o tempo de permeação na coluna foi definido de acordo com o estabelecimento do regime estacionário de operação. Os resultados obtidos são descritos nos tópicos 5.5.2 a 5.5.4.