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PRINCÍPIOS DE OPERAÇÕES UNITÁRIAS - UFSCar

Período: 1º Sem. 2008. Alunos: 6. Turma: 103063A. Sala: 139/112. Quarta (10h – 12h)/Quinta (8 – 12h).

AULA II

INTRODUÇÃO AOS FENÔMENOS DE TRANSPORTE

O estudo de fenômenos de transporte tem aplicações muito importantes no campo da engenharia, pois

permite “conhecer” assuntos diversos, como o transporte de fluidos através de tubulações ou a quantificação da

dissipação de calor em motores. O estudo dos fenômenos de transporte é indispensável para projeto, operação e

otimização de processos e equipamentos, em todos os campos da engenharia.

Os fenômenos de transferência tratam basicamente da movimentação de uma grandeza física de um ponto a

outro do espaço, e são eles: transporte de quantidade de movimento, transporte de energia térmica e transporte de

massa. A seguir são apresentados alguns exemplos das aplicações de fenômenos de transporte.

Engenharia Civil e Arquitetura: hidráulica, hidrologia e conforto térmico de edificações;

Engenharia Sanitária e Ambiental: estudo da difusão de poluentes e tratamento de resíduos;

Engenharia Elétrica e Eletrônica: cálculos da dissipação térmica e de potência;

Engenharia Química: todas as Operações Unitárias;

Engenharia Mecânica: usinagem, tratamentos térmicos, máquinas hidráulicas, máquinas térmicas (motores

e refrigeração) e aeronáutica (aerodinâmica);

Engenharia de Produção: otimização de processos, transporte de fluidos e de material, troca de calor e estudos de ciclo de vida.

INTRODUÇÃO AS OPERAÇÕES UNITÁRIAS

Processos Químicos:

Toda indústria química envolve um conjunto de processos: Processo químico, Processo de estocagem de

materiais, processo de compras, processo de pagamentos, etc. As operações unitárias serão importantes para

execução dos processos químicos, físico-químicos, petroquímicos, etc.

Um processo químico é um conjunto de ações executadas em etapas, que envolvem modificações da composição

química, que geralmente são acompanhadas de certas modificações físicas ou de outra natureza, no material ou materiais

que é (são) ponto de partida (matérias primas) para se obter o produto ou os produtos finais (ou acabados).

Operações Unitárias

Cada etapa dentro do processo que tem princípios fundamentais independentes da substância (ou substâncias),

que está sendo operada e de outras características do sistema, pode ser considerada uma operação unitária.

O engenheiro A. D. Little (1915) apresenta um conceito interessante para as operações unitárias:

“Qualquer processo químico, em qualquer escala, pode ser decomposto numa série estruturada do que se podem

denominar, operações unitárias, como moagem, homogeneização, aquecimento, calcinação, absorção,

condensação, lixiviação, cristalização, filtração, dissolução, eletrólise, etc.

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Processo de Produção de Açúcar e Álcool.

Desde 1915 foram acrescentadas outras operações unitárias a lista de Little como o transporte de

fluidos, a transferência de calor, a destilação, a umidificação, a absorção de gases, a sedimentação, a

classificação, a centrifugação, a hidrólise, a digestão, a evaporação, etc.

As complexidades das aplicações de engenharia provem da diversidade das condições, como

temperatura, pressão, concentração, pureza, etc., sob as quais as operações unitárias devem ser realizadas nos

diversos processos e das limitações e exigências aos materiais de construção e de projeto, impostas pelos

aspectos físicos e químicos das substancias envolvidas.

Todas as operações unitárias estão baseadas em princípios da ciência que são traduzidos nas aplicações

industriais em diversos campos de engenharia. O escoamento de fluído, por exemplo, é estudado em mecânica dos

fluídos, mas interessam muito a hidráulica que se liga mais à engenharia civil e a engenharia sanitária. Encontram-

se, no setor da indústria exemplos de maior parte das operações unitárias em aplicações as mais variadas.

Classificação

As operações unitárias podem ser classificadas de acordo com critérios variados. Podemos, por

exemplo, classificá-las em grupos de acordo com a sua finalidade dentro do processo produtivo.

• Operações preliminares: São normalmente utilizadas antes de qualquer outra operação. Suas funções

estão associadas à preparação do produto para posterior processamento de melhoria das condições

sanitárias da matéria prima. Ex. Limpeza, seleção, classificação, eliminação, branqueamento, etc.

• Operações de conservação: Entre estas podemos citar a esterilização, a pasteurização, o congelamento,

refrigeração, evaporação, secagem, etc.

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• Operações de transformação: Moagem, mistura, extrusão, emulsificação, etc.

• Operações de separação: Filtração, cristalização, sedimentação, centrifugação, prensagem,

destilação, absorção, adsorção, desumidificação, precipitação eletrostática, etc.

Uma classificação bem comum é utilizada levando-se em conta o tipo de operação envolvida (operações

mecânicas, operações envolvendo transferência de calor e operações envolvendo transferência de massa), a saber:

1 – OPERAÇÕES MECÂNICAS

1.1 – Operações envolvendo sólidos granulares A – Fragmentação de sólidos;

B – Transporte de sólidos;

C – Mistura de sólidos;

1.2 - Operações com sistemas sólido-fluido A – Sólidos de sólido;

-Peneiramento

-Separação hidráulica (arraste – elutriação)

B – Sólido de líquidos;

-Decantação

-Flotação (borbulhamento de ar)

-Floculação (sulfato de alumínio – aglutinação – flocos)

-Separação centrífuga

-Filtração

C – Sólidos de gases

-Centrifugação (para gases - ciclones)

-Filtração (para gases - filtros manga)

D – Líquidos de líquidos

-Decantação

-Centrifugação

1.3 – Operações envolvendo sistemas fluidos A – Bombeamento de líquidos;

B – Mistura e agitação de líquidos;

2 – OPERAÇÕES COM TRANSFERÊNCIA DE CALOR

2.1 – Aquecimento e resfriamento de fluidos

2.2 – Evaporação e Cristalização (T.C. e T.M)

2.3 – Secagem (T.C. e T.M)

3 – OPERAÇÕES COM TRANSFERÊNCIA DE MASSA

3.1 – Destilação (T.C. e T.M)

3.2 – Extração líquido-líquido

3.3 – Absorção de Gases

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Para cada uma destas operações existem conceitos e princípios que precisam ser conhecidos para um

melhor entendimento da operação em questão e para o projeto/dimensionamento/operação/otimização do

equipamento se for o caso. Iremos agora detalhar um pouco mais alguma das operações mais importantes.

1 – OPERAÇÕES MECÂNICAS

1.1 – Operações envolvendo sólidos granulares

Para as operações envolvendo sistemas sólidos granulares é necessário caracterizar as partículas sólidas,

com relação à forma, ao tamanho, densidade, etc.

Muitas das operações unitárias existentes na indústria química são operações envolvendo partículas

sólidas e sistemas envolvendo sólido-fluido. Dependendo do sistema envolvido, simplificações podem ser feitas

considerando o sólido um grupo de partículas idênticas, com diâmetro fixo e certa área superficial, mas em

outros é necessário classificar este sólido com relação as suas propriedades.

A classificação do sólido pode ser feita então em duas classes diferentes: Considerando a partícula isolada ou

a mistura de partículas como um todo. A partir daí deve ser feita a caracterização granulométrica do sólido.

A caracterização granulométrica de um conjunto de partículas (mistura) pode ser feito por meio da

determinação da fração de vazios do sistema (porosidade), a densidade real do agregado de sólidos e vazios, a

área superficial por unidade de volume, a condutividade térmica real, a permeabilidade e o ângulo de repouso.

Em operações envolvendo fragmentação de sólidos como a moagem, a análise granulométrica é

essencial para determinar o sucesso da operação.

A moagem é uma operação unitária de fragmentação ou redução de tamanho, onde o tamanho dos

sólidos é reduzido pela aplicação de forças de impacto, compressão e abrasão. Esta operação aumenta a área

superficial do sólido, uniformizando tamanhos e aumentando a eficiência de etapas posteriores de

processamento. Entre os equipamentos estão: moinho de discos, moinho de rolos, de facas e martelos,

trituradores de mandíbulas e moinho de bolas.

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Moinho de bolas Britador de Martelos

1.2 - Operações com sistemas sólido-fluido

Muitas vezes o material sólido constitui uma parcela importante do material que está sendo processado. Por

exemplo, na secagem de um líquido que resulta como produto pó + ar. Para separar o sólido do ar, é feito uma

operação em um ciclone ou um filtro manga.

Outro exemplo é a separação de palha de produtos agrícolas, como o milho, arroz, soja e café. A palha

pode ser removida pela elutriação (arraste) da palha por uma corrente gasosa ascendente. Se tivermos uma fase

líquida, o sólido pode decantar por gravidade, pode flotar fazendo-se passar bolhas de ar através da mistura

onde as partículas ligam-se ao ar e deslocam-se para a superfície, sendo removidas ou ainda pela floculação,

i.e., adiciona-se ao líquido uma substância química, que faz com que as impurezas se aglutinem formando

flocos facilmente removíveis.

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Decantadores

A tabela a seguir resume algumas destas operações

A centrifugação é um processo de separação em que a força centrífuga relativa gerada pela rotação da

amostra é usada para sedimentar sólidos em líquidos, ou líquidos imiscíveis de diferentes densidades,

separando-os. É usada em diferentes aplicações laboratoriais, industriais e até domésticas.

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Ainda englobando as operações mecânicas vale à pena descrever a operação de separação sólido-sólido

conhecida como peneiramento. O peneiramento é um método utilizado para separar misturas heterogêneas de

sólido, onde o tamanho da partícula é o responsável pela separação, ou seja, utiliza-se uma peneira que permite

que alguns sólidos pequenos passem, e uma pequena quantidade de partículas grandes ficam retidas na peneira,

que separa através do seu tamanho, ou melhor do tamanho da malha da peneira. É usada para separar sólidos

constituintes de partículas de dimensões diferentes.

1.3 – Operações envolvendo sistemas fluidos

A – Bombeamento de líquidos;

B – Mistura e agitação de líquidos;

2 e 3 – OPERAÇÕES COM TRANSFERÊNCIA DE CALOR E DE MASSA As operações envolvendo a transferência de calor, a transferência de massa ou a transferência de calor e

massa simultaneamente são descritas pelos fundamentos de Fenômenos de Transporte.

2.1 – Aquecimento e resfriamento de fluidos Os equipamentos industriais utilizados para troca térmica tanto no aquecimento quanto no resfriamento são

normalmente chamados de trocadores de calor. Esta é uma operação com denominação muito genérica, assim

8 vamos definir um trocador de calor como um dispositivo que efetua a transferência de calor de um fluido para outro.

A transferência de calor pode se efetuar de quatro maneiras principais:

• pela mistura dos fluidos;

• pelo contato entre os fluidos;

• com armazenagem intermediária; e

• através de um parede que separa os fluidos quente e frio.

Os trocadores de calor podem ser classificados de acordo com:

- A disposição das correntes dos fluidos: correntes paralelas, contracorrente, correntes cruzadas e multipasse.

- Tipo de construção: segundo a construção os trocadores podem ser de tubos coaxiais, casco e tubos e compactos.

Aplicações de Trocadores de Calor

• Torres de Refrigeração

• Condensadores

• Evaporadores

• Leito Fluidizado

• Codicionadores de ar

• Aquecedores

• Alambique

• Radiador Automotivo

Placas

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Radiador de carro

Casco e Tubo

Evaporação

É usada quando há interesse somente na fase sólida, sendo liquida então desprezada. Para produzir cloreto

de sódio (Sal) a partir da água do mar, utiliza-se a técnica da evaporação. Equipamentos industriais para

evaporação nada mais são do que recipientes que concentram uma solução pela evaporação do solvente. Entre os

equipamentos há o evaporador de simples efeito e o de múltiplos efeitos. Entre os equipamentos, têm-se o

evaporador de tubos horizontais, verticais, etc.

Cristalização

10 Às vezes o produto de interesse deve estar na forma de partículas sólidas. Quando o processo de

fabricação leva a uma solução, o sólido pode ser obtido, de forma mais conveniente, pela concentração de uma

solução até a sua saturação e conseqüente formação de cristais. Os equipamentos mais comuns são o cristalizador

de tabuleiros, cristalizadores descontínuos com agitação, entre outros.

Secagem

A desidratação ou secagem de um sólido ou líquido, é a operação de remoção de água, ou de qualquer

outro líquido na forma de vapor, para uma fase gasosa insaturada através de um mecanismo de vaporização

térmica, numa temperatura inferior à de ebulição.

Esta desidratação é realizada através de calor produzido artificialmente em condições de temperatura,

umidade e corrente de ar cuidadosamente controladas. O ar é o mais usado meio de secagem. O mesmo conduz

calor, provocando evaporação da água, sendo também o veículo no transporte do vapor úmido literalmente do

alimento. Fenomenologicamente ocorre então a transferência simultânea de calor e massa.

Por ser uma das operações unitárias mais antigas de que se tem conhecimento existe uma infinidade de

equipamentos (leitos fixos, fluidizados, de jorro, secadores convectivos, de estufas, fornos, liofilizadores, spray

dryer, microondas, etc.) e de técnicas de secagem (secagem solar, convectiva, por microondas, por radiação, etc).

A técnica mais conveniente de secagem deve ser escolhida em função das características físicas,

químicas e biológicas do produto e da matéria prima, econômicas, volume de produção, tipo de pós-

processamento, etc.

Spray Dryer

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Leito Fluidizado

Operações envolvendo a transferência de massa

Quando se colocam em contato duas fases de composições diferentes, pode ocorrer a transferência de

componentes de uma fase a outra e vice-versa. Este transferência entre as fases ocorre até que o estado de

equilíbrio seja atingido. Dentre as principais operações de transferência de massa destacam-se:

Destilação

É o processo de separação mais amplamente utilizado nas indústrias químicas. A separação dos constituintes está

baseada nas diferenças de volatilidades entre diferentes constituintes químicos. Na destilação ocorre o contato de uma

fase vapor com a fase líquida, e há a transferência de massa da fase líquida para o vapor e deste para aquele. O líquido e o

vapor contêm, em geral, os mesmos componentes, mas em quantidades relativas diferentes. O efeito final é a

concentração maior do constituinte mais volátil no vapor e o menos, no líquido. Em muitas situações é conveniente

realizar a destilação em equipamentos multiestágios.

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Extração líquido-líquido,

A extração líquido-líquido é um processo de separação que se utiliza da propriedade de miscibilidade de

líquidos. Por exemplo, em uma situação onde temos dois líquidos, A e B, miscíveis entre si, e queremos separar

A de B, podemos usar um terceiro líquido, C, que seja mais miscível com A do que com B (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.

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Extração Sólido-Líquido

Quando preparamos um chá, um café, ou mesmo um chimarrão, estamos fazendo uma extração sólido-

líquido. Nestes casos, componentes que estavam na fase sólida (no pó de café ou nas ervas) passam para a fase

líquida (água). Em todos os exemplos, a extração é descontínua; isto é possível porque a solubilidade dos

componentes extraídos em água é grande. Porém, nos casos onde a solubilidade do soluto é pequena, ou quando

quisermos maximizar a extração do soluto, utiliza-se a técnica da extração contínua.

Adsorção e Absorção

A adsorção é a adesão de moléculas de um fluido (o adsorvido) a uma superfície sólida (o adsorvente);

o grau de adsorção depende da temperatura, da pressão e da área da superfície - os sólidos porosos como o

carvão são ótimos adsorventes. As forças que atraem o adsorvato podem ser químicas ou físicas. Um exemplo

desta operação é a eliminação do odor de geladeira com o uso de carvão ativado (o odor se fixa nas superfícies

livres nos poros do carvão.

A Absorção e a fixação de um gás por um sólido ou um líquido, ou a fixação de um líquido por um

sólido. A substância absorvida se infiltra na substância que absorve. Esta operação está limitada as restrições

termodinâmicas assim como a destilação, portanto o conhecimento em termodinâmica é imprescindível para se

projetar ou operar uma coluna de Absorção. Esta operação é utilizada para purificação de gases e para

recuperação de solutos.