Apostila de Operações Unitárias

30
Máxima Cursos Curso Técnico em Petróleo e Gás Oper ações Unitárias “Operação unitária é a designação atribuída ao conjunto de operações de natureza essencialmente física. As operações unitárias fazem parte dos processos industriais...”

Transcript of Apostila de Operações Unitárias

Page 1: Apostila de Operações Unitárias

Máxima Cursos

Curso Técnico em Petróleo e Gás

Operações Unitárias

“Operação unitária é a designação atribuída ao conjunto de operações de natureza essencialmente física.As operações unitárias fazem parte dos processos industriais...”

Professora: Aline Geovânia2010.

Page 2: Apostila de Operações Unitárias

APENDICE

“....Estudos científicos comprovam que o petróleo natural, terá suas reservas mundiais esgotadas num período próximo dos cem anos. Por isso, a Indústria Química, vem buscando, desde já, um produto que substitua o petróleo como matéria prima para a sua continuidade como indústria Com este objetivo, o Brasil vem desenvolvendo pesquisas no sentido de usar a biomassa renovável, que além de se renovar, não é poluente, o que beneficiará o meio ambiente, cuja proteção é objeto de toda a sociedade em busca de uma melhor qualidade de vida.

O petróleo na indústria, e sua utilização como combustível, atingiu um patamar de custo muito elevado, não só pela sua prospecção, como também pelo tratamento nas refinarias. Toda a malha petrolífera, desde a sua prospecção, passando pelo seu refinamento e utilização de seus subprodutos que por sua vez, servem de matéria prima para os derivados do petróleo que representam centenas de subprodutos, se estancados bruscamente, provocariam uma verdadeira calamidade na economia brasileira e mundial. Por isso, é recomendável que os poderosos que manipulam o petróleo no mundo, sejam cautelosos ao tratar deste assunto.

Cem anos na vida de uma economia é um lapso de tempo, no universo da humanidade que ainda nem alcançou seu equilíbrio emocional e ainda se envolve em conflitos e guerras que apenas visualizam o poder e não o bem estar dos povos. Por isso a cautela e o equilíbrio nas buscas por soluções possíveis de serem adotadas sem prejuízos maiores à humanidade. O desenvolvimento sustentável do Brasil passa, com certeza, por um plano de governo centralizado no bem estar da sociedade, com o desenvolvimento de políticas sociais de integração do homem ao meio ambiente, sem sacrificar a natureza, buscando no avanço da tecnologia, as soluções para problemas tão graves, como é a substituição do petróleo na indústria, por outro produto necessariamente renovável como é a utilização da biomassa, uma promissora esperança a ser alcançada para que possamos atingir as condições de substituir o petróleo na indústria, como fonte de matéria prima e combustível.

A solução energética para o futuro da humanidade passará, com certeza, pelo aproveitamento de toda a criação, por mais singular que possa ser por certo contribuirá para um seguimento maior na mesma direção. O petróleo na indústria, só chegou com o desenvolvimento da tecnologia e a produção de motores a explosão e com o desenvolvimento de protótipos primários, até chegar à maturidade dos motores de hoje.

Por isso devemos acreditar no desenvolvimento das pesquisas que no Brasil, estão sendo realizadas em torno da biomassa para que se elimine o uso do petróleo na indústria antes que suas reservas se esgotem e que se aprenda rapidamente como fugir de problemas dessa natureza...”

2

Page 3: Apostila de Operações Unitárias

Máxima Cursos Curso Técnico em Pétroleo e GásOperações UnitáriasProfessora: Aline Geovânia

1ª AvaliaçãoCONCEITOS

As operações unitárias são aquelas que não envolvem reações químicas, mas apenas processos físicos, como aquecimento, resfriamento, transferência de massa, condensação de vapores, etc. As indústrias modernas planejam suas plantas industriais de maneira a aproveitar ao máximo a energia consumida, e para tanto é importante conhecer as operações unitárias.

INTRODUÇÃO SOBRE OPERAÇÕES UNITÁRIAS

Toda indústria química envolve um conjunto de processos: Processos Químicos, Processo de Estocagem de materiais, Processos de compras, Processos de pagamentos, etc. As operações Unitárias serão importantes para execução dos processos químicos, físico-químicos, petroquímicos, etc. Um processo químico é um conjunto executado em etapas, que envolvem modificações da composição química, que geralmente são acompanhadas de certas modificações físicas ou de outra natureza, no material que é o ponto de partida (matéria-prima) para se obter o produto final (ou acabado).

As operações unitárias são os blocos individuais que compõem um processamento, que vai dar origem a um produto final a partir de certa matéria-prima. Cada uma possui técnicas comuns e está baseada nos mesmos princípios científicos fundamentais independentes da substância ou matéria-prima, que está sendo operada e de outras características do sistema, pode ser considerada uma operação unitária.

O engenheiro Arthur D. Little (1915) apresenta um conceito interessante para operações unitárias: “Qualquer processo químico em qualquer escala, pode ser decomposto numa série estruturada do que se podem denominar, operações unitárias, como moagem, homogeneização, aquecimento, calcinação, absorção, condensação, lixiviação, cristalização, filtração, dissolução, eletrólize, etc. etc.”

Desde 1915 foram acrescentadas outras operações unitárias a lista de Little como transporte de fluídos, transferência de calor, destilação, umidificação, absorção de gases, sedimentação, classificação, centrifugação, hidrólise, digestão, evaporação, etc. As complexidades das aplicações de engenharia provem da diversidade das condições, como temperatura, pressão, concentração, pureza, etc.

Sob as operações unitárias devem ser realizadas nos diversos processos e das limitações e exigências aos materiais de construções do projeto, impostas pelos aspectos físicos e químicos das substâncias envolvidas. Todas as operações unitárias estão baseadas em princípios da ciência que os traduzidos nas aplicações industriais em diversos campos de engenharia.

Encontram-se no setor da indústria exemplos de maior parte das operações unitárias em aplicações mais variadas. Assim sendo, os processos podem ser estudados sistematicamente, de forma unificada e simples.

CLASSIFICAÇÃO DAS OPERAÇÕES UNITÁRIAS

3

Page 4: Apostila de Operações Unitárias

Podem ser classificadas de acordo com critérios variados. Podemos por exemplo classificá-las em grupos de acordo com a sua finalidade dentro do processo produtivo. Sendo as mais importantes: Operações Preliminares, Operações de Conservação, Operações de Transformação, Operações de Separação.

→ Operações Preliminares: As operações unitárias preliminares como já dizem o próprio nome, são normalmente realizadas antes de qualquer outra operação. Suas funções estão associadas a uma preparação do produto para o posterior processamento ou uma melhoria das condições sanitárias da matéria-prima. As principais operações unitárias preliminares são: → Limpeza → Seleção → Classificação → Eliminação → Branqueamento

→ Limpeza

A limpeza da matéria-prima tem como principal objetivo a eliminação de impurezas e contaminantes que constituem um perigo à saúde ou que são esteticamente indesejáveis, como terra, poeira, detritos vegetais, controlando a carga microbiana e as reações químicas e bioquímicas que dificultam o processo posteriormente e prejudicam a qualidade do produto final.           O processo de limpeza deve ter a maior eficiência possível, com o menor desperdício de produto, evitando lesionar o mesmo. A limpeza total da matéria-prima é impraticável, devendo-se estabelecer um balanço entre custos de limpeza e a necessidade de produzir um alimento de boa qualidade. A limpeza pode ser realizada de duas maneiras:

→ Via úmida ou Lavagem → Via Seca

→ Seleção

A seleção é uma etapa de separação da matéria-prima principalmente por sua qualidade, de acordo com o objetivo de cada indústria. Podendo-se avaliar a presença de defeitos (principalmente quanto à cor) ou grau de deterioração.  Em geral, excluem-se os produtos que não apresentam as características compatíveis com o padrão estabelecido. Durante o processo de seleção deve ser evitado ao máximo o aumento das peças deterioradas. A seleção é utilizada no processamento de: Geléia de morango, Milho em Conserva, Seleta de legumes e etc.

→ Classificação

Um dos fatores mais importantes que determinam a qualidade dos produtos industrializados é a sua cuidadosa classificação. Vários são os critérios que podem ser utilizados para o processo de classificação, dependendo do objetivo de cada indústria. Tamanho, cor, maturação, variedade, presença de manchas ou defeitos são alguns destes critérios.       A classificação tem como objetivo principal separar a matéria-prima em diferentes grupos seja por tamanho ou qualidade, a fim de destiná-los a diferentes linhas de produtos da própria indústria ou para diferentes equipamentos em uma mesma linha. Pode servir, também para separar uma parte da matéria-prima que será destinada à venda a outras indústrias que utilizem esta matéria-prima. Assim, a classificação da matéria-prima antes de ser industrializada resulta em uma maior uniformidade do produto final, padronizando-a e melhorando-a para os métodos de preparo, tratamento e conservação.

4

Page 5: Apostila de Operações Unitárias

Quase sempre, a classificação compreende a avaliação simultânea de múltiplas propriedades, de tal maneira que a classificação mecânica é um problema de certa complexidade. Por esta razão, a classificação é freqüente realizada manualmente.          Os métodos para a classificação podem ser em nível de laboratório, com análise estatística ou procedimentos que separam a quantidade total, em categorias de qualidade, mas também são muito utilizados os métodos de classificação visual. A classificação é muito importante no processamento de: Cogumelo em conserva e etc.

→ Eliminação

A operação de eliminação de indesejáveis é uma espécie de limpeza, diferenciando-se daquela por aqui concentrar-se na retirada de materiais inerentes à matéria-prima, mas que não são de interesse para o produto em questão. Muitas vezes os materiais retirados nesta operação, durante o processamento de um determinado produto podem ser a matéria-prima para algum outro. Entre os materiais normalmente eliminados nesta etapa podem ser citados: Sementes e caroços, Talos e folhagens e etc.

→ Branqueamento

  O branqueamento é um processo térmico de curto tempo de aplicação, com características de pré-tratamento, pois precede o início de outros processos de elaboração industrial. A duração do tratamento varia com a consistência e com o tamanho do material, podendo variar de 2 a 10 minutos, a uma temperatura de 70° a 80°C. O branqueamento é feito por água quente ou vapor tem cada um deles, vantagens e desvantagens, o que obriga a cuidadosa opção; o vapor, por exemplo, em certos casos, constitui agente de limpeza tão eficiente quanto à água. Por sua vez, a água produz maiores perdas que o vapor, e quando fervente, provoca a ruptura da matéria-prima, facilitando seu amolecimento. Outra preocupação sobre a água é a da sua utilização, quando apresenta características de dureza. O branqueamento é uma das operações do processamento de: Catchup e etc.

  → Operações de Conservação: As operações de conservação têm como finalidade eliminar ou diminuir os agentes responsáveis pela deterioração da matéria-prima, aumentando assim sue tempo de vida útil. Os  agentes de deterioração mais importantes são os microrganismos, sobretudo as bactérias e mofos, e as enzimas, os quais são suscetíveis às alterações de temperatura, pH, umidade e nível de oxigênio. Estes compõem os principais parâmetros a serem trabalhados nas operações unitárias que são: → Processamento térmico (Apertização) → Esterilização e Pasteurização → Congelamento → Refrigeração → Evaporação → Secagem → Fermentação → Processamento térmico (Apertização)

O processamento térmico, também conhecido como apertização, em homenagem a Nicolas Appert, inventor deste processo, pode ser definido como a utilização do calor para a preservação das matérias-primas. Dependendo das condições do meio, tal como pH, umidade e composição centesimal temos diferentes formas de processamento térmico. De acordo com estes fatores divide-se o processamento térmico em Esterilização e Pasteurização:

5

Page 6: Apostila de Operações Unitárias

→ Esterilização

A esterilização é a principal operação quando um tratamento a temperaturas inferiores a 100°C não é suficiente para a destruição de microrganismos. Emprega-se então uma temperatura em torno de 121°C, o meio mais empregado para o aquecimento é o vapor saturado, que transfere calor ao produto em virtude do elevado coeficiente de transferência térmica e alto calor latente de condensação. Assim, são mais eficientes que os processos de esterilização a seco, por proporcionar uma maior troca térmica.     A esterilização pode ser feita em autoclaves contínuas ou em batelada, dependendo do tamanho da indústria e da variedade e quantidade de produtos a serem fabricados.     Os aparelhos utilizados devem ser resistentes à pressão que muitas vezes é enorme, chegando a atingir toneladas de força que são exercidas contra a tampa da autoclave.      As autoclaves podem ser dos seguintes tipos: fixas ou rotativas, verticais ou horizontais, contínuas ou descontínuas. A esterilização é fundamental para a conservação de: Milho em Conserva, Seleta de legumes e etc.

→ Pasteurização

A pasteurização é um tratamento térmico que elimina os microorganismos termossensíveis existentes na matéria-prima. A temperatura não passa dos 100°C, podendo este aquecimento ser produzido por vapor, água quente, radiações ionizantes, calor seco, microondas, etc.  Utiliza-se a pasteurização quando os tratamentos térmicos mais elevados trazem perdas de qualidade significativas, quando os agentes microbianos responsáveis pelas alterações não são muito termorresistentes ou quando deseja-se destruir agentes competitivos.     A pasteurização pode ser feita de maneira rápida temperatura alta, tempo curto (HTST - "high temperature, short time"), usando-se temperaturas superiores a 70°C por alguns segundos ou de maneira lenta temperatura baixa, tempo longo (LTLT - "low temperature, long time"), com temperaturas entre 58°C e 70°C por alguns minutos. Alguns dos equipamentos utilizados para a pasteurização são: Trocador de calor de placas; Trocador de calor tubular; Tanque de pasteurização. A pasteurização é fundamental no processamento de: Catchup, Cerveja, Cogumelo em conserva, Molho de pimenta, Suco de Laranja Concentrado e etc.

→ Congelamento

O principal objetivo do congelamento é a conservação do produto em condições de oferecer uma qualidade desejável para o consumo. Esta conservação ocorre pela transformação da água presente na matéria-prima para o estado sólido. O congelamento é utilizado para:

      - Retardar as reações químicas e a atividade enzimática;

      - Retardar ou inibir o crescimento e a atividade dos microrganismos.

     Para levar o produto à temperatura desejada são empregados os chamados congeladores. O congelamento é uma etapa incluída no processamento de: Polpa de morango congelada e etc.

→ Refrigeração

A operação de resfriamento, consiste no abaixamento da temperatura do produto, para retardar as reações químicas e a atividade enzimática, bem como para retardar ou inibir o crescimento e a atividade dos microrganismos. A refrigeração é normalmente utilizada como operação suplementar a alguma outra forma de conservação. A temperatura de refrigeração é normalmente entre 5 e 10 ºC, e vai variar em função do produto.

6

Page 7: Apostila de Operações Unitárias

→ Evaporação

É uma operação unitária utilizada para eliminar água de produtos diluídos, obtendo-se assim produtos mais concentrados. A evaporação difere da desidratação, pois o produto tratado por este processo permanece sempre no estado líquido, também difere da destilação, já que os vapores produzidos não contém concentrações diferentes, como na destilação. O equipamento utilizado é o evaporador, que consiste em uma câmara, dentro da qual existe um trocador de calor com aquecimento indireto que proporciona o meio de transmissão de calor ao produto por meio de vapor à baixa pressão. A evaporação é uma das operações unitárias incluídas no processamento de: Catchup, Suco de Laranja Concentrado e etc.

→ Secagem

  A secagem é a operação unitária de retirada de água de um produto por evaporação ou sublimação mediante a aplicação de calor sob condições controladas. Esta etapa se destina a conservar a matéria-prima livre da proliferação de microrganismos e de outras reações químicas e bioquímicas indesejáveis.       A importância da secagem está relacionada à redução do peso e do volume, redução nos custos de transporte e armazenamento.                    Esta operação pode ser utilizada como única operação de conservação de um determinado produto ou estar associada a outras em um processamento. Existem diversos métodos de secagem e devem ser utilizados de acordo com o produto a ser processado. Dentre eles podemos citar: secagem com ar quente, secagem por contato direto com uma superfície quente, secagem por radiação de microondas. Para produtos líquidos ou pastosos, pode-se utilizar a secagem por spray, ou spray-drying. Alguns produtos que utilizam a secagem para uma finalidade ou outra são: Cereais matinais, Flocos de milho, Maçã seca, Massa fresca tipo talharim e etc.

→ Fermentação

Pode se definir fermentação como um processo onde existem trocas químicas em um substrato orgânico pela ação das enzimas elaboradas por certos tipos de microrganismos.     As fermentações podem ser classificadas pelo material a fermentar, pelo produto da fermentação ou pelo agente de fermentação.  Antigamente, a fermentação estava associada aos hidratos de carbono, porém, hoje em dia, a putrefação, decomposição de material protéico, é considerada como um tipo especial de fermentação. Nem o desprendimento de gás, nem a presença de célula viva são considerados hoje como critérios essenciais de fermentação. A fermentação é empregada no processamento de: Aguardente de cana, Biscoito cream cracker, Cerveja, Laranja cristalizada, Pão de leite, Vinagre de maçã, Vinho tinto e etc.

→ Operações de Transformação: As operações unitárias de transformação podem também promover a conservação de uma matéria-prima, mas sua principal função é modificá-la para  a obtenção de um novo produto, ou com melhores características funcionais, sensoriais ou nutritivas. Normalmente quando uma destas operações é aplicada sobre uma matéria-prima, tem-se uma significativa mudança em seu aspecto físico. As principais operações unitárias de transformação são: → Moagem → Mistura → Homogeinização → Moldagem → Extrusão → Emulsificação → Redução de Tamanho → Tratamento Térmico

7

Page 8: Apostila de Operações Unitárias

→ Moagem

A moagem é uma operação unitária de redução de tamanho, em que o tamanho médio sólido é reduzido pela aplicação de forças de impacto, compressão e abrasão.

        As vantagens da redução de tamanho no processamento são:

Aumento da relação superfície/volume, aumentando, com isso, a eficiência de operações posteriores, como extração, aquecimento, resfriamento, desidratação, etc.

Uniformidade do tamanho das partículas do produto, auxiliando na homogeneização de produtos em pó ou na solubilização dos mesmos.

          A trituração ou moagem pode ser considerada muito ineficaz do ponto de vista energético. Somente uma pequena parte da energia é empregada realmente para a ruptura  ou fragmentação do sólido. A maior parte se dirige para a deformação desse sólido e a criação de novas linhas de sensibilidade que pode produzir a ruptura sucessiva dos fragmentos. O resto da energia se dissipa em forma de calor. Este processo é importante para a fabricação de: Café solúvel, Cereais Matinais, Flocos de milho, Mostarda e etc.

          Conforme a finalidade é usada diferentes tipos de moinhos, dentre eles destacam-se:  MOINHOS DE DISCO – Geralmente usado para moagem de granulação fina, são pequenos e de difícil regulagem. São os mais comuns no Brasil.  

MOINHO DE ROLOS – Fornece um produto de textura mais uniforme. Dois ou mais cilindros pesados giram em direções contrárias, a velocidades iguais ou diferentes. A distância entre os rolos, que giram em sentidos opostos, é regulável e deve ser ajustada às condições da matéria prima. É mais utilizado nos Estados Unidos.

MOINHO DE FACAS E DE MARTELOS – Produzem um material mais fino que o moinho de rolos. Destinado à extração de pó solúvel, o moinho de rolos é o mais indicado, sendo também utilizados os moinhos de facas e martelos e os de disco. Normalmente os moinhos de facas e martelos apresentam melhores resultados do que os de disco para este fim. Um rotor de alta velocidade gira no interior de uma capa cilíndrica. No exterior do rotor é acoplada uma série de martelos nos pontos de articulação. O material se rompe pelo impacto dos martelos e se pulveriza ao passar por uma esteira na abertura entre os martelos e a capa.

8

Page 9: Apostila de Operações Unitárias

TRITURADORES DE MANDÍBULAS: A matéria-prima passa entre duas mandíbulas pesadas. O material vai passando lentamente por um espaço cada vez menor, triturando-se ao deslocar-se.

MOINHOS DE BOLAS: Uma capa cilíndrica, que gira em um eixo horizontal, é carregada com bolas de aço ou porcelana. A redução de tamanho é feita pela ação do impacto e da fricção das bolas ao girar o moinho.

→ Mistura

Na operação de mistura as matérias-primas são colocadas em um contato íntimo, podendo formar ou não outro produto onde não seja mais possível identificarem-se os componentes iniciais.    Os equipamentos a serem utilizados dependem do tipo de matérias-primas a serem misturadas. Alguns produtos em que a mistura é uma etapa importante são: Aguardente de Cana, Alimento infantil à base de maçã e banana, Barra de cereal de banana, Mistura para bolo, Molho de pimenta, Mostarda e etc.

9

Page 10: Apostila de Operações Unitárias

→ Homogeinização

A finalidade da homogeneização é desintegrar e realizar uma fina divisão das partículas ou glóbulos dos líquidos e soluções que estão sendo processados, com o objetivo de se obter uma suspensão permanente, evitando que as partes de menor peso se separem do restante dos componentes e subam para a superfície.

Nas figuras abaixo, pode-se observar três estágios de uma mistura, vistos do microscópio. Na primeira etapa, observamos primeiramente a mistura ainda não homogeneizada, com partículas de sua composição ainda inteiras e, ao lado dela, observamos esta mesma mistura homogeneizada, onde podemos ver que as partículas sofreram uma fina divisão, até serem reduzidas. Na segunda etapa, as partículas menores são novamente homogeneizadas para sua distribuição.

1º etapa 2º etapa

    A homogeneização também dá ao produto uma cor mais brilhante e atraente.   Esta operação é uma etapa do processamento de: Catchup, Molho de pimenta, Mostarda e etc.

→ Moldagem

Além de reduzir o tamanho, esta operação tem a finalidade de dar forma ao produto. Para isto são utilizados prensas, moldes, ou outros artefatos, dependendo do produto. Em geral a moldagem ou formatação tem como finalidade dar a forma final ao produto que se deseja. Alguns alimentos que passam por moldagem são: Barra de cereal de banana, Biscoito Cream Cracker, Massa tipo talharim, Pão de leite e etc.

→ Extrusão

O princípio básico da extrusão é a conversão de um material sólido ao estado de massa fluída, pela combinação de umidade, calor, compressão. Assim obtém-se a gelatinização ou desnaturação. Existem dois tipos de extrusão: extrusão à quente e a frio. Na extrusão à quente ocorre o cozimento e na extrusão à frio ocorre apenas uma mudança de conformação. O objetivo principal da extrusão consiste em ampliar a variedade. Os parâmetros mais importantes durante o processo de extrusão são a temperatura, a pressão, o diâmetro do orifício de saída. As características da matéria prima  tais como a umidade, o estado físico e composição química exercem influência sobre o produto final. O extrusor é  um cilindro encamisado que se classifica quanto ao seu funcionamento em extrusor à quente ou à frio e quanto a sua construção como de rosca simples ou dupla. A rotação da rosca se dá pela ação de um motor. A entrada da extrusora é caracterizada por uma região de pressões não muito elevadas e de mistura dos produtos adicionados. O produto extrusado pode sofrer ou não expansão. A extrusão é utilizada para a produção de: Biscoito salgadinho extrusado e etc.

10

Page 11: Apostila de Operações Unitárias

→ Emulsificação

As emulsões são suspensões estáveis de um líquido em outro no qual é imiscível. Sua estabilidade é obtida pela dispersão de gotas muito finas de um líquido (denominado fase dispersa) em outro (denominado fase contínua). A emulsão é estável quando persiste, sem mudanças, durante grandes períodos de tempo. A emulsão é utilizada para a produção de: Margarina e etc.

→ Redução de Tamanho

A operação de redução de tamanho de um produto sólido é conseqüência da aplicação de forças mecânicas sobre um determinado material, e é comumente empregada em diversas etapas de um processamento. A finalidade desta operação pode variar desde a separação de um determinado componente, até a simples questão estética.

→ Tratamento Térmico

   Apesar de eliminar microorganismos e inativar enzimas, que acabam conservando o produto, o tratamento térmico, visa promover mudanças químicas irreversíveis na estrutura da matéria-prima. Esta é a principal diferença entre esta operação e o processamento térmico, descrito nas operações unitárias de conservação. De acordo com o tipo de processo empregado e as características da matéria-prima podemos diferenciar vários modos de tratamento: Cozimento, Fervura, Forneamento, Fritura, Torrefação.

  → Operações de Separação: As operações de separação estão relacionadas principalmente com  a aplicação de meios físicos ou químicos. No primeiro caso modificam-se as forças da gravidade, centrífuga ou cinética para promover a separação de materiais que apresentam características diferenciadas em relação a tamanho, forma, densidade, viscosidade, densidade, etc. Nas separações químicas trabalha-se com as igualdades ou diferenças nas afinidades apresentadas pelos meios a separar. As principais operações de separação são:

→ Filtração → Cristalização → Clarificação → Destilação → Prensagem

→ Filtração A filtração é uma operação de separação, na qual um componente sólido insolúvel de uma suspensão sólido-líquido é separado ao passar por um meio semi-poroso, chamado de meio filtrante. Este meio pode ser uma membrana, uma peneira ou qualquer outro material que

11

Page 12: Apostila de Operações Unitárias

retenha as partículas a serem separadas devido a uma diferença, normalmente de granulometria. A filtração é uma das operações unitárias incluídas no processamento de: Cerveja, Espumante, Vinagre de maçã, Vinho tinto e etc.

→ Cristalização  

A cristalização na indústria pode ser usada para dois propósitos: O material líquido pode ser separado em fases sólidas e líquidas de diferentes composições, uma ou as duas frações podem ser o produto desejado do processo; e  quando não há separação da fase sólida então toda a matéria-prima é considerada como produto.

O processo de cristalização pode ser iniciado por refrigeração ou evaporação. Esta operação unitária é muito empregada para: Cristalização de frutas e etc.

→ Clarificação

A  clarificação é a operação unitária de separação que visa eliminar partículas em suspensão de um líquido. Esta operação consiste em adicionar um produto clarificante (orgânico ou mineral), que por adsorção eletrostática apresenta a faculdade de coagular, flocular e arrastar as partículas em suspensão.

A clarificação baseia-se na atração de partículas carregadas  (polieletrólitos) com cargas opostas: as partículas em suspensão carregadas com cargas negativas ou positivas, de acordo com sua origem, são atraídas pelas partículas dos clarificantes, também carregadas positiva ou negativamente. Esta atração  (ou coagulação), ao se anularem as cargas, provoca a formação de flóculos, que vão aumentando de peso, e acabam precipitando, podendo arrastar ainda outras substâncias. Esta operação faz parte do processamento de: Cerveja, Espumante e etc.

→ Destilação 

A destilação, também chamada de fracionamento ou destilação fracionada, é uma operação unitária de separação, baseada nas diferenças de volatilidade dos constituintes de uma mistura líquida.

O vapor produzido por uma mistura líquida possui os mesmos componentes da mistura original, mas em quantidades relativas diferentes. 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. Devido à diferença de gravidade entre a fase líquida e vapor, o líquido desce a coluna de destilação enquanto o vapor sobe, sendo recolhidos separadamente.

As aplicações da destilação são principalmente relacionadas à separação do petróleo em diversos hidrocarbonetos de menor peso molecular. Também pode ser utilizada na obtenção do oxigênio puro, através da destilação do ar previamente liquefeito. A destilação é especialmente importante na fabricação de bebidas destiladas como Aguardente, e na obtenção de essências vegetais.

→ Prensagem

A prensagem nada mais é que uma ação mecânica de forças sobre o material visando à separação de um líquido contido no inferior de um sólido. É aplicada em geral para a extração de óleos e gorduras de oleaginosas e na obtenção de sucosde frutas. 

As condições de prensagem dependem do tipo e da origem da matéria-prima. Os equipamentos usados são conhecidos por prensas, abertas e de cestos metálicos, podendo ser aquecidas ou não. A Prensagem pode ser usada no processamento de: Espumante, Suco Concentrado de Laranja e etc.

Ex: matéria: madeira; corpo: pedaços de madeira; objeto: banco de madeira;

12

Page 13: Apostila de Operações Unitárias

QUESTÕES

1) Explique com suas palavras, o que são Operações Unitárias e como podem ser classificadas de acordo com a finalidade dentro do processo produtivo.

2) Explique com suas palavras, em que estão baseadas as Operações Unitárias e como podem ser classificadas de acordo com a finalidade dentro do processo produtivo.

3) “As operações Unitárias Preliminares são realizadas antes de qualquer outra operação...” Baseado nesta afirmação cite as funções em que estão associadas essa Operação Unitária.

4) Qual é a diferença entre Eliminação e Limpeza?

5) Porque a classificação é freqüentemente realizada manualmente?

6) Marque com V as afirmações verdadeiras e com F as afirmações falsas:( ) A Limpeza da matéria-prima tem como objetivo eliminar impurezas.( ) A Seleção é a etapa de separação da matéria-prima principalmente por qualidade.( ) A Eliminação é uma Limpeza que retira materiais inerentes à matéria-prima.( ) O Branqueamento torna a matéria-prima mais clara.( ) A Classificação determina a qualidade somente pela cor da matéria-prima.

7) “As operações de conservação têm como finalidade eliminar ou diminuir os agentes responsáveis pela deterioração da matéria-prima, aumentando assim sue tempo de vida útil...”De quais agentes trata a operação de conservação?

8) Relacione as colunas:

(A) Apertização ( ) Abaixo da temperatura para retardar as reações químicas.(B) Congelamento ( ) Elimina à água de produtos diluídos.(C) Refrigeração ( ) Processo com trocas químicas.(D) Evaporação ( ) Transforma à água na matéria para o estado sólido.(E) Fermentação ( ) Utilização de calor para preservar a matéria-prima.

9) Qual é a diferença básica entre esterilização e pasteurização se ambos envolve tratamento térmico?

13

Page 14: Apostila de Operações Unitárias

10) Qual é a diferença entre congelamento e refrigeração se ambos envolvem abaixamento de Temperatura? E qual a mais eficaz na conservação do produto?

11) “As operações Unitárias de Transformação podem promover a conservação de uma matéria-prima...” Baseado nesta afirmação cite a principal função em que está associada essa Operação Unitária.

12) Conforme a finalidade é usado diferentes tipos de moinhos, qual a diferença entre o Moinho de disco, de rolos e o de facas?

13) Relacione as colunas:

(A) Moagem ( ) Reduz o tamanho e dar forma ao produto.(B) Moldagem ( ) Converte o material sólido ao estado de massa fluída.(C) Extrusão ( ) Suspensões estáveis de um líquido.(D) Emulsificação ( ) Utilizada para redução de tamanho.(E) Trat. Térmico ( ) Elimina microorganismos e inativa as enzimas.

Máxima Cursos Curso Técnico em Pétroleo e GásOperações UnitáriasProfessora: Aline Geovânia

Operações Unitárias da Indústria Química envolvendo fenômenos de transferência simultânea de calor e massa: Destilação, Absorção, Extração e Fluidização.

14

Page 15: Apostila de Operações Unitárias

DESTILAÇÃO

A Destilação é uma Operação Unitária integrada no conjunto das Operações Baseadas na

Transferência de Massa. O mecanismo subjacente a esta operação de separação é o do equilíbrio

líquido-vapor. Ao fornecer calor a uma mistura líquida, se promovermos a sua vaporização

parcial, obtém duas fases, uma líquida e outra de vapor, com composições diferentes. A

diferença de composição das duas fases resulta da diferença de volatilidades dos vários

componentes da mistura líquida inicial. Quanto maior for essa diferença entre as volatilidades

(isto é, quanto mais diferente da unidade for às volatilidades relativas) maior será a diferença de

composição entre a fase líquida e vapor e, como tal, mais fácil será a separação por Destilação.

As aplicações industriais do processo de destilação são várias, sendo a mais conhecida a da

separação de misturas de hidrocarbonetos na indústria petroquímica em particular na

refinação do petróleo.

A destilação, também chamada de fracionamento ou destilação fracionada, é uma operação unitária de separação, baseada nas diferenças de volatilidade dos constituintes de uma mistura líquida.

      O vapor produzido por uma mistura líquida possui os mesmos componentes da mistura original, mas em quantidades relativas diferentes. 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. Devido à diferença de gravidade entre a fase líquida e vapor, o líquido desce a coluna de destilação enquanto o vapor sobe, sendo recolhidos separadamente.

Principais tipos de Destilação

→Destilação simples: Para separação de componentes das misturas homogêneas sólido-líquido. O princípio do processo consiste em aquecer a mistura até a ebulição; com isso o componente líquido separa-se do sistema sob a forma de vapor, que a seguir é resfriado, condensando-se, e o líquido é recolhido em outro recipiente. Para que isso aconteça, é necessário que a diferença entre seus pontos de ebulição seja alta.

15

Page 16: Apostila de Operações Unitárias

→Destilação fracionada: Para separação dos componentes das misturas homogêneas líquido-líquido. Componentes com pequenas diferenças de pontos de ebulição separam-se as primeiras frações do destilado, que são destiladas novamente, sofrendo um crescente enriquecimento do componente mais volátil. Utiliza-se uma coluna de retificação entre a alimentação e o equipamento de condensação dos vapores, que proporciona várias destilações simples sucessivas. O petróleo é separado em suas frações por destilação fracionada.

→Destilação à pressão reduzida: O conjunto é submetido ao abaixamento de pressão, para purificar substâncias que se decompõem a temperaturas abaixo do seu ponto de ebulição sob pressão normal ou àquelas com pontos de ebulição muito elevados.

→Destilação por arraste a vapor d’água: é usada para purificar substâncias que se decompõem a temperaturas elevadas e para separação de compostos voláteis de uma mistura de outros não voláteis. A substância a ser separada por esse processo deve ser insolúvel em água, porque os vapores d’água é que vão conduzir essa substância.

Aplicações da Destilação

As aplicações da destilação são principalmente relacionadas à separação do petróleo em diversos hidrocarbonetos de menor peso molecular. Também pode ser utilizada na obtenção do oxigênio puro, através da destilação do ar previamente liquefeito. Em alimentos, a destilação é especialmente importante na fabricação de bebidas destiladas e na obtenção de essências vegetais. Ex: Aguadente.

Destilação do Petróleo

O petróleo, após ser extraído da natureza, é transportado para as refinarias e começa a ser fracionado através de aquecimento em tanques apropriados dando origem a vários subprodutos.

Os derivados do petróleo são hidrocarbonetos (compostos por átomos de carbono e

16

Page 17: Apostila de Operações Unitárias

hidrogênio), sendo os mais leves formados por pequenas moléculas, como, por exemplo, o etano (C2H6), e os mais pesados contendo até 70 átomos de carbono. A destilação acontece justamente por essa diferença de tamanho das moléculas, quanto menor a molécula de hidrocarboneto, menor é a sua densidade e temperatura de evaporação.

Os vários componentes do petróleo bruto têm tamanhos, pesos e temperaturas de ebulição diferentes. Por isso, o primeiro passo é separar esses componentes. E devido à diferença de suas temperaturas de ebulição, eles podem ser facilmente separados pelo processo de destilação fracionada.

Passos da Destilação do Petróleo:

1- Aquecer a mistura de duas ou mais substâncias líquidas de diferentes pontos de ebulição a alta temperatura. O aquecimento costuma ser feito com vapor de alta pressão para temperaturas de cerca de 600ºC.

2- A mistura entra em ebulição formando vapor (gases). A maior parte das substâncias passa para a fase de vapor.

3- O vapor entra no fundo de uma coluna longa (coluna de destilação fracionada) cheia de bandejas ou placas.

3.1- As bandejas ou placas possuem muitos orifícios ou proteções para bolhas a fim de permitir a passagem do vapor,

3.2- As placas aumentam o tempo de contato entre o vapor e os líquidos na coluna,

3.3- elas ajudam a coletar os líquidos que se formam nos diferentes pontos da coluna,

3.4- há uma diferença de temperatura pela coluna (mais quente embaixo, mais frio em cima)

4- O vapor sobe pela coluna.

5- Conforme o vapor sobe pelas placas da coluna, ele esfria.

6- Quando uma substância na forma de vapor atinge uma altura em que a temperatura da coluna é igual ao ponto de ebulição da substância, ela condensa e forma um líquido. A substância com o menor ponto de ebulição irá se condensar no ponto mais alto da coluna. Já as substâncias com pontos de ebulição maiores condensarão em partes inferiores da coluna.

7- As placas recolhem as diferentes frações líquidas.

8- As frações líquidas recolhidas podem:

8.1- passar por condensadores, onde será resfriado ainda mais, e depois ir para tanques de armazenamento;

8.2- ir para outras áreas para passar por outros processos químicos, térmicos ou catalíticos.

Através do quadro abaixo é possível ter uma idéia do que é o destilamento do petróleo, e como os diferentes subprodutos vão sendo obtidos a partir do aumento de temperatura:

17

Page 18: Apostila de Operações Unitárias

Nas refinarias, o petróleo é submetido a uma destilação fracionada, sendo o resultado desse processo separado em grupos. Nesta destilação encontramos os seguintes componentes:

De 20 a 60 °C → éter de petróleo. De 60 a 90 °C → benzina. De 90 a 120 °C → nafta. De 40 a 200 °C → gasolina. De 150 a 300 °C → querosene. De 250 a 350 °C → gasóleo (PT) ou óleo diesel (BR). De 300 a 400 °C → óleos lubrificantes Resíduos → asfalto, piche e coque. Subprodutos → parafina e vaselina.

Utilização de cada um dos subprodutos do Petróleo

→Gás de petróleo: dá origem ao gás de cozinha.

→Gasolina: usada como combustível de motores automotivos.

→Querosene: combustível próprio para aviões.

→Diesel: é o combustível de ônibus, caminhões, tratores.

→Lubrificante: aplicado em máquinas e peças para aumentar a vida útil desses equipamentos.

→Óleo: também chamado de óleo combustível, é ele o responsável pela movimentação de navios.

→Asfalto: este é o último produto a ser fracionado, e apresenta aspecto denso, é usado na pavimentação de ruas e estradas.

A destilação fracionada é útil para separar uma mistura de substâncias com diferenças pequenas em seus pontos de ebulição sendo uma etapa muito importante no processo de refino.

Poucos compostos já saem da coluna de destilação prontos para serem comercializados. Muitos deles devem ser processados quimicamente para criar outras frações. Por exemplo, apenas 40% do petróleo bruto destilado é gasolina.

18

Page 19: Apostila de Operações Unitárias

No entanto, a gasolina é um dos principais produtos fabricados pelas empresas de petróleo. Em vez de destilar continuamente grandes quantidades de petróleo bruto, essas empresas utilizam processos químicos para produzir gasolina a partir de outras frações que saem da coluna de destilação. É este processo que garante uma porção maior de gasolina em cada barril de petróleo bruto.

ABSORÇÃO

Absorção é um fenômeno ou processo físico ou químico em que átomos, moléculas ou íons introduzem-se em alguma outra fase, normalmente mais massiva, e fixam-se. O processo pode se dar pela fixação de um gás por um líquido .

É uma operação que consiste na transferência de um componente de uma fase gasosa para uma líquida, na qual é solúvel. A absorção realiza-se fazendo passar o gás através de uma coluna de enchimento sólido que serve de suporte à fase líquida. Na absorção as partículas absorvidas difundem-se através de todo o volume da substância absorvente (líquida). Esta operação utiliza-se na preparação de soluções de gases, como o ácido clorídrico, amoníaco, água de cloro e monóxido de carbono.

A substância absorvida se infiltra na substância que absorve, diferentemente da adsorção, já que espécies químicas submetidas a absorção são absorvidas pelo volume, não pela superfície (como no caso de adsorção).

***Adsorção. Na adsorção um componente de uma corrente gasosa é removido pela sua aderência a uma superfície sólida adsorvente.

Em termos de aplicações industriais, pode-se citar diversos exemplos de absorção, tais como na purificação de gases de combustão, remoção de CO2 na fabricação de amônia, recuperação de solutos (SO2, acetona, HCl, etc.) em processos diversos. A absorção de gases é fundamental no processo de contato, na produção de ácido sulfúrico.

19

Page 20: Apostila de Operações Unitárias

Coluna de absorção laboratorial. 1a): entrada de CO2; 1b): entrada de H2O; 2): saída; 3): coluna de absorção; 4): enchimento.

EXTRAÇÃO

Extração líquido-líquido (ELL), também conhecida como extração por solvente e partição, é um método para separar compostos baseado em suas diferentes solubilidades em dois líquidos diferentes imiscíveis, normalmente água e um solvente orgânico. É um processo de separação que objetiva a extração de uma substância de uma fase líquida em outra fase líquida. Extração líquido-líquido é uma técnica básica em laboratórios químicos, onde é realizada usando-se um funil de separação. Este tipo de processo é comumente realizado após uma reação química como parte de work-up (rotina de trabalho em laboratório de química visando isolar e purificar o produto de uma reação química).

Em outras palavras, é a separação de uma substância de uma mistura por preferencialmente dissolver esta substância em um solvente adequado. Por este processo, um composto solúvel é normalmente separado de um composto insolúvel. Extração de solvente é utilizado no reprocessamento nuclear, processamento de minérios, a produção de compostos orgânicos finos, o processamento de perfumes e outras indústrias.

Por exemplo, em uma situação onde temos dois líquidos, A e B, miscíveis entre si, e queremos separar A de B, podemos usar um terceiro líquido, C, que seja mais miscível com A do que com B. A separação entre o extrato, A e C, e o rafinado, A e B, é feita com uma ampola de decantação ou um funil separador, em escala laboratorial, e em equipamentos de extração industriais como colunas de extração ou misturadores-decantadores. O rafinado pode ser mais purificado com etapas adicionais sucessivas de extração líquido-líquido. A recuperação de A a partir do extrato é geralmente feita por destilação.

Extração líquido-líquido é possível em sistemas não aquosos: Em um sistema consistindo de um metal fundido (ou líquido) em contato com sal fundido, metais podem ser extraídos de uma fase para a outra. Isto é relacionado ao eletrodo de mercúrio, onde um metal pode ser reduzido, o metal irá frequentemente dissolver-se no mercúrio formando uma amálgama que modifica grandemente sua eletroquímica. Por exemplo, é possível para cátions sódio serem reduzidos em um cátodo de mercúrio para formar amálgama de sódio, enquanto em um eletrodo inerte (tal como a platina) os cátions sódio não são reduzidos. Em vez disso, água é reduzida a hidrogênio. Um detergente ou sólido fino pode ser usado para estabilizar uma emulsão, ou uma terceira fase.

Utilização

A ELL (extração líquido-líquido) ou extração é empregada como alternativa a outros processos de separação, quando estes não são recomendáveis ou não são viáveis. Desta forma, aparece como alternativa a processos como a destilação de componentes com volatilidades relativas muito próximas e a destilação de componentes termo-sensíveis.

20

Page 21: Apostila de Operações Unitárias

Vantagens

Processo realizado à temperatura ambiente ou temperatura moderada; Possibilidade de utilização de solventes com boa capacidade de extração ou seletivos; Possibilita controle de pH, força iônica e temperatura, de forma a evitar a desnaturação

de enzimas e proteínas (sistemas aquosos bifásicos de biomoléculas);

Desvantagem

A ELL gera produtos intermediários (transfere-se o soluto A do solvente B para outro solvente C) e portanto será necessário utilizar um outro processo posteriormente (destilação, evaporação) para obter o soluto A, livre do solvente C.

BIBLIOGRAFIA

l. Unit. Operations of Chemical Engineering - McCabe, Smith, Harriott, Fourth Edition, McGraw-Hill,1985.

2. Princípios as Operações Unitárias - Foust, Wenzel, Clump, Maus, Andersen. 2ª ed., Guanabara Dois,1982.

3. Mass-Transfer Operations - Robert E. Treybal, Third Edition, McGraw-Hill, 1980.

4. Tecnologia Química - Operações Unitárias, vol II - Coul son e Richadson, Fundação Calouste Gulbenkian, 1968.

5. Equilibrium Staze Separation Operations in Chemical engineering. E. D. Henley; J. & Seader, John Wiley, 1981.

21

Page 22: Apostila de Operações Unitárias

6. Procesos de Separación, C. D. King, Editorial Reverté, 1980.

7. Manual de Operações Unitárias - Blackadder, Nedderman, Nemus, 1982.

8. Introduction to Industrial Drying Operations - Keey, R.B., Pergamon Press, 1978.

22