Princípios de operações unitárias, Notas de estudo de Engenharia Química

Baixe Princípios de operações unitárias e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Química, somente na Docsity! 1 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. 2 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. 5 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. 6 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. 7 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 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 11 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. 12 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.