OPERAÇÕES UNITÁRIASOPERAÇÕES UNITÁRIAS

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1 S1 SISTEMASISTEMAS DEDE U UNIDADESNIDADES

0.1 Grandezas Físicas e Unidades de Medidas:

As Grandezas Físicas são características próprias dos corpos. Qualquer corpo tem sua própria massa, ocupa um certo volume, sofre ação de forças diversas podendo ser acelerado por elas, atingindo uma certa velocidade, etc.

Existem as Grandezas Físicas Fundamentais como massa, comprimento e tempo e as Grandezas Físicas Derivadas que são definidas a partir das fundamentais como velocidade, pressão, etc.

0.2 Unidades de Medidas:

Unidades de Medidas são padrões arbitrários usados pelo homem com o objetivo de medir as grandezas físicas como hora e segundo para a grandeza tempo. Já o comprimento pode ser medido em metros, pés, milhas, etc.

As unidades de medidas DE UMA MESMA GRANDEZA podem ser relacionadas entre si através de fatores de conversão.

Exemplo: 1 m = 3,281 ft

Obs.: Unidades de medidas de grandezas físicas diferentes não podem ser adicionadas, subtraídas, etc. Assim, a operação 1 ft + 1 h não tem significado pois não podemos somar dimensões de comprimento e tempo. Já 1 hp + 300 w podem ser somados pois ambos tem unidades de potência (energia por unidade de tempo). Como estas unidades são diferentes, necessitamos de um fator de conversão:

1 hp = 746 w

1 hp + 300 w = 746 w + 300 w = 1046 w

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A Segunda Lei de Newton relaciona as quatro grandezas fundamentais (massa, comprimento, tempo e força) de modo que fixando-se três dimensões, a Quarta estará automaticamente fixada. Assim, a fixação da unidade de massa implica na fixação da unidade de força e vice-versa.

F = m x a

Massa em kg → Força em N

Massa em lbm → Força em poundal

Força em kgf → Massa em utm

Força em lbf → Massa em slug

As Unidades de Medidas pertecem a Sistemas de Unidades que se caracterizam pelas dimensões adotadas como fundamentais

Os principais Sistemas de Unidades com algumas unidades de medidas importantes estão mostrados no quadro a seguir:

Sistema Grand. Fund.

L M T F Pressão

SI MLT m kg s Newton N/m2

CGS MLT cm g s dina dina/cm2

Inglês Absoluto MLT ft lbm s poundal poundal/ft2

Met. Especial FLT m utm s kgf Kgf/m2

Inglês Eng. FLT ft slug s lbf lbf/ft2

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Americano de Engenharia

MFLT ft lbm s lbf lbf/ft2

Métrico prático MFLT m kg s kgf kgf/m2

Obs.: A unidade de pressão no SI (Sistema Internacional) N/m2 é conhecida como Pascal ( 1 Pascal = 1 N/m2) .Em situações práticas, é mais conveniente expressar as unidades de pressão dos Sistemas Métrico Especial e Inglês de Engenharia em kgf/cm2 e lbf/in2 (pound square inch - psi), respectivamente.

0.3 Unidades de Concentração:

As unidades que expressam a concentração de uma dada substância numa mistura são de grande importância no cálculo de balanços materiais, expressão de resultados de análises, cálculo de processo e engenharia etc. As mais usuais são:

a) % em peso:

É a relação entre a massa de determinado componente e a massa total da mistura. O cálculo da % em peso de um componente A qualquer numa mistura é dado por:

100*%T

AA M

M=

onde MA é a massa do componente a e MT é a massa total da mistura.

b) Fração Molar e % molar:

É a relação entre o número de moles de determinado componente e o número de moles total da mistura. O cálculo da % molar e da fração molar de um componente A qualquer numa mistura é dado por:

T

AA n

nX = e 100*%

T

AA n

n=

Onde XA é a fração molar do componente A na mistura e nA e nT são, respectivamente, o número de moles do componente A e o número de moles total da mistura. O número de moles de um dado composto em uma mistura é dado pela razão entre a sua massa e o seu peso molecular. Por exemplo, o número de moles de 92 kg de etanol (C2H6O) é de :

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n = 92/46 = 2 kmoles, sendo 46 o peso molecular do etanol.

c) Parte por milhão (ppm):

Representa a concentração de uma parte da substância que se quer analisar em um milhão de partes do solvente. Assim é que no caso de análises de águas, por exemplo, 1 ppm de Cl- na água é igual a 1 mg de Cl- dissolvido em 1 litro de água pura pois:

ppmOHmg

Clmg

OHlitro

Clmg1

1000000

1

1

1

22

==−−

Obs.: 0,05 ppm de água em ACRILONITRILA (densidade = 0,812) não eqüivale a 0,05 mg de água por litro de ACRILONITRILA pois:

lmg

NAmg

OHmg

NAlitro

OHmgppm 04,0

1000000

05,0

23,1

05,005,0 22 ===

Exercícios:

1. Uma mistura é constituída de 30kg de butano, 20kg de pentano, 1kg de hexano e 300g de água. Expressar a composição desta mistura em % peso e fração molar.

2. 170 kg de uma mistura constituída de propano (C3H8), butano (C4H10) , metano (CH4) e etano (C2H6) apresenta a fração molar: prop (10%) but (20%) e met (30%). Expressar a composição em % peso e quantidades de cada substância, em kg.

3. Se um avião viaja a uma velocidade de 2200 ft/s, qual sua velocidade em km/h?

4. Transformar 400 in3/dia para cm3/min.

5. Qual a concentração de água em mg/l numa mistura com etanol (d=0,8) que contém 100 ppm de água?

Como fazer interpolações:

X: 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Y: 220 340 470 580 690 780 890 965 1010

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QQUALUAL OO VALORVALOR DEDE Y Y QUEQUE CORRESPONDECORRESPONDE AOAO VALORVALOR DEDE X X IGUALIGUAL AA 57 ? 57 ?

CCÁLCULOÁLCULO: 57 – 50 = 60 – 57: 57 – 50 = 60 – 57

Y – 580 690 – YY – 580 690 – Y ⇒⇒ 7 * 690 – 7 Y = 3 Y – 3* 580 7 * 690 – 7 Y = 3 Y – 3* 580 ⇒⇒ Y = 657 Y = 657

Propriedades Físicas dos Fluidos:

0.4 Massa, Peso e Volume específicos:

A Massa Específica (ρ ) de uma substância é a massa por unidade de volume. As unidades mais usadas para expressar a massa específica são:

g/cm3,kg/m3 e lbm/ft3

A água, a 4oC, tem uma massa específica de 1 g/cm3 ou 62,4 lbm/ft3.

A massa específica dos líquidos depende da temperatura e para efeito de aplicações práticas considera-se que independe da pressão. No caso dos gases, a massa específica varia com a temperatura e a pressão.

O Peso Específico (γ ) representa o peso da substância por unidade de volume. As unidades mais utilizadas são:

Kgf/m3 e lbf/ft3.

Para uma mesma vazão, os líquidos com elevado peso específico consomem mais energia nas transferências por bombeamento.

Já o Volume Específico (ν ) representa o inverso da massa específica, ou melhor, é o volume ocupado por unidade de massa da substância. As unidades usuais são:

m3/kg e ft3/lbm

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Vapores e gases com volume específico elevado necessitam de linhas com maior diâmetro para o seu escoamento.

0.5 Densidade:

É definida como a massa específica ou peso específico da substância dividido pela massa específica ou peso específico da água. A densidade é um número admensional. É comum referir-se à densidade tomando por base o peso específico da água a 4oC (1g/cm3 ). Neste caso, a densidade torna-se numericamente igual ao peso específico.

Por exemplo, o ácido benzóico tem densidade 1,316 28oC/4oC significando que seu peso específico foi medido a 28oC e o da água a 4oC.

No caso de gases, a densidade é referida em relação ao ar nas mesmas condições de temperatura e pressão.

0.6 Ponto de Fulgor:

É a temperatura mais baixa na qual uma substância vaporiza em quantidade suficiente para formar uma mistura com o ar capaz de inflamar-se quando, momentaneamente, passa-se sobre ela uma pequena chama. Esta é uma propriedade importante inclusive para determinar as condições de segurança na estocagem e no manuseio de produtos.

0.7 Viscosidade:

É a propriedade pela qual o fluido oferece resistência ao escoamento. Nos líquidos a viscosidade é reduzida com o aumento da temperatura porque, neste caso, a viscosidade é determinada pela força de coesão entre as moléculas a qual diminui com o aumento da temperatura. Para os gases, a viscosidade aumenta com a temperatura aparentemente porque a viscosidade está ligada à atividade molecular à qual é aumentada com a temperatura.

Existem dois tipos de viscosidade:

- a viscosidade absoluta ( µ ) cuja unidade mais comum é:

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poise = 100 centipoise = g/cm.s = dina.s/cm2 (sistema CGS).

- a viscosidade cinemática ( δ ) que é igual á viscosidade absoluta dividida pela massa específica. A sua unidade no sistema CGS é o stoke = cm2/s = 100 centistokes.

0.8 Pressão de Vapor de Substâncias Puras e Misturas:

As moléculas de um líquido estão em movimento constante e suas velocidades são determinadas pela temperatura do líquido. Assim, as moléculas estão colidindo uma com as outras e, como conseqüência, algumas alcançam, momentaneamente, velocidades acima da velocidade média das outras moléculas. Se isto ocorre com moléculas próximas à superfície do líquido, elas podem projetar-se da superfície do líquido e escapar transformando-se em moléculas de vapor.

Se o sistema for fechado, haverá uma contínua passagem de moléculas da fase líquida para a fase vapor e, ao mesmo tempo, parte das moléculas retornam da fase vapor ao líquido. Quando o número de moléculas que escapam do líquido é igual ao número de moléculas que retornam, atinge-se uma situação de equilíbrio entre as fases e a pressão desenvolvida pela fase vapor é chamada de PRESSÃO DE VAPOR. Para substâncias puras, a pressão de vapor é função somente da temperatura.

Para misturas de líquidos miscíveis, a pressão de vapor desenvolvida depende, além da temperatura, da composição da mistura. Para uma dada temperatura, quanto maior a concentração do componente mais volátil na mistura, maior a pressão de vapor desenvolvida.

0.9 Coeficiente de Expansão volumétrica:

De uma maneira geral, os corpos quando aquecidos sofrem dilatação, isto é, aumentam de volume. Como a dilatação se dá em todas as direções, chama-se dilatação volumétrica ou cúbica. Assim, quando um líquido é aquecido, o seu volume aumenta, podendo causar transbordamento em recipientes abertos e ruptura ou sobrepressão quando confinados.

O volume final a ser atingido pelo líquido é dado pela fórmula:

Vf = Vo(1+Kv∆ T )

Vf = volume final do líquido;

Vo = volume inicial;

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Kv = coeficiente de dilatação cúbica;

∆ T = diferença de temperatura.

0.10 Calor Específico:

Para líquidos, o calor específico representa a quantidade de calor necessária para elevar de uma unidade de temperatura, uma unidade de massa da substância.

Para a água, o calor específico vale 1 kcal/kg oC. Isto significa que para elevar-se de 1 oC a temperatura de 1 kg de água, é necessário que se forneça 1 kcal de calor.

Note que quanto menor o calor específico de um líquido, mais fácil de aquecê-lo quando da adição de calor.

Exercícios:

1) Uma carreta de ÁCIDO SULFÚRICO é carregada com 25.000 litros. Qual o peso que a balança deverá acusar sabendo que a massa específica da substância é 1,83 g/cm3?

2) Uma carreta transporta 15 t de um produto cuja massa específica é 1,105 g/cm3. É possível descarregar todo o produto em um tanque com capacidade para 13000 litros?

3) A massa específica da água pura é de 1 g/cm3 e a do ácido sulfúrico 98% de pureza é de 1,83 g/cm3. A massa específica de uma mistura de ácido sulfúrico e água será de:

a) 1 g/cm3;

b) 1,83 g/cm3;

c) 2,83 g/cm3;

d) Qualquer valor entre 1 g/cm3 e 1,83 g/cm3 a depender da quantidade de ácido sulfúrico misturado à água.

4) A densidade do cloro gás em relação ao ar é de 2,50. Podemos afirmar que:

a) o cloro é mais pesado que o ar;

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b) o ar é mais pesado que o cloro;

c) nada podemos concluir pois o problema não informa a quantidade de cada gás.

d) Ambos possuem o mesmo peso específico.

5) Um tanque de estocagem de ÁCIDO NÍTRICO encontra-se com espaço vazio suficiente para receber mais 60 t. Por quanto tempo mais este tanque poderá receber produto, sem transbordar, considerando que a produção da planta é de 6.000 litros/hora de ÁCIDO, com massa específica de 1,05 g/cm3?

6) Um tanque que possuía capacidade para estocar 430 t de SODA CÁUSTICA 50% (massa específica 1,50 kg/litro) foi recuperado para ser utilizado na estocagem de Acrilato de Metila (densidade 0,96 30oC/4oC). Quantas toneladas de Acrilato de Metila podemos estocar?

7) Entamboramos 190 litros de ácido acético em um tambor cujo volume máximo é de 200 litros. Nesta oportunidade, madrugada, a temperatura ambiente era 15 oC. Se, no dia seguinte, a temperatura ambiente atingiu 35oC, o tambor transbordou? Coeficiente de dilatação volumétrica do produto: 0,00107/oC.

8) Calcular a massa específica do álcool etílico a 50oC sabendo-se que a 20oC é 0,790 g/cm3. KV = 0,0003 cm3/OC

9) A seguir, informamos as pressões de vapor (expressas em mmHg), em função da temperatura, para o hexano e o heptano.

T ( oC ) HEXANO HEPTANO

69 760 295

75 915 348

80 1060 426

85 1225 498

90 1405 588

95 1577 675

99,2 1765 760

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a) Qual o composto mais volátil?

b) Hexano à temperatura de 75oC e submetido a uma pressão externa de 1000 mmHg encontra-se em que estado?

c) Quais as temperaturas de ebulição do hexano e heptano puros à pressão atmosférica?

10) Consideremos duas substâncias A e B inicialmente à mesma temperatura de 30oC. O calor específico da substância A é 0,5 kcal/kg oC e da substância B é 0,6 kcal/kg oC. Se adicionarmos 10 kcal de calor às duas substâncias, qual a que atingirá maior temperatura?

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11 VAPOR DE ÁGUAVAPOR DE ÁGUA

Veremos inicialmente alguns conceitos preliminares:

1.1 Energia Cinética Interna:

É a energia do movimento ou velocidade moleculares. Quando a energia adicionada a uma substância aumenta o movimento ou velocidade das moléculas, a energia cinética interna da substância aumenta, aparecendo como elevação de temperatura.

1.2 Energia Potencial Interna:

É a energia de separação molecular ou configuração. É a energia apresentada pelas moléculas como resultado de sua posição em relação às demais.

1.3 Temperatura e Calor:

Temperatura é uma função da energia cinética interna e, como tal, é uma medida da velocidade molecular média.

Calor é definido como energia em trânsito de um corpo para outro como resultado de uma diferença de temperatura entre os dois corpos.

1.4 Entalpia:

A entalpia de uma substância a qualquer condição termodinâmica (pressão, temperatura) dada, é a soma de toda a energia que lhe é fornecida para levá-la àquela condição a partir de uma condição inicial arbitrariamente tomada como ponto zero da entalpia.

Por convenção, a entalpia da água é zero a 0oC e pressão atmosférica (água no estado líquido).

1.5 Calor Específico:

Conforme visto anteriormente, é a quantidade de energia, em kcal, necessária para mudar a temperatura de 1 kg de uma substância de 1oC. Para a água, o calor específico é de 1 kcal/kg oC.

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1.6 Calor Sensível e Calor Latente:

Quando o calor é adicionado à água à temperatura ambiente, por exemplo, a temperatura desta água sobe aproximadamente 1oC para cada kcal adicionada a 1 kg de água. O aumento de temperatura pela adição de calor pode ser percebido pelos nossos sentidos. Isto é chamado de calor sensível.

Se adicionarmos 99,1 kcal a 1 kg de água à temperatura de 0oC e pressão atmosférica, sua temperatura subirá até 100oC. A partir daí ela entrará em ebulição e, para qualquer outra adição de calor, não haverá aumento de temperatura e sim uma mudança de estado de líquido para vapor. O calor adicionado durante a mudança de estado não é percebido pelos nossos sentidos como um aumento de temperatura, ele fica escondido no vapor formado e é chamado calor latente.

Calor Sensível: Qs = m c ∆ T

Calor Latente: Ql = m ∆ H

Qs e Ql calor sensível e calor latente, respectivamente, em kcal;

m é a massa da substância em kg;

c é o calor específico da substância em kcal/kg oC;

∆ T é a variação de temperatura em oC;

∆ H é a entalpia de fusão ou vaporização em kcal/kg.

1.7 Temperatura de Saturação:

É a temperatura na qual um fluido muda da fase de líquido para a fase de vapor ou, inversamente, da fase de vapor para a fase líquida. A temperatura de saturação depende da pressão a qual o líquido está submetido. Por exemplo, se a água estiver submetida a uma pressão maior que a atmosférica, ela não entrará em ebulição a 100oC, mas a uma temperatura maior. Quanto maior a pressão à qual o líquido estiver submetido, maior será a temperatura de ebulição (a relação não é linear).

1.8 Líquido Sub-resfriado:

É a substância no estado líquido que está abaixo da temperatura de ebulição a uma dada pressão. Exemplo: H2O a 90oC e pressão atmosférica.

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1.9 Líquido Saturado:

É a substância no estado líquido que encontra-se na temperatura de ebulição a uma dada pressão. Para a água evaporar a 1 atm de pressão , ela necessita, antes, atingir a temperatura de 100oC.

1.10 Vapor Saturado Seco:

É a substância no estado vapor que encontra-se na temperatura de ebulição a uma dada pressão.

1.11 Vapor Úmido:

É o vapor d’água contendo uma certa quantidade de água no estado líquido. A qualidade do vapor úmido é dada pelo seu título que é o número que expressa a quantidade de vapor saturado seco existente no vapor úmido. Para a sua determinação deveremos fazer a relação entre a massa de vapor seco e a massa total do vapor úmido. É expresso em unidade decimal ou percentual.

avs

vs

mm

mX

+=

X = título do vapor

mvs = massa do vapor saturado seco;

ma = massa de água ou gotículas em suspensão no vapor.

1.12 Vapor Superaquecido:

É o vapor a qualquer temperatura acima da temperatura de saturação a uma dada pressão. A qualidade do vapor superaquecido é dada pelo grau de superaquecimento que informa quantos graus o vapor encontra-se acima da temperatura de saturação na sua pressão.

Tabela de Propriedades do Vapor Saturado

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Pressão (kgf/cm2)

Temperatura (oC) HIS (Kcal/kg) ∆ HVAP

(Kcal/kg)HVS (Kcal/kg) ν (m3/kg)

1,0 99,1 99,1 539,4 638,5 1,725

2,0 119,6 119,9 525,9 645,8 0,902

3,0 132,9 133,4 516,9 650,3 0,617

4,0 142,9 143,6 509,8 653,4 0,471

5,0 151,1 152,1 503,7 655,8 0,382

10,0 179,0 181,2 481,8 663,0 0,198

Hls é a entalpia do líquido saturado;

∆ Hvap é a entalpia de vaporização;

Hvs é a entalpia do vapor saturado;

ν é o volume específico.

Propriedades do Vapor Saturado:

- Possui uma relação constante entre pressão e temperatura. É possível controlar-se a temperatura de um processo atuando-se apenas sobre a pressão.

- É facilmente condensável, cedendo prontamente seu calor latente.

- Suas propriedades são bem conhecidas conforme indicado na tabela.

Propriedades do Vapor Superaquecido:

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- Não possui gotículas de água em suspensão. As gotículas de água são nocivas a equipamentos, tubulações, válvulas, turbinas pois provocam erosão.

- Por não provocar erosão, permite usarmos velocidades maiores no escoamento e, consequentemente, tubulações de menor diâmetro, representando menor investimento.

- Possui maior quantidade de calor que o vapor saturado de mesma pressão. Esta vantagem seria desprezada considerando-se que esta quantidade de calor deve ser adicionada na caldeira o que, em princípio, representaria maior gasto de combustível. Isto não traduz a verdade pois para se obter o vapor superaquecido apenas se fazem algumas passagens a mais nos gases de combustão através dos superaquecedores.

1.13 Vapor de Reevaporação:

Imaginemos uma fábrica consumindo 10 t/h de vapor a uma pressão de 7 kgf/cm2. Este vapor, se saturado, contém 660,8 kcal/kg (calor total). O vapor, após gerado, é enviado aos consumidores onde fornece seu calor latente. Após a condensação do vapor, os purgadores drenam o condensado, retirando-o dos equipamentos para dar lugar a novo vapor. Este condensado deixa o equipamento contendo todo o seu calor sensível. Esta quantidade de calor, de acordo com a tabela de vapor saturado, é de 171,3 kcal/kg a 7 kgf/cm2 . Após sua saída do equipamento, a pressão cai ou para a atmosférica ou para a pressão da linha de retorno de condensado. Vamos supor que o sistema de retorno de condensado esteja a 2,0 kgf/cm2 . O condensado nestas condições de pressão estará a 119,6oC e poderá conter apenas 119,9 kcal/kg. A 7 kgf/cm2 (antes do purgador) ele possuía 169,6oC e 171,3 kcal/kg. Esta diferença de calor, 51,4 kcal/kg, será responsável pela reevaporação de parte do condensado à saída do purgador. O vapor formado é conhecido como vapor flash ou vapor de descompressão.

Desta forma, podemos produzir vapor saturado de menor pressão a partir de condensado de maior pressão. Quanto menor a pressão de operação de um tambor de flash, maior será a quantidade de vapor produzida mas, o seu aproveitamento torna-se mais difícil por se tratar de vapor de menor temperatura.

No caso do exemplo anterior, a quantidade evaporada seria de :

(10.000 kg/h * 51,4 kcal/kg) / 645,8 kcal/kg (calor latente a 2,0 kgf/cm2) = 795,91 kg/h

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1.14 Redução da Pressão do Vapor:

Alguns equipamentos dentro de um processo industrial, podem necessitar consumir vapor a uma pressão inferior aos demais.

Neste caso, quando o vapor gerado estiver a uma pressão mais alta do que a necessária, é sempre interessante considerar a distribuição do vapor a alta pressão (menor diâmetro das tubulações) e reduzi-la próximo ao ponto de consumo.

Diz-se que o vapor, após uma válvula redutora de pressão, é superaquecido. Isto teoricamente é verdadeiro desde que o vapor a montante da válvula seja 100% seco, o que raramente ocorre. O vapor, em condições normais, é úmido e, neste caso, a redução de pressão servirá para melhorar a qualidade do mesmo. Vamos ver em detalhes como isto ocorre. Sabemos que praticamente a quantidade total de calor permanece a mesma na entrada e na saída da válvula. Assim, se o vapor a montante da válvula estiver a 10 kgf/cm2 de pressão absoluta, pela tabela de propriedades do vapor saturado verificamos que o vapor terá 663 kcal/kg de calor total e, como não haverá perda de calor no processo de redução de pressão, então teremos a mesma quantidade de calor na saída da válvula. Supondo que estejamos reduzindo a pressão para 3 kgf/cm2 absoluta, pela mesma tabela veremos que o calor total será de 650 kcal/kg e teremos 663 – 650 = 13 kcal/kg de superaquecimento. No entanto, supondo-se que o vapor a montante da válvula fosse 95% seco, a quantidade real de calor na entrada da válvula seria:

Q = 0,95 x ∆ Hvap + Hls

Q = 0,95 x 482 + 181 = 638 kcal/kg

Como já vimos, a 3 kgf/cm2 de pressão absoluta, o vapor saturado contém 650 kcal/kg de calor total, composto por 133 kcal/kg de calor sensível mais 517 kcal/kg de calor latente. Se a quantidade de calor total disponível era de 638 kcal/kg, então teremos 638 – 133 = 505 kcal/kg de calor latente. Teremos 505/517 = 0,98, isto é, vapor 98% seco na saída da válvula. Notamos que, com a redução de pressão, a qualidade do vapor foi melhorada em 3%. É importante observar ainda que, com a redução de pressão, haverá um acréscimo no volume específico do vapor sendo necessário, algumas vezes, alterar o diâmetro da tubulação a jusante da válvula redutora visando manter a mesma velocidade de escoamento.

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Exercícios:

1) Determine a quantidade de calor na entrada de uma válvula redutora de pressão de vapor, sabendo que necessita-se reduzir a pressão de 10 kgf/cm2 para 4 kgf/cm2 e que na montante o vapor é 92% seco.

2) Determine a entalpia do vapor saturado a 8 kgf/cm2. A seguir, calcule a quantidade total de calor entregue por 15 t/h desse vapor, em uma fábrica.

3) Defina vapor úmido e vapor superaquecido, diferenciando com exemplos.

4) Uma fábrica consome 20 t/h de vapor saturado à pressão de 5 kgf/cm2. O condensado é gerado a uma pressão de 2,0 kgf/cm2. Calcule a quantidade de condensado evaporada, em kg/h.

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22 EESTÁTICASTÁTICA DOSDOS F FLUIDOSLUIDOS

2.1 Pressão:

É definida como a força atuando por unidade de área. A pressão é diretamente proporcional à força aplicada.

As unidades de pressão mais utilizadas e respectivos valores de referência são:

1,033 Kgf/cm2 = 10 m.c. a = 760 mmHg = 13,56 lbf/in2 (psi).

- Pressão Atmosférica: é a pressão devida à ação da força-peso do ar atmosférico sobre a superfície terrestre. A altitude influi na pressão atmosférica.

- Pressão Relativa (manométrica): é uma medida de pressão que usa como base zero a pressão atmosférica. Como ela é relativa, podemos Ter valores positivos e negativos.

Positivos: pressões superiores à atmosférica;

Negativos: pressões inferiores à atmosférica (vácuo).

- Pressão Absoluta: esta medição usa como base zero a pressão nula, isto é, o chamado vácuo absoluto. Assim sendo, as medidas nesta escala são sempre positivas.

De acordo com as definições podemos concluir que:

Pressão Absoluta = Pressão Atmosférica + Pressão Relativa.

Obs.: se a pressão relativa for menor que a pressão atmosférica (vácuo) será expressa com valor negativo.

PRESSÃO P1

P. RELATIVA P1

P. ATMOSFÉRICA

(ZERO DA ESCALA RELATIVA)PRESSÃO P2 P. RELATIVA P2

PRESSÃO NULA

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P. ABSOLUTA P1

P. ABSOLUTA P2

Suponhamos que no exemplo acima, a pressão atmosférica seja de 760 mmHg, P1 seja 200 mmHg e P2 300 mmHg (relativas).

- P1 (relativa) = +200 mmHg;

- P1 (absoluta) = 760 + 200 = 960 mmHg;

- P2 (relativa) = - 300 mmHg;

- P2 (absoluta) = 760 - 300 = 460 mmHg.

2.2 Pressão dos líquidos em repouso;

Qualquer líquido quando se encontra contido em um recipiente, exerce uma pressão sobre as paredes e o fundo, bem como sobre qualquer corpo sólido nele colocado. A pressão em um determinado ponto desse líquido depende da distância vertical do ponto à superfície livre do líquido e do seu peso específico.

Chama-se superfície livre a superfície do líquido que está em contato com outro fluido (líquido ou gás). No repouso, a superfície livre de um líquido pode ser determinada por um plano horizontal.

Calcula-se a pressão num determinado ponto através da seguinte fórmula:

P = γ x h

P é a pressão num determinado ponto da massa do líquido;

γ representa o peso específico do líquido;

h é a distância vertical da superfície livre do líquido ao ponto considerado.

Esta pressão é exclusivamente devida ao líquido e não a fatores externos. Qualquer outra pressão exercida sobre o líquido devida a fatores externos deverá ser adicionada à pressão calculada. Por exemplo, a pressão P exercida no fundo de um recipiente aberto será:

P = Plíquido + Pambiente

Se quisermos saber a diferença de pressão entre dois pontos situados no interior de um mesmo líquido em repouso, usamos a fórmula: ∆ P = ∆ h x γ

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2.3 Princípio dos Vasos Comunicantes:

Interligando vários recipientes de diferentes formas, verifica-se que se um líquido for despejado em um deles, o nível alcançado será o mesmo em todos os outros.

Parece, à primeira vista, que na base do vaso B deveria haver pressão maior que na de A de modo que o líquido seria forçado de B para A.

A equação da hidrostática afirma que a pressão depende somente da profundidade abaixo da superfície e não da forma do recipiente. Desde que a profundidade do líquido seja a mesma em todos eles, a pressão na base de cada um será a mesma e o sistema estará em equilíbrio.

Exercícios:

1) Se a pressão relativa em um ponto for de 2,0 kgf/cm2 e a pressão atmosférica local for de 720 mmHg, qual será a pressão absoluta neste ponto?

2) Qual a pressão, em kgf/cm2, que equilibra uma coluna de mercúrio de 760 mm?

3) Em certo instante, o manômetro instalado no coletor de topo de uma coluna de destilação acusa um vácuo de 260 mmHg. Obter:

- a pressão relativa em kgf/cm2 e psig;

- a pressão absoluta em mca e psia.

4) Transformar 760 mmHg em mca.

21

A B

33 EESCOAMENTOSCOAMENTO DEDE F FLUIDOSLUIDOS::

3.1 Introdução:

O escoamento de qualquer fluido em uma tubulação resulta sempre em uma certa perda de energia do fluido, energia essa que é gasta em para vencer as resistências que se opõem ao escoamento. Essas resistências são de duas naturezas:

- resistências externas ao fluido resultante do atrito contra as paredes, mudanças de direção e turbilhonamentos conseqüentes;

- resistências internas ao fluido resultantes do atrito das próprias moléculas do fluido, umas com as outras.

As resistências externas serão tanto maiores quanto maiores forem a velocidade do fluido e a rugosidade das paredes e quanto menor for o diâmetro da tubulação. Por outro lado, as resistências internas serão tanto maiores quanto maiores forem a velocidade e a viscosidade do fluido.

Esta parcela de energia perdida, chamada de PERDA DE CARGA traduz-se em uma gradual diminuição da pressão do fluido que vai caindo ponto a ponto no sentido do escoamento (pressure drop).

Obs.: perda de carga em equipamentos (trocadores de calor, filtros, colunas de destilação, chaminés, etc.) é influenciada pelos mesmos fatores que a perda em tubulações e acessórios. Em alguns casos, a área livre para o escoamento torna-se bastante pequena (um filtro, por exemplo, possui pequena área para o escoamento, ocasionando elevada perda de pressão). Um trocador de calor também provoca elevadas perdas de pressão, pois é projetado para produzir turbulência no fluido, objetivando melhorar a troca de calor.

3.2 Classificação do Regime de Escoamento:

O escoamento de um fluido em uma tubulação pode ser laminar ou turbulento.

O escoamento é dito laminar quando todos os filetes líquidos são paralelos entre si e as velocidades em cada ponto não variam em direção e grandeza. Já no escoamento turbulento as partículas movem-se em todas as direções.

22

O fato de existirem dois tipos distintos de escoamento foi demonstrado por Reynolds que, através de experimentos, chegou a um número admensional para determinar o tipo de escoamento.

Obs.: Para Re<2300 o escoamento é considerado laminar; Para Re>4000 o escoamento é considerado turbulento e dentro deste intervalo é considerado transição.

Na prática, normalmente, o escoamento é turbulento, só sendo laminar quando temos velocidade de escoamento muito baixa e/ou fluidos muito viscosos. A viscosidade é determinada a partir da temperatura e do tipo de fluido (em anexo).

Exemplo de cálculo do número de Reynolds:

Dados: Tubulação de 6” sch 40, sob vazão de 72 m3/h, fluido com massa específica de 0,8 g/cm3 e viscosidade absoluta de 0,7 cp.

As unidades devem estar compatíveis, pois o Re é um número adimensional. Trabalhando com unidades de cm:

6” sch 40 Di =15,41 cm

A = π D2/4 A = 3,14 * 0,15412/4 = 0,01864 m2

V = Q/A = 72 m3/h / 0,01864 = 3862,4 m/h V = 3862,4 m/h / 3600 s/h = 1,07 m/s = 107 cm/s

Re = 15,41 * 107 * 0,8/0,7 = 1884,42

23

µρDV=Re

µρDV=Re

3.3 Vazões Mássica e Volumétrica:

Definimos vazão como a quantidade de substância que escoa na unidade de tempo. Existem dois tipos: vazão mássica (dimensão de M/T) e vazão volumétrica (L3/T).

T

mm =

•

A vazão volumétrica é bastante utilizada e suas unidades são m3/h, litros/s, ft3/s e gpm (galões por minuto). As unidades usuais de vazão mássica são kg/h e lbm/h.

Conhecendo-se a vazão volumétrica e a área transversal da tubulação, calcula-se facilmente a velocidade de escoamento:

A

QV =

Onde V é a velocidade de escoamento do fluido, Q é a vazão e A é a área de secção transversal da tubulação. Outra forma mais fácil de obtenção da velocidade é o uso da tabela padrão de velocidade (1 m/s) para vazões em função do diâmetro nominal e respectivas espessuras de tubulação (em anexo).

3.4 Equação da Continuidade:

Se considerarmos uma tubulação como a seguinte:

24

A2

Se o regime é permanente, então a vazão mássica na secção 1 é igual à vazão mássica na secção 2, ou seja:

m1 = ρ 1 x V1 x A1 e

m2 = ρ 2 x V2 x A2

Como m1 = m2 ⇒ ρ 1 x V1 x A1 = ρ 2 x V2 x A2

Se o fluido for incompressível então ρ = constante e a vazão volumétrica também será constante

Q = A1 x V1 = A2 x V2

3.5 Equação de Bernoulli:

Vamos considerar a figura seguinte representando o trecho de uma tubulação:

25

1

2

A1

V1 V2

Se P1, V1 e Z1, bem como P2, V2 e Z2 são, respectivamente, as pressões, velocidades e alturas nos pontos 1 e 2, então, considerando que não há perda de energia no escoamento do fluido, podemos escrever:

gzg

vPgz

g

vP

cc2

222

1

211

22++=++

ρρ

que é a equação de Bernoulli sendo ρ a massa específica do fluido e g a aceleração da gravidade e gc o fator de proporcionalidade..

Obs.: Todos os termos da equação de Bernoulli possuem dimensões lineares e são chamados isoladamente de carga e a soma deles de carga total.

26

3.6 Perda de Carga:

Até agora consideramos na equação de Bernoulli o líquido como um fluido perfeito. A situação real, entretanto, deve levar em conta as resistências ao escoamento e a perda de energia por atrito. Deveremos então inserir na equação um termo que considere esta perda. Assim:

bfcc

whgzg

vPgz

g

vP++++=++ 2

222

1

211

22 ρρ

hf representa a energia perdida pelo líquido durante o escoamento (perda de carga) e wb representa o trabalho adicionado ao sistema pela bomba.

A perda de carga de um sistema pode ser desmembrada em duas, chamadas de perda de carga por fricção ou normal e perda de carga por acessórios (válvulas, curvas, filtros, etc.) ou localizada.

Fatores que influenciam a perda de carga:

- comprimento e diâmetro da tubulação;

- rugosidade da tubulação;

- tempo de operação da tubulação;

- número de acessórios da tubulação;

- viscosidade e densidade do fluido;

- velocidade do fluido.

3.7 Cálculo da Perda de Carga por Fricção:

As equações utilizadas no cálculo da perda de carga por fricção são teórico-experimentais, obtidas a partir das experiências de cada pesquisador. Uma das mais utilizadas é a de Darcy - Weisbach:

hf representa a perda de carga na tubulação por fricção;

f é o fator de fricção (admensional); L é o comprimento total da tubulação; D representa o diâmetro interno da tubulação, encontrado via tabela (em anexo) ;

27

Dg

fLvh f 2

2

=

g

vKhl 2

2

=

V é a velocidade de escoamento do fluido; g é a aceleração da gravidade. O fator de fricção f é obtido através de fórmulas experimentais ou gráficos. No caso de escoamento em regime laminar:

Para escoamento turbulento, o fator de fricção depende do número de Reynolds e da rugosidade relativa (ξ /D) da tubulação. Pode ser determinado com o auxílio do Diagrama de Moody.

3.8 Cálculo da perda de Carga Localizada:

Existem dois métodos utilizados no cálculo da perda de carga localizada:

- método direto;

- método do comprimento equivalente.

No método direto, o cálculo é feito através da equação:

hl representa a perda de carga localizada;

K é um coeficiente determinado experimentalmente e é encontrado na literatura para diversos acidentes;

V é a velocidade de escoamento do fluido.

Já o método do comprimento equivalente consiste em determinar um comprimento reto de tubulação com a mesma perda de carga que o acessório considerado. Calculado o seu comprimento equivalente, o cálculo da perda de carga é feito como se a tubulação fosse um único trecho reto com um comprimento total igual ao comprimento reto adicionado ao comprimento equivalente de todos os acessórios utilizando-se a equação de Darcy vista anteriormente.

Exemplo: Imagine que uma tubulação de 4” sch 40 está instalada uma válvula do tipo globo cujo valor de L/D = 450, fator adimensional característico de cada acessório de tubulação. Assim, o L/D deve ser multiplicado pelo respectivo diâmetro interno em metros que, neste caso, é de 0,1023 m (4” sch 40). O cálculo fica, então: 450 * 0,1023 = 46,0350 m, ou seja, é como se a válvula correspondesse a um trecho de 46,035 m de comprimento de tubulação.

28

Re

64=f

4.8.1 Perda de Carga Localizada para expansões

A perda de carga localizada associada a uma expansão súbita pode ser calculada de acordo com as seguintes equações:

h = k (V1 – V2)2

2g

= k (1 – A1/A2)2 V12

2g

= k [1 – (D1/D2)2 ]2 V12

2g

= k [ (D2/D1)2 – 1]2 V22

2

Geralmente, o fator k é tabelado, podendo também ser calculado, assim: K = 3,5 ( tg θ /2 )1,22

Sendo θ o ângulo total cônico do expansor, em graus.

Exercícios:

1) Cite 5 fatores causadores de perda de carga, listando-os por ordem de importância.

2) Uma válvula possui fator K = 200. Se ela está instalada em uma tubulação de 4” sch 40 cuja vazão de processo é de 72 m3/h, determine a sua perda de carga equivalente.

29

D

1

D

2

V1 V2

3) Defina perda de carga.

4) Se um trecho de tubulação de 6” sch 80 possui 15 m de comprimento e apresenta 5 curvas de 90°, determine a sua perda de carga, sabendo que a vazão de processo vale 54 m3/h e que o fluido apresenta viscosidade de 0,8 cp e massa específica de 0,75 g/cm3.

5) Um fluido escoando em regime laminar apresenta as seguintes condições:

Diâmetro da tubulação = 4” sch 40

Massa específica = 0,98 g/cm3

Viscosidade = 0,75 cp

Velocidade = 1,34 m/s

Determine o correspondente fator de atrito para esse escoamento.

30

44 BBOMBASOMBAS C CENTRÍFUGASENTRÍFUGAS::

Bombas são equipamentos que conferem energia de pressão aos líquidos com a finalidade de transportá-los de um ponto para outro.

Nas bombas centrífugas, a movimentação do líquido é produzida por forças desenvolvidas na massa líquida pela rotação de um rotor. Este rotor é essencialmente um conjunto de palhetas ou de pás que impulsionam o líquido.

O rotor pode ser aberto, fechado ou semi aberto. A escolha do tipo de rotor depende das características do bombeamento. Para fluidos muito viscosos ou sujos usam-se, preferencialmente, os rotores abertos ou semi abertos. Nestes casos, os rotores fechados não são recomendados devido ao risco de obstrução.

Para uma bomba centrífuga funcionar é preciso que a carcaça esteja completamente cheia de líquido que, recebendo através das pás o movimento de rotação do impelidor, fica sujeito à força centrífuga que faz com que o líquido se desloque para a periferia do rotor causando uma baixa pressão no centro o que faz com que mais líquido seja admitido na bomba. O fluido a alta velocidade (energia cinética elevada) é lançado para a periferia do impelidor onde o aumento progressivo da área de escoamento faz com que a velocidade diminua, transformando energia cinética em energia de pressão.

As bombas centrífugas caracterizam-se por operarem com vazões elevadas, pressões moderadas e fluxo contínuo.

4.1 Fatores que influenciam as curvas características

− Rotação do impelidor (n) – ao alterar a rotação da bomba, a vazão, a altura manométrica desenvolvida e a potência absorvida variam de acordo com as relações:

3

11

2

1111

=∴

=∴=

n

n

P

P

n

n

H

H

n

n

Q

Q

− Diâmetro do impelidor (D) – para as bombas geometricamente semelhantes, a variação de D estabelece as seguintes relações:

31

5

2

1

2

1

2

2

1

2

1

3

2

1

2

1

=∴

=∴

=

D

D

P

P

D

D

H

H

D

D

Q

Q

quando a única variação ocorre no diâmetro do impelidor e se estas variações são pequenas valem as seguintes relações:

5

11

2

1111

=∴

=∴=

D

D

P

P

D

D

H

H

D

D

Q

Q

− Natureza do fluido – as curvas fornecidas pelos fabricantes referem-se à operação com água. Ao operar com fluidos mais viscosos, as curvas sofrem alteração no sentido de um aumento da potência absorvida e uma redução de H. a eficiência também sofre alteração.

− Tamanho e idade da bomba – bombas geometricamente semelhantes também são teoricamente semelhantes. Numa série de bombas semelhantes, as menores são menos eficientes devido o aumento relativo das rugosidades e das folgas e imperfeições. A idade provoca desgastes nas bombas alterando as suas curvas características.

4.2 Altura Manométrica do Sistema:

Uma bomba é instalada num determinado sistema para fornecer energia ao fluido de modo que ele possa vencer uma série de resistências que se opõem ao seu movimento ao longo do sistema.

A altura manométrica total (AMT) que são as resistências do sistema contra a qual a bomba deve operar, é formada dos seguintes itens:

- Altura manométrica estática (diferença de altura).

- Altura manométrica de pressão (diferença de pressão existente no líquido entre o ponto de sucção e o de descarga.

- Altura manométrica de velocidade;

- Altura manométrica de fricção.

32

A AMT de um sistema será calculada a partir da altura manométrica de sucção (hs) e da altura manométrica de descarga (hd).

aa

bb cc

ZZSS

ZZdd

PPdd

PPSS

g

VVPPH bcbc

2

22 −+−=γ

A altura manométrica de sucção hs é a carga estática de sucção menos as perdas de carga para a vazão

considerada

33

fss

sbb

s hP

Zg

VPh −+=+=

γγ 2

2

a

b

ZS

PPSS

A altura manométrica de descarga hd é a altura manométrica medida no bocal de descarga (a ser vencida pela bomba).

fdd

dcc

d hP

Zg

VPh ++=+=

γγ 2

2

b c

Zd

Pd

Altura manométrica total é a diferença entre as alturas manométricas de descarga e sucção, isto é, representa a energia que a bomba necessita suprir ao fluido para este vencer todas as resistências do sistema.

Assim, para cálculo da altura manométrica total de um sistema, devemos considerar todos os fatores:

AMT = ZD – ZS + PD – PS + VD2 – VS

2 + hf

γ 2g

4.3 Curvas Características de uma Bomba Centrífuga:

Todas as bombas centrífugas, operando a uma dada velocidade e com um determinado fluido, admitem uma série de curvas características, fornecidas pelos fabricantes, que descrevem seu funcionamento nas faixas de vazões e alturas manométricas para as quais foram projetadas. As curvas mais importantes são:

34

- Altura Manométrica ( H ) x Vazão ( Q );

- Potência Consumida ( P ) x Vazão ( Q );

- Rendimento Total ( η ) x Vazão ( Q );

- NPSH requerido ( NPSH ) x Vazão ( Q ).

Obs.: - Se uma bomba opera com a descarga bloqueada, a potência consumida não será transferida ao líquido sob a forma de trabalho mas sim, sob a forma de calor causando o aquecimento e danos às partes mecânicas da bomba.

− rendimento η de uma bomba é dado pela relação:

η = a potência cedida ao líquido/potência recebida do motor.

− A bomba deve ser projetada para trabalhar sempre próxima ao ponto de máxima eficiência. Se a bomba trabalha continuamente com vazões muito abaixo da vazão de máxima eficiência, além do elevado custo energético, existe um desgaste mecânico que diminui a vida útil do equipamento.

− A potência calculada em HP (horsepower) é função de diversos fatores, conforme mostrado na fórmula a seguir:

POT = γ * Q * H 1

102 η 0,746

Onde Q = vazão em m3/h;

H = altura manométrica total em m;

γ = peso específico do fluido bombeado em kgf/m3;

POT = potência em HP;

102 = fator de conversão

η = valor da eficiência em % (ex, se a eficiência é de 80%, então na fórmula deve constar 80)

35

As curvas características são válidas para uma dada bomba operando a uma velocidade fixa e com um rotor de determinado diâmetro. Existem certas relações, chamadas Relações Características, que permitem prever o que ocorrerá se forem modificados a velocidade ou o diâmetro do rotor de uma certa bomba. São elas:

- Variação na rotação:

• a vazão varia de modo diretamente proporcional;

• a AMT varia proporcionalmente ao quadrado da rotação;

• a potência consumida varia com o cubo da rotação.

- Variação no diâmetro do rotor:

• a vazão é diretamente proporcional ao diâmetro;

• a AMT é proporcional ao quadrado do diâmetro;

• a potência consumida varia com o cubo do diâmetro.

É importante lembrar que as curvas características das bombas na maioria das vezes vêm calculadas para água à temperatura ambiente e limpa. No caso de se estar transportando outro líquido, é necessário corrigir as curvas de acordo com a viscosidade do fluido, e a curva BHP x Q de acordo com o peso específico.

4.4 Ponto ótimo de trabalho de uma bomba

O ponto de operação de uma bomba centrífuga é definido como sendo a intersecção da curva H x Q do sistema com a curva H x Q da bomba. Portanto, o ponto de operação define a vazão no qual o sistema completo (vasos, tubulações e bomba) vai operar.

Se plotarmos as curvas características da bomba e a curva do sistema em um mesmo gráfico, obtermos o ponto te trabalho nas interseções destas curvas.

− A interseção da curva do sistema como a curva (H x Q da bomba) nos fornece Htrabalho e QTrabalho.

− A interseção da curva (H x Q)Bomba com a curva (η x Q)Bomba nos fornece o η Trabalho.

− A interseção da curva (H x Q)Bomba com a curva (Pot x Q)Bomba nos fornece o PotTrabalho.

36

QT

PotT

HT

ηT

H x Q sistema

η x Q

Pot x Q

H x Q bomba

Conforme ilustra a figura ao lado.

4.5 Saldo de Carga de Sucção - Cavitação:

Deve-se Ter sempre em mente que, em operações de bombeamento, a pressão em qualquer ponto da linha de sucção nunca deve ser menor que a pressão de vapor Pv do líquido bombeado na temperatura de trabalho, caso contrário haveria vaporização do líquido, com conseqüente redução da eficiência de bombeio. Neste caso, ocorreria cavitação no rotor da bomba pela implosão das bolhas de vapor. Este processo é acompanhado por elevado nível de ruído e vibração, e violenta corrosão das partes internas da bomba.

Deste modo, para evitar estes efeitos negativos, a energia disponível para levar o fluido do reservatório até o bocal de sucção da bomba deverá ser a altura manométrica de sucção hs menos a pressão de vapor (expressa como coluna líquida) do líquido na temperatura de bombeio. Esta energia disponível é chamada Saldo de Carga de Sucção (Net Positive Suction Head - NPSH) e é calculada como segue:

NPSHD = ZS + PS + PATM – PV + VS2 - hfS

γ 2g

É necessário estabelecer uma diferença entre NPSH disponível (NPSHD) e NPSH requerido (NPSHR); o primeiro é característica do sistema no qual a bomba opera, enquanto que o NPSH requerido é função da bomba em si, representando a energia mínima que deve existir entre a carga de sucção e a pressão de vapor do líquido para que a bomba possa operar satisfatoriamente.

37

Tanto o NPSH disponível quanto o requerido variam com a vazão do líquido; o NPSH disponível é reduzido com o aumento de vazão, devido ao aumento da perda de carga por atrito. O NPSH requerido, sendo função da velocidade do fluido no interior da bomba, aumenta com a vazão. Pelo que foi dito acerca do NPSH disponível e requerido, ficou claro que a bomba opera satisfatoriamente se:

NPSHD > NPSHR + 0,6 m

4.6 Associação de bombas

As bombas são associadas em série e paralelo. A associação de bombas em série é uma opção quando, para dada vazão desejada, a altura manométrica do sistema é muito elevada, acima dos limites alcançados por uma única bomba. Já a associação em paralelo é fundamentalmente utilizada quando a vazão desejada excede os limites de capacidade das bombas adaptáveis a um determinado sistema.

4.7 Principais aplicações das bombas.

As bombas são usadas nos mais diversos ramos da industria. As bombas podem ser utilizadas para transportar líquidos quentes e frios, com sólidos em suspensão ou não, também são usadas como bombas dosadoras em processos de controle onde estas adicionam mais ou menos constituintes de acordo com a operação as bombas estão visíveis nos processos industriais e as bombas centrífugas, mais especificadamente , nas industria petroquímica, devido a sua grande aplicabilidade. Sem as bombas, as industrias ficariam de braços cruzados

38

ASSOCIAÇÃO EM SÉRIE

Associação em Paralelo

para poderem realizar suas operações rotineiras, dependendo exclusivamente da ação da gravidade, que nem sempre é possível usar ou tecnicamente inviável.

Exercícios:

1) Tendo em vista a seguinte situação descrita na tabela abaixo, escolha uma das bombas para operação no sistema, ou sugira alterações no sistema para fins de uma possível utilização de uma delas.

BOMBA AMT NPSH POTÊNCIA

A 80 m 2,0 m 5 HP

B 85 m 2,5 m 10 HP

C 90 m 3,0 m 15 HP

SISTEMA 83,5 m 3,2 m 11 HP

2) Um operador observa que uma das bombas do processo sob sua responsabilidade encontra-se em cavitação. O que pode ter sido alterado nesse processo ? Justifique à luz da teoria sobre escoamento de fluidos.

3) Descreva o que ocorrerá com um processo caso a bomba nele instalada tenha o rotor substituído por um outro 25% maior.

4) Quando devem ser usadas bombas em série ? E em paralelo ?

5) Explique o que poderá acontecer, caso um sistema tenha a tubulação de descarga trocada de 3” para 4”. O que vai ocorrer com a AMT e a potência requerida ? Como isso afetará uma bomba atualmente instalada ?

39

55 TRANSMISSÃO DE CALORTRANSMISSÃO DE CALOR

5.1 Introdução

Na maior parte dos processos químicos há libertação ou absorção de calor e numa vastíssima gama de instalações industriais há que se aquecer ou resfriar fluidos.

Assim, em fornos, evaporadores, unidades de destilação, secadores e reatores químicos há a necessidade de se transmitir calor.

Alternativamente, pode ser necessário evitar a perda do calor de um recipiente quente ou de uma tubulação de vapor d’água.

O controle do fluxo de calor na condição desejada constitui um capítulo dos mais importantes das operações unitárias.

A transferência de calor é a ciência que trata das taxas de troca de calor entre um corpo quente denominado fonte e um corpo frio denominado receptor.

Existem três modos diferentes para a transmissão de calor de uma fonte para um receptor: condução, convecção e radiação.

40

A transmissão de calor

foi descrita como

estudo das taxas de

troca de calor entre

fontes e receptores de

calor. Os processo de

transmissão de calor

tratam sobre taxas de

troca da calor à

medida que ocorrem

no equipamento de

transmissão de calor dos processo químicos e da engenharia.Este tratamento focaliza melhor a importância da diferença de temperatura entre a fonte e receptor, que é, antes de mais nada, a força motriz que rege a transmissão de calor.

5.2 Transferência de Calor por Condução

Consideremos por exemplo um copo contendo leite até sua metade. Apesar de apenas a parte inferior do copo estar em contato direto com o leite, todo ele estará quente depois de decorridos alguns instantes.

Isto ocorre porque quando colocamos leite em contato com a parte interna do copo, esta adquire mais energia em virtude do recebimento de calor do leite. Esta energia acrescentada faz com as partículas vibrem com mais intensidade, transmitindo a energia adicional às partículas mais próximas, que também passam a vibrar mais intensamente e assim sucessivamente.

CONDUÇÃO É O PROCESSO DE TRANSMISSÃO DE CALOR ATRAVÉS DO QUAL A ENERGIA PASSA DE PARTÍCULA PARA PARTÍCULA SEM QUE AS MESMAS SEJAM DESLOCADAS.

41

5.3 Condução através de uma parede plana

Na condução ocorre a transmissão de calor através de um material fixo tal como a parede estática indicada na figura abaixo.

O fluxo de calor por hora é proporcional à variação de temperatura através da parede plana e à área da parede A. Se T fora temperatura em qualquer parte da parede e x for a espessura da parede na direção do fluxo de calor, quantidade de calor, quantidade de calor que flui será dada por:

x

TTkAQ

)( 12 −−=

k é a constante de proporcionalidade, uma propriedade de transporte denominada condutividade térmica, e é determinada experimentalmente.

As condutividades térmica dos sólidos são muito maiores que as dos líquidos, que, são muito maiores que as dos gases. É mais fácil transmitir calor através de um sólido do que através de um líquido e a que no gás.

42

Face QuenteFace Fria

Alguns sólidos, tais como, os metais, possuem condutividades térmicas elevadas e denominam-se condutores. Outros possuem baixas condutividades e são pobres condutores de calor; este são isolantes.

5.4 Condução através de uma parede mista

Quando a parede consiste de diversos materiais colocados juntos em série com na construção de um forno ou na câmara de combustão de uma caldeira. Diversos tipos de tijolos refratários são normalmente empregados, são mais frágeis e caros do que aqueles necessários nas proximidades da superfície externa, onde as temperaturas são consideravelmente mais baixas.

Fluxo de calor que entra pela face esquerda deve ser igual ao fluxo de calor que deixa a face direita, uma vez que o estado permanente exclui a possibilidade de acúmulo do calor.

43

++=∆= −

3

3

2

2

1

1

41 1

kx

kx

kxA

TTR

TQ

3

3

2

2

1

1R

TR

TR

TR

TQ ∆=∆=∆=∆=

Assim a taxa transferência de calor é de: KbxbKaxa

TTAQ

//

)( 12

+−−=

5.5 Condução através de um tubo

As condições de transferência de calor através de um tubo de parede espessa, quando se mantêm, constantes as temperaturas no interior e no exterior, estão representadas.

O fluxo de calor é dado por:

44

−−=

1

2

21

ln2

rrTT

lrkQ π

em que l é o comprimento do tubo.

5.6 Transferência de Calor por Convecção

Você já se perguntou por que numa sala de sauna o ar mais quente está na região de cima, embora a fonte de calor esteja na parte de baixo? O que ocasiona este fato?

Ar mais próximo da fonte de calor se aquece primeiramente ficando menos denso que o restante. Então ele sobe e o ar de cima, por estar mais frio e portanto, mais denso, desce, ocorrendo a troca de posição entre eles.

Assim, o calor está sendo transmitido a toda a massa de ar, devido ao movimento das massas de ar quente e frio. A esse movimento dá-se o nome de CONVECÇÃO.

Inversamente a sauna, o ar condicionado operam retirando calor de um ambiente. Porém eles causam melhor efeito quando colocados na parte superior da sala, porque desta forma provocam a convecção do ar, com a descida do ar frio e a subida do ar quente.

Algumas aplicações da convecção:

45

Num refrigerador, o congelador fica localizado na parte superior, pois o ar em contato com o mesmo sofre um resfriamento, provocando a subida do ar menos denso, formando assim correntes de convecção.

A retirada de gases residuais da combustão, pelas chaminés, é resultado das correntes de convecção.

A formação de brisas nas regiões litorâneas em parte se deve ao fato de o calor específico da areia ser bem menor que o da água. Durante o dia a areia se aquece mais rapidamente que a água, o ar acima da areia se expande, torna-se menos denso, sobe e é substituído pelo ar frio do mar, provocando portanto correntes de convecção. De noite o processo de inverte.

A transmissão de calor por convecção é devida ao movimento do fluido. O fluido frio adjacente a uma superfície quente recebe calor, o qual é transmitido para todo o volume do fluido frio misturando-se com ele.

A convecção livre ou natural ocorre quando o movimento do fluido frio não é incrementado por agitação mecânica. Porém, quando o fluido for agitado mecanicamente, o calor será transmitido por convecção forçada.

Este tipo de transmissão de calor pode ser descrito por uma equação que emita a forma da equação da condução e é dada por

A constante de proporcionalidade h é um termo que é influenciado pela natureza da agitação e deve ser avaliada experimentalmente. Esta constante denomina-se coeficiente de película. Temos ainda que Ts é a temperatura uniforme da superfície e T∞ é a temperatura do fluido que escoa sobre a superfície. Esta equação é chamada de Lei de Newton do Resfriamento. Os seguintes fatores interferem no coeficiente de película:

Viscosidade do fluido – o seu aumento reduz o valor de h

Vazão do fluido – o seu aumento aumenta o valor de h

Massa específica do fluido – o seu aumento aumenta o valor de h

Calor específico do fluido – o seu aumento aumenta o valor de h

46

( )∞−= TTAhQ S

47

48

5.7 Aplicação associada de condução e convecção

Na condução de calor numa parede plana, a temperatura é uma função exclusiva da coordenada x e o calor se transfere somente nesta direção. Na figura abaixo (a), uma parede plana separa dois fluidos em temperaturas diferentes. A transferência de calor ocorre por convecção do fluido quente a T∞,1 para uma face da parede a Ts,1, por condução através da parede, e por convecção da outra face da parede a Ts,2 para o fluido frio a T∞,2 .

A representação mediante circuitos elétricos proporciona um instrumento útil para conceituar e quantificar os problemas de transferência de calor. A taxa de transferência de calor é definida a partir de cada elemento do circuito, isto

é

49

AhkA

L

AhRtot

21

11 ++=

44

342312

11

4,1,

21

2)/ln(

2)/ln(

2)/ln(

21

LhrLkrr

Lkrr

Lkrr

Lhr

TTq

CBA

r

πππππ ++++

−= ∞∞

totx R

TTq 2,1, ∞∞ −

=

5.8 Transferência de calor em Aletas

Embora existam muitas situações diferentes que envolvem os efeitos combinados da condução e da convecção, a aplicação mais freqüente é aquela na qual uma aleta é usada especificadamente para aumentar a taxa de transferência de calor entre um sólido e o fluido adjacente.

São exemplos as aletas de resfriamento dos cabeçotes de motores de motocicletas e de aparadores de grama, o dos tubos aletados que se usam para promover troca de calor entre o ar e o fluido de operação de uma condicionador de ar. A figura abaixo mostra duas montagens comuns de tubos aletados.

50

Numa certa aplicação, a escolha de uma configuração particular de aletas pode depender de considerações de espaço, peso, a fabricação e o custo, e também da medida em que as aletas reduzem o coeficiente de convecção da superfície e aumenta a perda de carga associada ao escoamento sobre elas. Essas são algumas desvantagens associadas ao seu uso em trocadores de calor.

51

5.9 Transferência de calor por Radiação

A terra recebe energia emitida pelo sol, que passa pelo vácuo aquecendo-a.

Essa energia, que não necessita de meio

para se propagar, chama-se energia radiante.

A transmissão da energia radiante é feita

através de ondas eletromagnéticas que se

propagam no vácuo com a velocidade de 300.000

km/s.

Corpo que emite a energia radiante é

chamado de emissor ou radiador, o que recebe,

receptor. As ondas eletromagnéticas são formadas

por diversas ondas de freqüência diferentes,

chamadas de radiação. As mais comuns são:

Raios cósmicosRaios γRaios XRaios UltravioletaLuz visívelRaios infravermelhosMicroondasOndas de rádio e TV

52

Freqü

ên

cias

Decr

esc

en

tes

Das ondas eletromagnéticas, as que se transforma mais facilmente em calor quando absorvidas são as infravermelhas, também chamadas de ondas de calor.

A radiação é encarada como um fenômeno inerente somente a corpos quentes, luminosos. Vemos que não é bem assim, a radiação é um terceiro mecanismo de transmissão de calor, que difere da condução e convecção. Ambos os mecanismos necessitam da presença de um meio para conduzir o calor de uma fonte para um receptor. A transmissão de calor por radiação não necessita de um meio intermediário, e o calor pode ser transmitido por radiação através do vácuo.

A radiação envolve transmissão da energia radiante de uma fonte para um receptor. Quando radiação emana de uma fonte para um receptor, uma parte da energia é absorvida e outra parte é refletida pelo receptor. Com base na 2ª lei da termodinâmica, verifica-se que a taxa de produção de uma fonte é dada por

Esta relação é conhecida como a lei da quarta potência, na qual T é a temperatura absoluta. σ é a constante de Stefan-Boltzmann, porém ε é um fator peculiar a cada radiação e denomina-se emissividade. A emissividade, assim como a condutividade térmica k ou o coeficiente de transmissão de calor h, também deve ser determinada experimentalmente.

Na radiação, é necessário qualificar a condição sob a qual toda a radiação proveniente da fonte é completamente recebida pelo receptor. Isto ocorrerá quando dois planos radiante forem infinitamente grandes, de modo que a quantidade de radiação emitida pelas partes laterais da fonte e atinge as partes laterais do receptor seja insignificante. Se ambas as placas os planos forem corpos negros, a quantidade de calor transferida será:

onde o corpo negro é uma superfície ideal que tem como propriedades absorver toda radiação incidente, independentemente do comprimento de onda e da direção.

53

4ATQ σε=

)( 42

41 TTAQ −=σ

Caso os dois planos não sejam corpos negros e possuam emissividade diferentes, a troca de energia líquida será diferente. Alguma energia emitida pelo primeiro plano será absorvida, e a restante será irradiada de volta para a fonte, então, a quantidade de calor transferida será:

5.10 Trocadores de Calor

Os processos de troca térmica entre dois fluidos em diferentes temperaturas, e separados por uma fronteira sólida, é um processo comum em muitas aplicações da engenharia. O dispositivo usado para corporificar esta troca é o trocador de calor, que tem aplicações específicas no aquecimento e no resfriamento de ambientes, no condicionamento de ar, na produção de energia, recuperação de calor e no processamento químico.

Os trocadores ou permutadores de calor do tipo tubular constituem o grosso do equipamento de transferência de calor com ausência de chama, nas instalações de processos químicos.

O equipamento de transferência de calor pode ser identificado pelo tipo ou pela função. Quase todo tipo de unidade pode ser usado para efetuar qualquer ou todas estas funções. Abaixo, a tabela mostras as principais definições dos equipamento de troca térmica.

54

)(111 4

241

1

21

TTQ −

−+=

−

εε

55

Os principais tipos de trocadores de calor multitubulares são:

Permutadores com espelho flutuante. Tipo AES (a)

Permutadores com espelho fixo. Tipo BEM (b), o tipo mais usado que qualquer outro.

Permutadores com cabeçote flutuante e gaxeta externa. Tipo AEP (c)

Permutadores de calor com tubo em U. Tipo CFU (d)

Permutadores do tipo refervedor com espelho flutuante e removível pelo carretel. Tipo AKT (e)

Permutadores com cabeçotes e tampas removíveis. Tipo AJW (f)

56

57

58

Outros tipos de trocadores de calor para líquidos e gases são :

Tubos duplo – são sustados a muito temo, principalmente quando as velocidades de fluxo são baixas e as faixas de temperaturas são altas. Estes segmentos de tubos duplos são bem adaptados ao pequeno diâmetro, pois possibilitam o uso de pequenos flanges de seções com paredes delgadas, em comparação com o equipamento convencional multitubulado.

Trocadores com raspagem interna - este tipo de trocador tem um elemento rotativo munido de lâminas raspadoras montadas em molas, para raspagem da superfície interna. Os trocadores com raspagem interna são essencialmente convenientes para a transferência de calor com cristalização, ou transferência de calor em condições de pesada incrustações das superfícies; ou a transferência de calor em fluidos muitos viscosos. São usados, para cristalização, nas fábricas de parafina e nas fábricas petroquímicas.

59

Permutador do tipo placa – consiste em placas que servem como superfícies de transferência de calor e de uma armação que as suporta. As chapas são facilmente limpas e substituídas. A área necessária pode ser atingida pela adição ou subtração de chapas.

60

61

5.11 Dimensionamento Térmico de Trocadores de Calor

Uma diferença de temperatura cria a força motriz que determina a transmissão de calor de uma fonte a um receptor. Sua influência sobre um sistema de transmissão de calor, incluindo tanto como um receptor, é o objeto para o nosso estudo.

Os tubos concêntricos, mostrados abaixo, conduzem duas correntes, e, em cada uma destas duas, existe um coeficiente de película particular, e suas respectivas temperaturas variam da entrada para a saída. O escoamento em contracorrente possibilita a manutenção de gradientes térmicos ao longo de todo o trocador, sendo assim mais eficiente.

A fim de estabelecer a diferença de temperatura entre uma dada temperatura geral T de um fluido quente e uma temperatura t de um fluido frio, é necessário levar em consideração também todas as resistências entre as temperaturas. No caso de dois tubos concêntricos, sendo o tubo interno muito fino, as resistências encontradas

62

01

11

hk

L

hR

m

m ++=∑

são resistências peculiar do fluido do tubo, a resistência da parede do tubo Lm/km, e a resistência peculiar do fluido na parede anular. Uma vez que Q é igual a ∆ t/Σ R

É costume substituir 1/U por Σ R onde U denomina-se coeficiente total de transmissão de calor. Levando-se em conta que um tubo real possui áreas diferentes em suas superfícies interna e externa, hi e ho devem-se referir à mesma área de transmissão de calor. Se a área externa A do tubo interno for usada, então hi deveria possuir se ele fosse originalmente calculado com base na área maior A em vez de Ai, então

Considerando um sistema contracorrente temos, geralmente ambos os fluidos sofrem variações de temperatura que não são lineares quando as temperaturas são plotadas contra o comprimento. Entretanto, existe uma vantagem para uma dedução baseada numa curva de T – t contra L, uma vez que ela permita identificação da diferença de temperatura em qualquer parte ao longo do comprimento do tubo. Para dedução da diferença de temperatura entre dois fluxos, as seguintes hipóteses devem ser feitas:

o coeficiente total de transmissão de calor é constante em todo o comprimento da trajetória,

o calor específico é constante em todos os pontos da trajetória,

não existem mudanças de fase parciais no sistema e

as perdas de calor são desprezíveis; então

A equação geral de transferência de calor fica, então:

63

mlTAUQ ∆⋅⋅=

( ) ( )

∆

∆∆−∆=

−−

−−−==∆

1

2

12

12

21

1221

lnln tt

tt

tTtT

tTtTMLTDTml

0

111

hA

AhU ii

+=

Exercícios:

1) Uma face de uma placa de cobre de 3 cm de espessura é mantida a 400ºC e a outra face é mantida a 100ºC. Qual a taxa de transferência de calor por m2 através da placa ? Dados : K cobre = 370 W/m ºC a 250ºC .

2) Uma parede composta é formada por uma placa de cobre de 2,5 cm, uma camada de amianto de 3,2 mm e uma de fibra de vidro de 5 cm. A parede é submetida à diferença de temperatura de 560ºC. Calcule a taxa de calor por unidade de área da parede. Dados: K cobre = 370 W m –1 ºC –1 K amianto = 0,161 W m –

1 ºC –1 K fibra = 0,048 W m –1 ºC –1 .

3) Um tubo de aço de 5 cm de diâmetro externo é coberto com 6,4 mm de amianto, seguido de uma camada de 2,5 cm de fibra de vidro. A temperatura da parede do tubo é 315ºC, e a temperatura externa do isolamento é 38ºC. Calcule a temperatura da interface entre o amianto e a fibra de vidro. Dados: K amianto

= 0,166 W m –1 ºC –1 , K fibra vidro = 0,048 W m –1 ºC –1 .

4) Uma parede plana está exposta a uma temperatura ambiente de 200ºF (ver figura abaixo). A parede está coberta com uma fina camada de isolante , cuja condutividade térmica é de 0,3 Btu h –1 ft –1 ºF –1 e a temperatura da parede em contato com o

isolante é de 800ºF. A parede perde calor para o meio ambiente por convecção. Calcule o valor da espessura de isolante que deve ser aplicada,

sabendo que o coeficiente de película que deve ser mantido na superfície externa do isolante deve ser de 15 Btu h-1 ft-2 ºF-1 e que a temperatura externa do isolante não deve exceder a 140ºF.

P

A

R ISOLANTE

E

D

E

64

5) Diferencie os mecanismos de

transmissão de calor por condução e

convecção, quanto à eficácia.

6) Uma fonte radiante atravessa duas placas de

mesma emissividade. Em um dado momento,

uma das placas é trocada por outra de maior

emissividade. O que ocorrerá com a taxa de

transmissão de calor ?

7) Defina coeficiente de película. Como este

é afetado pelas variáveis do sistema ?

8) Aponte as desvantagens relativas ao uso

de aletas em trocadores de calor.

9) Entre dois trocadores de calor, com

correntes em paralelo e conjugadas, qual

você escolheria ? Justifique sua resposta.

10) Dadas as seguintes condições

existentes em um trocador de calor: TEFF

= 20oC, TSFF = 47oC, TEFQ = 80oC, TSFQ =

50oC, determine o valor da ∆ Tml .

65

66 DESTILAÇÃODESTILAÇÃO

A destilação como opção de um processo unitário de separação, vem sendo utilizado pela humanidade desde o período que passa pela era dos antigos alquimistas.

O que, como, quando e porque podemos utilizar esta operação é objeto de intenso estudo.

O enfoque do processo de destilação é centrado na busca pela eficiência e consequentemente redução de energia.

É objetivo desta parte da disciplina, capacitar estudantes do curso de química, nos processos produtivos de unidades purificadoras, através do melhor entendimento dos fenômenos observados.

6.1 Principais Definições

Temperatura de ebulição: temperatura na qual, a uma determinada pressão, uma substância experimenta uma mudança do estado líquido para o estado vapor.

Temperatura de ponto de bolha: temperatura na qual uma determinada mistura líquida apresenta a formação da 1ª bolha de vapor.

Temperatura de ponto orvalho: temperatura na qual uma determinada mistura gasosa apresenta a formação da 1ª gota de líquido.

* Obs: no caso de componentes puros o ponto de bolha coincide com o ponto de ebulição e o ponto de orvalho com o ponto de condensação.

66

Pressão Parcial: a pressão parcial de um gás num recipiente contendo uma mistura gasosa é definida como a pressão que esse gás exerceria se estivesse sozinho no recipiente.

Pressão de vapor: suponha um líquido num recipiente fechado. As moléculas do líquido estão em constante agitação e aquelas que se encontrarem na superfície livre tem um tendência natural de escaparem da fase líquida, formando uma fase vapor. Quando este fenômeno ocorre, um estado de equilíbrio é atingido, e, a pressão exercida pelo vapor formado é chamada de pressão de vapor do líquido a temperatura T, desde que a temperatura seja mantida constante.

Vácuo: ocorre quando a pressão de um determinado meio é menor que a pressão externa a ele. (geralmente essa pressão externa é a atmosférica, ou seja 1 atm).

Calor: é a energia térmica em trânsito, que é transferida entre os corpos, a diferentes temperaturas.

Calor latente: é o calor envolvido na mudança de estado físico numa dada pressão sem alterar a temperatura de uma unidade do fluido.

Calor sensível: é o calor responsável pelo aquecimento ou resfriamento de uma dada massa de fluido.

Estado gasoso: observado quando existe uma baixa atração intermolecular, permitindo movimentação rápida e independente entre as moléculas.

Estado líquido:caracterizado por possuir um estado intermediário de interação molecular, entre o gás e um sólido.

Estado sólido: alta interação entre suas moléculas e forma definida.

Vapor saturado: é o vapor que em determinadas condições de temperatura e pressão se encontra com sua fase líquida, o chamando equilíbrio líquido-vapor.

Vapor superaquecido: é o vapor saturado seco fora da fase de equilíbrio, estando numa temperatura superior a temperatura de saturação (ebulição).

Líquido saturado: é o líquido que em certas condições de pressão e temperatura se encontra em equilíbrio com a sua fase vapor.

Líquido subresfriado: é o líquido que sob certas condições de pressão se encontra fora da fase de equilíbrio estando numa temperatura de saturação.

67

Equilíbrio líquido-vapor (ELV): uma mistura líquida está em equilíbrio com seu vapor quando o nº de moléculas do estado líquido que passa para o vapor é igual ao nº de moléculas do estado vapor que passa para o líquido.

Entalpia: é o calor absorvido ou liberado a pressão constante. Como entalpia é uma função de estado, seu valor depende somente do conteúdo de calor dos estado inicial e final.

68

Mudança de FaseMudança de Fase

69

6.2 Destilação - Conceitos

Conceito: é uma operação que visa separar os componentes de uma fase líquida através de sua vaporização parcial. Os vapores são mais ricos nos componentes mais voláteis do que no liquido, o que possibilita a separação de frações enriquecidas nos componentes desejados.

Este processo de separa de líquidos é uma das operações básicas mais importantes da indústria , que possibilita separa os componentes de uma mistura líquida na forma de substâncias puras.

Processo: as operações de destilação realizam-se em estágios nos quais duas correntes (um líquido e um vapor) entram em contato para produzir duas outras corrente cujas composições diferem das originais.

De um modo geral, o vapor que sai de um estágio acha-se enriquecido nos componente mais voláteis. O líquido por sua vez, sai com menor quantidade de voláteis do que o líquido alimentado.

6.3 Curvas de Equilíbrio

Os cálculos de destilação ficam mais simples quando os dados de equilíbrio são postos numa curva y vs x, denominada curva de equilíbrio, onde y é a fração molar na fase vapor e x e a fração molar na fase líquida.

Podemos também utilizar a curva de equilíbrio no processo de destilação para determinar as condições de equilíbrio para cada prato.

Um dos métodos para calcular o nº de pratos teóricos necessários para realizar a separação, é o de McCabe-Thiele.

70

6.4 Parâmetros importantes

Azeotropia: propriedade na qual o líquido em ebulição de uma mistura, forma um vapor que tem exatamente a mesma composição, portanto não podendo separa os componentes desta mistura como o ponto de ebulição determinado:

azeótropo de mínimo ponto de ebulição : ocorre quando o azeótropo formado tem um ponto de ebulição menor que os dos componentes separadamente.

azeótropo de máximo ponto de ebulição : ocorre quando o azeótropo formado tem um ponto de ebulição maior que os dos componentes separadamente.

Volatilidade: é um parâmetro que indica a maior ou menor tendência de uma substância passar do estado líquido para o vapor. Portanto, quanto maios a pressão de vapor de uma substância maior é sua volatilidade, pois maior será a tendência de sua moléculas passarem do estado líquido para o estado vapor.

volatilidade relativa : é definida como a razão da volatilidade entre dois componentes.

71

6.5 Tipos de Destilação

Uma destilação pode ser conduzida de uma variedade de modos, cada um dos quais apresenta vantagem e desvantagens numa determinada situação particular. Observa-se, todavia, que os diversos modos de operar são modificações dos seguintes métodos que podem ser considerados fundamentais:

diferencial

de equilíbrio (FLASH)

por arraste de vapor

fracionada

extrativa

azeotrópica

6.5.1Destilação Diferencial

Esta operação também é conhecida como destilação Rayleigh ou simples, é descontínua. A carga é colocada no fervedor e aquecida até sua temperatura de ebulição. Imediatamente depois vapor formado através de um condensador. Tanto o vapor, que se encontra enriquecido no componente mais leve , como o líquido do refervedor podem ser o produto da operação.

A aparelhagem utilizada consta de um refervedor que vai vaporizando a carga, e de um condensador. No laboratório

esta operação é realizada num balão de vidro de pescoço curto no qual é adaptado o condensador.

72

6.5.2Destilação de Equilíbrio

É também chamada de destilação FLASH, podendo ser realizada em batelada ou em operação contínua. Este segundo modo de operar é mais freqüente.

A alimentação líquida pré-aquecida é alimentada num tanque de expansão, no qual uma parte do líquido vaporiza. O vapor produzido e o líquido não vaporizado são retirado continuamente do tanque logo que se forma.

Várias unidades do tipo descrito poderão ser utilizadas em série, de modo a ser realizada operação multiestágio a fim de aumentar a flexibilidade deste tipo de operação.

6.5.3Destilação por arraste

É um método variante de destilação simples, consiste em injetar vapor vivo no fervedor em vez de realizar o aquecimento através de um trocador.

O vapor que sai da mistura arrasta preferencialmente o componente mais volátil.

Este método é bastante comum, sendo conhecido também pelo nome de destilação com vapor.

Seu maior emprego é a vaporização de misturas com características desfavoráveis de transferência da calor ou de líquidos que se decompõem quando destilados normalmente à pressão atmosférica.

É utilizada para misturas líquidas insolúveis no solvente.

73

6.5.4Destilação Fracionada

As operações até agora descritas propiciam pouco enriquecimento do vapor produzido.

Na destilação fracionada opera-se com vaporizações e condensações sucessivas num equipamento de menor custo, conhecido como coluna de fracionamento.

Só poderá ser utilizada quando os componentes da mistura tiver pontos de ebulição bem diferentes.

As colunas de fracionamento podem ser:

pratos

recheio

Este tipo de destilação pode ser efetuada em batelada ou continuamente.

6.5.4.1Torres de Pratos

O contato líquido-vapor é feito em estágios, isto é, o vapor entra em contato com o líquido a intervalos determinados.

Tipos de Pratos:

perfurados

valvulados

Zonas de uma coluna:

zona de stripping ou esgotamento : são estágios nos quais a concentração de componentes menos voláteis estão na

corrente líquida, de maneira geral, a zona de stripping encontra-se abaixo do ponto de alimentação.

Zona de retificação ou enriquecimento : são estágios nos quais a concentração dos componentes mais voláteis estão na fase vapor, normalmente esta zona encontra-se acima do prato de alimentação.

74

75

6.5.4.1.1 Tipos de Fluxo em uma Bandeja

O fluxo em uma bandeja admite dos regimes diferentes: regime com formação de spray e formação de espuma.

Do ponto de vista do fluxo sob a bandeja, podemos ter:

fluxo cruzado : o líquido entra por um dos lados do prato, percorre- e desce para o prato inferior pelo outro lado.

fluxo dividido : é usado em torres de grande diâmetro, o líquido entra no centro e flui para extremidades, de onde cai para o prato inferior, onde o fluxo será das extremidades para o centro.

fluxo radial : proporciona boa distribuição, sendo utilizável em torres grandes; sua desvantagem é o alto custo inicial

fluxo cascata : é usado em torres de grande diâmetro, a fim de evitar o grande gradiente de altura de líquido, que seria prejudicial ao fracionamento, constrói-se o prato em degraus, evitando grandes variações de nível.

76

6.5.4.2 Coluna de Recheio

Torre de recheio: o contato entre o líquido-vapor é contínuo, ou seja, ao longo de todo equipamento não há espaço em que não haja o contato.

As colunas recheadas são preferidas nas operações em que colunas de diâmetros relativamente pequenos, inferiores a 500 mm, são suficientes para operar com a vazões desejadas de líquidos, ou nos casos em que se exige baixas quedas de pressão.

A transferência de massa entre as fases é promovida pelo recheio, o qual tem função de aumentar a superfície interna de uma coluna, permitindo o aumento de contato entre a fase líquida e gasosa.

A eficiência de uma coluna é associada do recheio, no qual se procura associar as seguintes características: área superficial versus volume.

77

6.5.4.2.1 Tipos de Recheio

Existe um grande número de tipos de recheios no mercado mundial, mas apenas um pequeno grupo é efetivamente usado. Os recheios podem ser classificados basicamente em dois grupos:

Randômicos: contituídos de peças de no máximo 90 mm, que são colocados ao acaso no leito para permitir uma distribuição desarrumada de seus elementos.

Aneis de raschig

Selas de Berl

Selas Intalox

Anéis de Pall

IMTP

Recheios Estruturados: são todos que podem ser colocados na torre de uma forma ordenada ou arrumada, sendo, por isto, muitas vezes, também chamado ordenados ou arrumados.

78

6.5.4.3 Acessórios

Condensadores: é o equipamento destinado a promover o refluxo através da coluna.

Condensador parcial: implicará sempre na caracterização da corrente de refluxo na condição de líquido saturado.

Condensador total: do ponto de vista da caracterização da corrente de refluxo e produto o condensador total será dimensionado com o objetivo de obter um líquido saturado ou subresfriado.

Refervedor: a fonte de energia utilizada para proporcionar a transferência de massa é normalmente fornecida por refervedor. Os tipos mais comuns são os refervedores termosifão que podem ser verticais ou horizontais, os de circulação forçada e os kettle (chaleiras).

Demister: consiste em um dispositivo utilizado no topo de um equipamento e com o objetivo de reter gotículas arrastadas pelo vapor, aglutinando as gotículas tornando-as maiores e mais pesadas, permitindo, assim, o seu retorno, por açao da gravidade, para o sistema.

79

6.6 Problemas freqüentes em torres de destilação

Inundação (flooding): é a excessiva acumulação de líquido em uma coluna, sendo que, para colunas de bandejas, essa ocorrência é normalmente caracterizada segundo os itens abaixo:

Spray entre as bandejas: ocorre quando a taxa de líquido é baixa, permitindo que o vapor pulverize o filme líquido nas bandejas.

Formação de espuma entre as bandejas: ocorre quando a taxa de líquido é alta, associada com aumento da vazão de vapor. Aumenta-se assim o nível da espuma entre as bandejas.

Retorno pelo vertedouro.

Estrangulamento de líquido.

Nível alto: problemas de eficiência de destilação são associados a esse fato em função de possibilidade de afogamento de bandejas ou baixa alimentação de vapor. São possíveis causas desse problema o excesso de vazão de refluxo ou redução na vazão de vapor no refervedor.

Pratos secos: ocorre em função de deficiência no controle de vazão de alimentação ou refluxo ou ainda em alguns casos durante a partida pelo FLASH do líquido de alimentação. A principal conseqüência é a perda de perfil da coluna, possibilitando o aumento de pesados no produto destilado.

Falha no sistema de condensador de topo: acarretará no aumento de pressão da coluna, elevando assim a sua temperatura. O aumento de temperatura e pressão da coluna modificará sempre o seu perfil de separação, provocando aumento de pesados no topo. Suas possíveis causas são o resfriamento deficiente por baixa vazão de água ou por entupimento dos tubos do condensador.

Falha no sistema de refervedor: em função de “plugueamento” nos tubos do refervedor ou mesmo falha de vapor haverá a diminuição da taxa de vaporização, acarretando aumento de nível e queda de eficiência nas bandejas.

Dumping: ocorre quando o líquido passa para o prato seguinte, através dos orifícios ou válvulas. Tal fato está relacionado à baixa vazão de vapor ou mesmo a sua distribuição.

80

Arraste: ocorre a altas vazões de vapor, consistindo no arraste de partículas líquida no vapor ascendente diminuindo a eficiência de contato. Isto é causado por carga excessiva à torre.

Blowing: consiste na abertura de canais no líquido lançando-o no prato superior. Tem como consequência o aumento de pesados no topo.

Entupimento dos borbulhadores dos pratos

Má distribuição de líquido em colunas de recheio

inclinação da coluna

formação de caminhos preferenciais no recheio.

6.7 Destilação Extrativa

A destilação extrativa é utilizada para separa componentes com volatilidades muito próximas, o que, pelos métodos convencionais, requer muito mais estágios e razões de refluxo elevadas. Este método requer menos energia e muitas vezes o que se economiza paga o equipamento de recuperação do solvente.

Consiste em adicionar um outro componente ao sistema, chamado solvente, que aumenta a volatilidade relativa dos componentes a separar.

Alimenta-se a mistura de A e B na primeira coluna, chama de coluna de extração, da qual o componente mais volátil sai pelo topo. O solvente é alimentado próximo ao topo dessa coluna e arrasta o componente B para a base, de onde a mistura B + S segue para o stripper de solvente, que promove a

separação de B e S. o solvente é um líquido muito menos volátil do que os componentes a separar.

O solvente deve possuir semelhança estrutural com o componente mais pesado, e ainda, deve satisfazer a outros critérios:

ser substancialmente menos volátil que qualquer dos componentes, de interesse, o que facilita sua recuperação.

dentro desta restrição de volatilidades, seu ponto de ebulição deverá ser o mais baixo possível, de modo a reduzir a temperatura de operação.

o solvente deve ser completamente miscível com ambos os componentes, no intervalo de concentração envolvido.

Não deve ser tóxico, inflamável ou corrosivo.

Não deve reagir com qualquer dos componentes que estão sendo separados.

Deve ser estável.

81

Seu custo deve ser baixo.

6.8 Destilação Azeotrópica

O meio mais fácil de separa os componentes de uma mistura azeotrópica é a destilação azeotrópica, e consiste em acrescentar um outro componente à mistura que vai ser separada, como no caso da destilação extrativa, a diferença reside na volatilidade do componente acrescentado, neste caso é essencialmente a mesma dos componentes a separa, enquanto na destilação extrativa, o solvente era praticamente não volátil, comparado com os do sistema.

Nestas condições, o componente acrescentado forma um azeótropo com um ou mais dos componentes a separar, devido a diferença de polaridade.

Ao contrário da destilação extrativa, o agente acrescentado encontra-se praticamente na porção superior da coluna e sua concentração decresce na direção do fervedor.

82

6.9 Cálculos da Destilação

A curva de equilíbrio de um sistemabinário estudado possa ser representadaanaliticamente pela Equação:

Onde:

α Volatilidade relativa entre os compostos a serem separados, dada pela razão entre as suas pressões de vapor para uma mesma temperatura. A pressão de vapor é determinada

a partir da temperatura da destilação, tendo por base a equação de Antoine:

ln PV = A - B/(T + C), onde A, B e C são constantes específicas de cada composto. Uma tabela contendo as constantes para alguns compostos encontra-se no final deste capítulo.

Para cálculo do número mínimo de pratos, utiliza-se a equação de FENSKE abaixo:

Seu valor é associado ao refluxo total da coluna, ou seja, não há

retirada do destilado de topo nem de fundo, somente reciclos internos.

Onde:

XLK Fração molar do componente mais leve

XHK Fração molar do componente mais pesado

Para se obter a taxa de refluxo mínimo, associada a um número infinito de pratos, utiliza-se a equação de Underwood:

83

A taxa de refluxo real sofre um acréscimo de 25% a 50% relativo ao refluxo mínimo.

A relação entre o número de pratos e as taxas de refluxo pode ser estabelecida pelo gráfico de Gilliland:

A correlação do gráfico é dada pela equação:

Para se determinar o número de estágios da alimentação até o destilado de topo, pode-se usar a equação:

Sequência de cálculo:

Identificar os compostos leve e pesado. Estimar as composições do destilado e do resíduo. Obter LK,HK. Obter Nmin da equação de Fenske. Calcular Rmin = (L/D)min usando as equações de Underwood. Especificar a razão de refluxo, R, que se pretende utilizar. Calcular o número de estágios de equilíbrio através da relação de Gilliland. Determinar a localização ótima do estágio da alimentação.

84

6.10 MÉTODO MCCABE-THIELE

O cálculo do número de pratos de uma coluna de destilação normalmente se baseia no conceito de pratos teóricos (ou estágios de equilíbrio). Um prato teórico é aquele em que as correntes que saem do prato estão em equilíbrio, ou seja, houve tempo e contato suficientes para que as correntes que chegam no prato interajam, e atinjam o equilíbrio, antes de deixarem o prato. Na realidade, os pratos reais se desviam deste comportamento de acordo com sua forma e tipo, sendo este desvio denominado rendimento ou eficiência do prato. (Motta Lima e Pereira, 1999).

Na determinação do número de estágios de uma coluna de destilação binária são analisadas, normalmente, duas situações:

- a diferença entre as temperaturas do fundo e do topo da coluna é pequena (10 a 50 ºC);

- a diferença de temperatura entre o fundoe o topo da coluna é grande (> 50 ºC).

Quando a diferença de temperaturas é pequena, geralmente pode-se considerar as propriedades térmicas da mistura que se deseja separar como

aproximadamente constantes, em cada prato da coluna. Desta forma, as vazões molares de líquido e vapor são constantes em todos os pratos da seção de retificação (SR) e, também, na seção de esgotamento (SE), diferindo, no entanto, das vazões existentes na seção de retificação.

As diferenças encontradas entre as vazões nas seções de retificação (SR) e de esgotamento (SE) estão intimamente relacionadas com a vazão e com a situação física da alimentação que é introduzida nacoluna, o que pode ocorrer de um dos seguintes modos:- como líquido “frio” ou sub-resfriado;- como líquido saturado no ponto de bolha;- como vapor úmido (mistura líquido/vapor);- como vapor saturado no ponto de orvalho;- como vapor seco ou superaquecido.

O método “McCabe-Thiele” consiste na aplicação das considerações feitas no item anterior para o cálculo da destilação de misturas binárias em que a diferença de temperatura entre o topo e o fundo é pequena, por meio de um processo gráfico desenvolvido sobre um diagrama de equilíbrio.

Este gráfico tem as seguintes propriedades:

- os pontos do gráfico que representam as composições do líquido e do vapor em equilíbrio que

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saem de um mesmo estágio estão situados sobre a curva de equilíbrio;- os pontos do gráfico que representam a composição do vapor procedente de um estágio, em função da composição do líquido que desce do estágio imediatamente acima, estão situados sobre as retas de operação das seções de retificação e esgotamento (correntes que se cruzam).

A metodologia de McCabe-Thiele podeser descrita conforme se segue:

I. Sobre o diagrama (curva) de equilíbrio do sistema binário em estudo, traçar a linha de alimentação ou linha (q), a partir de (xF, xF) e de sua inclinação.

A equação da linha q é:y = - q x / (1 - q) + xF / (1 - q) (1)

sendo q (fração líquida da alimentação) definido como a relação existente entre a parcela da alimentação que entra na coluna como líquido e a vazão total de alimentação, estando relacionado com a condição térmica da alimentação, conforme mostrado a seguir:- alimentação como líquido frio: q > 1;- alimentação como líquido saturado: q = 1;- alimentação como vapor úmido: 0 < q < 1;- alimentação como vapor saturado: q = 0;- alimentação de vapor superaquecido: q < 0.

II. Localizar o ponto de coordenadas (xD, xD)na diagonal do diagrama.

III. Traçar a ROR unindo o ponto (xD, xD) aoponto de coordenadas [ 0, xD / (RD + 1)].

IV. Localizar o ponto de coordenadas (xB, xB)na diagonal do diagrama.

V. Traçar a ROE a partir do ponto (xB, xB) até o ponto determinado pela interseção da ROR com a linha de alimentação (q).

Este procedimento é mostrado na figura abaixo.

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VI. Determinação gráfica do número de estágios. A partir da coordenada (xD, xD) é traçada uma reta horizontal até a curva de equilíbrio, determinando a composição do vapor que sai do topo da torre (estágio 1) (y1), que está em equilíbrio com o líquido de composição (x1). Do ponto (x1), traça-seuma reta vertical até a ROR e, novamente, uma reta horizontal até a curva de equilíbrio, determinando a composição do vapor que sai do segundo estágio (y2), em equilíbrio com o líquido de composição (x2).

Estes passos são repetidos até se cruzar a linha de alimentação, quando passam a ter como reta base a ROE, terminando-se quando for atingida, ou ultrapassada, a composição desejada para o produto de fundo, xB. O número de estágios necessários é determinado a partir do número de degraus formados pela construção gráfica em cima do diagrama. A Figura a seguir traz o resultado para uma coluna hipotética, em que foram encontrados 4 pratos teóricos.

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Exercícios:

1) Relacione pelo menos cinco problemas que ocorrem em colunas de destilação, apontando suas causas básicas.

2) Cite os tipos de coluna de destilação, avaliando a eficácia relativa de cada uma.

3) Discrimine os tipos de destilação, informando qual aquele que melhor se aplica aos pares de substâncias abaixo :

a) água+etanol b) benzeno+tolueno

c) nafta+querosene d) metanol+etanol

e) acetona+éter

4) Uma coluna apresenta uma saída de produto no

fundo muito maior do que a vazão esperada,

enquanto a pureza no topo está sendo mantida. Que

tipo de problema pode estar ocorrendo? O que deve

ser feito para retomar o controle?

5) Uma coluna apresenta um alto teor de pesados no

topo, acompanhado de forte aumento na vazão de

destilado. O que pode estar acontecendo com esta

coluna? Proponha soluções para esse problema,

justificando sua resposta.

6) Para a mistura binária tolueno / benzeno (60%), determine o número mínimo de pratos (refluxo

total), o refluxo mínimo (pratos infinitos), a taxa de refluxo real para um incremento de 25% e o número de estágios correspondente a essa condição. Os requisitos de processo são:

Pureza no destilado de topo 96%

Pureza no destilado de fundo 95%

Temperatura de topo 85oC

7) Para a mistura binária N-HEXANO / N-PENTANO, determine, pela via gráfica, O NÚMERO DE ESTÁGIOS de separação, número de pratos e onde será o prato de alimentação, de acordo com os seguintes dados:

Fração molar da alimentação 40% R = 2,5

Temperatura no topo 32oC

Pureza exigida no topo 95%

Pureza exigida no fundo 95%

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77 EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDOEXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO

Definição – Extração é a transferência de uma substância dissolvida de uma fase para outra. A extração líquido-líquido é um processo de separação que se utiliza da propriedade de miscibilidade de líquidos. A extração líquido-líquido é a operação de transferência de massa na qual uma solução líquida (a alimentação), entra em contacto com um líquido imiscível ou pouco miscível (o solvente), o qual possui afinidade preferencial (ou seletividade) para um ou mais componentes da alimentação. Duas correntes resultam deste contacto, o EXTRATO que é a solução rica em solvente contendo o soluto que se deseja extrair, e o REFINADO, que é a solução de alimentação residual contendo uma menor quantidade de soluto.

Ao se pretender otimizar uma operação de extração líquido-líquido é necessário ponderar cuidadosamente as seguintes questões principais: i) selecção do solvente, ii) condições deoperação, iii) modo de operação, iv) tipo de extractor e v) critérios de dimensionamento.

Selecção do Solvente

Os solventes diferem nas capacidades de extracção dependendo da sua estrutura química e da estrutura química dos solutos. É possível encontrar na

bibliografia listagens de parâmetros de interacção de grupos substituintes orgânicos, a partir dos quais se pode identificar o(s) grupo(s) funcional(is) no solvente adaptados a determinado soluto.Uma vez identificado o grupo funcional, os possíveis solventes podem ser testados em laboratório. O coeficiente de distribuição e a seletividade são os mais importantes parâmetros que governam a seleção do solvente. O coeficiente de distribuição (ou coeficiente de partição) para um componente (A) é definido como a razão de concentrações de A na fase extracto e na fase de refinado. A selectividade pode ser definida como a capacidade do solvente retirar o componente desejado da mistura de alimentação, quando comparada com outros componentes.

As propriedades desejadas nos solventes são: i) elevados valores de coeficientes de distribuição, ii) boas seletividades para o soluto, iii) baixa ou nenhuma miscibilidade na solução de alimentação, e iv) fácil recuperação do solvente para reciclo.

Outros fatores que afetam a seleção do solvente são o ponto de ebulição, a densidade, a tensão superficial, a viscosidade, a corrosividade, a inflamabilidade, a toxicidade, a estabilidade química e térmica, a compatibilidade com o produto, a disponibilidade no mercado e o custo.

Para um processo existente, a substituição do solvente é vulgarmente o último recurso porque isto

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implica regressar à triagem laboratorial do solvente e das condições operatórias. No entanto, as alterações na regulamentação ambiental e considerações de ordem econômica, têm induzido frequentemente a necessidade de melhorar os processos em termos de recuperação do soluto.Todavia a atual disponibilidade de solventes específicos com melhores características que os convencionais em termos econômicos e de desempenho para vários processos de extração, podem fornecer incentivos adicionais à mudança do solvente.

Selecção das Condições de Extracção

Dependendo da natureza do processo de extração, a temperatura, o pH e o tempo de residência, podem afetar o rendimento e a seletividade da operação. A pressão do sistema tem geralmente um efeito desprezível na extração e por isso a maior parte delas ocorre à pressão atmosférica, com exceção das regidas por condicionantes da pressão de vapor. A temperatura pode ser usada como variável para alterar a seletividade. Igualmente, temperaturas elevadas são por vezes usadas de modo a manter a viscosidade baixa e com isso minimizar a resistência à transferência de massa.

Outro parâmetro a considerar é a eventual precipitação de sólidos no extrator, a qual deve ser evitada.

Um exemplo de extração é quando 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 (veja figura). 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. A recuperação de A a partir do extrato é geralmente feita por destilação.

Coeficiente de Partição – Conforme já dito acima, è

dado pela razão entre as concentrações de um dado

soluto em dois solventes diferentes. A lei de partição

estabelece que, se a um sistema de duas camadas

líquidas, constituído de dois componentes imiscíveis

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ou ligeiramente miscíveis, for adicionada uma

quantidade de uma terceira substância solúvel em

ambas as camadas, a substância se distribui entre

as camadas, de modo que a razão da concentração

em um solvente para a concentração em outro

permanece constante, a uma dada temperatura.

Kd = [S]2 / [S]1

A extração líquido-líquido pode ser contínua ou

descontínua.

Na extração descontínua utiliza-se um funil de

separação, onde ambos os solventes são

adicionados. Com a agitação do funil de separação,

o soluto passa a fase na qual está o solvente com

maior afinidade. A separação é feita, então, sendo

que a fase mais densa é recolhida antes.

A extração líquido-líquido descontínua é indicada

quando existe uma grande diferença de solubilidade

do soluto nos dois solventes (grande KD).

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Na extração líquido-líquido contínua, o solvente

orgânico passa continuamente sobre a solução

contendo o soluto, levando parte deste consigo, até

o balão de aquecimento. Como o solvente está

sendo destilado, o soluto vai se concentrando no

balão de aquecimento. É um processo útil para

quando a diferença de solubilidade do soluto em

ambos os solventes não é muito grande (baixo valor

de KD).

A ilustração abaixo mostra um processo de extração

simbólico:

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(A) O solvente 1 contém uma mistura de moléculas (brancas e pretas). Deseja-se separar as moléculas brancas por extração. Um segundo solvente (sombreado), que é imiscível com o primeiro e

menos denso, é adicionado e ambos são agitados dentro do funil.

(B) Após a separação das fases, a maioria das moléculas brancas, mas nem todas, foram extraídas para o novo solvente. Indicando a necessidade de uma nova extração.

(C) Com a separação das duas camadas, as moléculas brancas e pretas, foram parcialmente separadas. A maioria das extrações consiste de uma fase aquosa e uma fase orgânica. Para extrair uma substância de uma fase aquosa, deve ser usado um solvente orgânico e imiscível com água.

A água é usada como um dos solventes na extração líquido-líquido, uma vez que a maioria dos compostos orgânicos são imiscíveis em água e porque ela dissolve compostos iônicos ou altamente polares. Os solventes mais comuns que são compatíveis com a água na extração de compostos orgânicos são: éter etílico, éter diisopropílico, benzeno, clorofórmio, diclorometano e éter de petróleo. Estes solventes são relativamente insolúveis em água e formam, portanto, duas fases distintas. A seleção do solvente dependerá da solubilidade da substância a ser extraída e da facilidade com que o solvente possa ser separado do soluto. Nas extrações com água e um solvente orgânico, a fase da água é chamada "fase aquosa" e

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a fase do solvente orgânico é chamada "fase orgânica".

O pH é importante nas extrações de metais e nas bio-extrações. Nestas últimas (por exemplo na da penicilina) e nas de alguns agro-químicos, o pH é ajustado para aumentar o coeficiente de distribuição e minimizar a degradação do produto.

Nas extrações de metais, o efeito do pH é justificado por considerações de ordem cinética.

Em extrações onde existe dissociação das moléculas orgânicas, o pH pode desempenhar um papel importante, como por exemplo na separação de cresóis. Por vezes, o solvente pode participar em reações indesejáveis sob certas condições de pH (por exemplo, o acetato de etilo pode sofrer hidrólise formando ácido acético e etanol, na presença de ácidos minerais).

Seleção do Tipo de Extrator

Os extratores comercialmente relevantes podem ser classificados nas seguintes categorias genéricas: i) misturadores/decantadores, ii) dispositivos centrífugos, iii) colunas de contacto (estáticas) e iv) colunas de contacto (dinâmicas).

Os misturadores/decantadores, como o nome indica, são usualmente uma série de tanques (estáticos ou agitados), separados por unidades de decantação.

Estes são principalmente usados na indústria metalúrgica onde são necessários elevados tempos de contacto e de mistura nos processos de extração reativa. Em modo de operação descontínuo, os misturadores/decantadores podem ser simples reservatórios onde a alimentação e o solvente são misturados e separados. Sempre que se justifique, esta operação é repetida com solvente fresco para aumentar a quantidade de soluto extraído (modo de corrente cruzada).

Os extratores centrífugos são máquinas rotativas de alta velocidade que possuem a vantagem de terem baixos tempos de residência.

O número de estágios num dispositivo centrífugo é usualmente limitado a um, mas já vão sendo vulgares dispositivos com múltiplos estágios. Estes extratores são majoritariamente usados na indústria farmacêutica.

As colunas de extração em contracorrente são as mais usuais na indústria química. Elas podem ser estáticas ou agitadas, e para cada uma existem várias variantes disponíveis no mercado, possuindo cada uma delas vantagens particulares.

Dos fatores que afetam a seleção do extrator, os mais importantes a considerar são o número de pratos (andares de contacto) necessários, as propriedades dos fluidos e considerações operatórias, incluindo segurança e manutenção.

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No Quadro a seguir podemos comparar as capacidades e características de diferentes tipos de extratores.

Proprieda

de

Misturado

r/

decantado

r

Extrator

centrífug

o

Coluna

estátic

a

Coluna

agitad

a

No

estágios

Baixo Baixo Médio Elevad

o

Vazão Elevado Baixo Médio Médio

Tempo de

residência

Muito

elevado

Muito

Baixo

Médio Médio

Tensão

superficial

Média/

elevada

Baixa/

média

Baixa/

média

Média/

elevad

a

Viscosidad

e

Baixa/

elevada

Baixa/

média

Baixa/

média

Baixa/

elevad

a

Diferença

de

densidade

Baixa/

elevada

Baixa/

média

Baixa/

média

Baixa/

elevad

a

Quadro comparativo de propriedades de

extratores

Fluxograma típico de um processo de extração

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Exercícios:

1) Qual o princípio básico da extração?

2) Quais as principais propriedades que deve ter um solvente quando se deseja extrair uma substância de água?

3) Cite três vantagens e duas desvantagens de se usar o éter dietílico como solvente em uma extração.

4) Uma solução de 0,56 g de um composto A

dissolvido em 50 ml de água foi extraído com 100 ml

de éter dietílico. Calcule a quantidade de A que foi

dissolvida no éter, sabendo que Kd = 19

5) Pode-se usar etanol para extrair uma substância

dissolvida em água? Justifque sua resposta.

6) Classifique os extratores em função das

propriedades do processo de extração requeridas.

7) Como o pH pode afetar uma extração?

8) Quais são os fatores mais importantes que

determinam a escolha de um solvente na extração?

9) Cite pelo menos cinco fatores secundários que

norteiam a escolha de um solvente na extração.

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:

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