Princípios de operações unitárias

Princípios de operações unitárias

(Parte 1 de 2)

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

PRINCÍPIOS DE OPERAÇÕES UNITÁRIAS - UFSCar

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.

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.

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. Encontramse, 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.

• 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

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.

Moinho de bolasBritador 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.

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.

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.

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