OPERAÇÕES UNITÁRIAS II prof . João Vicente - 2016 2016..1
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1. Classificações das das operações operações unitárias unitárias1,2 1.1. Introdução Verificou-se que as operações unitárias consistem nas váririas vá as op oper eraç açõe õess qu quee en envo volv lvem em mu muda danç nças as fífísi sica cass no material, ind ndeepen end dente do mater eriial que está sen end do processado. Verific erificou-se ou-se também também que existem técnicas técnicas de cálculo em um proce que abrange uma ou mais processo sso qu quím ímico ico qu operações unitárias. Neste momento, a questão é identificar e caracterizar quais operaçõ estão env envolvid lvidaas em um operações es uni unitár tária iass est determinado processo químico. •
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1. BRAS BRASIL, IL, Nil Niloo Índio Índio do. Introdução à engenharia química. 2. ed. Rio de Janeiro: Interciência: PETROBRAS, 2004. 369 p. 2. CAI CAIRES RES,, Fáb Fábio io Cal Calhei heiros ros.. Operações unitárias: apostila 2º módulo. Jundiaí: 2009. Operações Unitárias II – prof . João Vicente Vicente 2016.1
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Ex 1: Quantas operações unitárias existem em (1) e (2)?
(1) Processo fazer o cafezinho
(2) Processo Secagem de grãos
Figura 01: (1) processo-fazer cafezinho, Fonte: http://www.mexidodeideias.com.br/index.php/mundo-do-cafe/aimportancia-da-pre- infusao/
Figura 02: Secagem de grão Fonte: www.dryeration.com.br/secador_sementes.php
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Em (1), são duas operações: a extração – devido à água quente remover flavorizantes e corantes do pó do café; e a filtração – através do papel de filtro. Houve uma transferência de massa – sólido (pó de café) para o líquido (água) e transferência de calor – líquido (água) para o sólido (pó de café, filtro de papel, suporte do filtro) Em (2), uma operação: a secagem de sementes com ar quente e seco. A secagem, neste caso, tem a finalidade de eliminar a umidade das sementes, e, assim, preservar suas qualidades evitando a proliferação de fungos, por exemplo. Houve uma troca de energia térmica (transferência de calor) do ar para as sementes e transferência de massa (água das sementes para o ar). •
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Em uma análise de qualquer outro sistema pode ocorrer dois ou até os três fenômenos simultaneamente: transporte ou (transferência) de quantidade de movimento; transporte de calor; transporte de massa, como é o caso da secagem. Estes três fenômenos são regidos por leis semelhantes e constituem os fenômenos de transporte, os quais são as bases das operações unitárias da indústria química. •
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As operações unitárias podem ser classificadas de acordo com critérios variados. Sejam dois critérios: de acordo com a sua finalidade dentro do processo produtivo; de acordo com o tipo de operação envolvida. •
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1.2. Classificação de acordo com a sua finalidade •
Operações preliminares: Normalmente, são utilizadas antes de qualquer operação. Suas funções estão associadas à preparação do produto para posterior melhoria das condições sanitárias da matéria-prima para seu processamento. Exemplos: limpeza seleção classificação eliminação, etc.; Operações Unitárias II – prof . João Vicente 2016.1
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Operações de conservação: a. A pasteurização tem como objetivo principal a Exemplos: pasteurizaçãoa destruição de microorganismos patogênicos, a esterilização através da aplicação de calor, aumentando a vida de prateleira do alimento, enquanto a branqueamento esterilização é executada a maiores temperaturas (a UHT – ultra high temperature), congelamento que inativa todos os microorganismos refrigeração patogênicos e deterioradores que possam crescer sob condições normais de estocagem, evaporação (POTTER & HOTCHKISS, 1995). secagem, etc.; Operações de transformação : Exemplos: moagem mistura extrusãob desemulsificação, etc.; b. Passagem forçada de um metal ou plástico através de um orifício, tendo em vista conceder-lhe uma forma alongada ou filamentosa,. Disponível em: . 3. POTTER, N. N.; HOTCHIKISS, J. H. Food Science. 5. ed. New York: Chapman & Hall, 1995. 608 p. Operações Unitárias II – prof . João Vicente 2016.1
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Operações de separação4: Exemplos: filtração cristalização sedimentação centrifugação prensagem destilação absorção dessorção ( stripping) adsorção umidificação desumidificação precipitação eletrostáticab, etc. b. Processo de separação física de sólido em gases, (RIEHLE,1997). 4. RIEHLE C. Basic and theorical operation of ESPs. In: PARKER K.R. ed. Applied Electrostatic Precipitation, Cap.3, Blackie Academic & Professional, New York, NY. p.25-88, 1997, Operações Unitárias II – prof . João Vicente 2015.1
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1.3. Classificação de acordo com o tipo de operação envolvida
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Operações mecânicas; Operações envolvendo transferência de calor e; Operações envolvendo transferência de massa.
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1.3.1. Operações mecânicas5 De um modo geral, as operações mecânicas constituem o tratamento, a agitação e mistura, a separação, a classificação e o transporte envolvendo os sólidos e/ou fluidos. •
Sistema sólido-sólido •
separação de misturas entre sólidos: Existem diversos mecanismos básicos mediante os quais se misturam as partículas sólidas. Equipamentos: o tambor rotativoc e o moinho.
c.
https://www.youtube.com/watch?v=D4oyHwcIXVE
5.
PERRY, R. H. CHILTON. Manual de engenharia química . 5. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 1980. Operações Unitárias II – prof . João Vicente 2016.1
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Peneiração: É a separação de uma mistura de grãos de diversos tamanhos em duas ou mais parcelas, mediante uma superfície peneirante, que age como um calibre que deixa ou não os grãos passarem. Equipamento: peneira. Classificação: A operação de classificação é definida como o meio de separar partículas sólidas de uma mistura de sólidos em frações de acordo com a dimensão da partícula ou a densidade, mediante procedimentos diferentes da peneiração. Equipamentos: classificador (mecânico e não-mecânico, hidráulico – separação em jigsd).
d.
https://youtu.be/hvhdSf5V9cg
d. O jig é um dispositivo mecânico usado para separar materiais de densidades diferentes, por meio da pulsação de uma corrente de líquido que escoa pelo leito dos materiais, (PERRY, 1980) Operações Unitárias II – prof . João Vicente 2016.1
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Separação magnética: Consiste na operação de separar um sólido de outro (ex. ferro e areia), mediante a um campo magnético (Figura 03). Equipamento: separador magnético permanentee.
e.
https://www.youtube.com/watch?v=Q7yUoGS-Z7A
Figura 03: Separador magnético permanente
Fonte: http://longi-magnetic.com.br/2-magnetic.html# Operações Unitárias II – prof . João Vicente 2016,1
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f.
Separação eletrostáticaf: O princípio da separação eletrostática ocorre quando um ou mais de um material em uma mistura granular recebe uma carga superficial submetido a um campo elétrico - os grãos do material são atraídos por um dos eletrodos e repelidos pelo outro, de acordo com a carga elétrica correspondente. https://www.youtube.com/watch?v=y_DSKBjatxU
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Sistema sólido-fluido •
Classificação6: O tipo mais simples de classificador envolvendo o sistema sólido-fluido, é representado na Figura 04. Esta classificação tem como base a separação de um conjunto de partículas sólidas em diversas frações, com base nas velocidades terminaisg.
Entrada do fluido partículas com dimensões variadas PARTÍCULAS GROSSAS
PARTÍCULAS FINAS
Figura 04: Tanque de sedimentação gravitacional g.
A velocidade terminal de um objeto caindo em direção à Terra, não estando no vácuo, é a velocidade na qual a força gravitacional que o empurra para baixo é igual e oposta à resistência do ar, que o empurra para cima. A velocidade terminal é constante, já que é nula a soma das duas forças que atuam sobre o objeto. Disponível em: < http://pt.wikipedia.org/wiki/Velocidade_terminal>.
6. Operações Unitárias (apostila). 2. ed. Rio de Janeiro: PETROBRAS, 2005. Operações Unitárias II – prof . João Vicente 2016.1
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Elutriação5: A elutriação é um processo utilizado para separar partículas finas, de tamanho inferior ao que pode ser separado por peneiras, em vários tamanhos graduados. O meio empregado para a separação pode ser um líquido ou um gás. Coagulação6: Coagulação é uma operação unitária responsável por transformar as impurezas da água que se encontram em suspensão fina em estado coloidal, preparando-as para a sua remoção nas etapas subsequentes do processo de tratamento. Floculação6: A floculação é um processo físico no qual as partículas coloidais são colocadas em contato umas com as outras, de modo a permitir o aumento do seu tamanho físico, alterando, desta forma, a sua distribuição. Operações Unitárias II – prof . João Vicente 2016.1
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Flotação6: Objetiva a remoção de partículas em suspensão e/ou flutuantes (fase dispersa) de um meio líquido (fase contínua) para o caso em que a densidade da fase dispersa é menor que a da fase contínua. A flotação juntamente com os hidrociclones são os processos de separação óleo/água atualmente mais utilizados, no tratamento de água no processamento primário na indústria do petróleo. •
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Filtração6: Objetiva separar partículas sólidas do fluido que as carrega. Em todos os casos, o fluido contendo o material a ser separado, chamado de suspensão, é forçado a ser atravessado por um meio poroso, o qual retém os sólidos. Este meio poroso é chamado de meio filtrante, e sobre ele se acumula o sólido filtrado. Equipamentos: filtro; filtros de mangas (tem por finalidade separar as partículas existentes no fluxo de gases industriais). •
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Centrifugação6: Consiste na separação de sólidos particulados mediante a aplicação de uma força centrífuga sobre o sistema fluido-partícula. Entre os equipamentos de separação do tipo centrífugo utilizados para separar sistemas gás-sólido, o mais comumente utilizado é o ciclone (separador centrífugo), comumente utilizado em refinarias de petróleo especialmente em conjunto com reatores de craqueamento catalítico. Como foi estudado, os hidrociclones (de-oiling) são equipamentos usados para a separação líquido-líquido, desenvolvidos especificamente, para a separação óleoágua. •
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Decantação ou Sedimentação5: Consiste na separação de uma suspensão diluída (mistura homogênea) pela sedimentação gravitacional, até se ter um fluido límpido e uma lama com maior teor de sólidos, Figura 05. Tal operação fundamentada na diferença de massa específica pode ser efetuada em equipamentos denominados decantadores ou sedimentadores. Figura 05: Sedimentação em provetas
Fonte: http://aquaflot.blogspot.com.br/2008/02/visita-apdr-aceras-paz-del-ro-colombia.html Operações Unitárias II – prof . João Vicente 2016.1
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Sistemas fluidos •
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Bombeamento1: Estudado na disciplina Mecânica dos Fluidos, o bombeamento objetiva transportar reagentes e produtos para diferentes pontos em toda planta industrial. Na maioria dos casos, os materiais são fluidos e, consequentemente, é imprescindível operar bombas (ou compressores) para movimentá-los. Operação de agitação e mistura1: São operações triviais com a finalidade de homogeneizar a composição da mistura formada por diferentes componentes. É aplicada, por exemplo, em uma instalação de processamento primário de fluidos, para posterior decantação. Equipamento: vaso separador. Operações Unitárias II – prof . João Vicente 2016.1
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1.3.2. Operações de Transferência de Calor6
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Aquecimento e resfriamento de fluidos – trocadores de calor; Cristalizaçãoh; Secagemh; Destilaçãoh; Evaporaçãoh.
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1.3.3. Operações de Transferência de Massa7 •
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Absorção e dessorção (esgotamento ou stripping) de gás; Adsorção; Extração líquido-líquido; Extração sólido-líquido; Destilaçãoh; Evaporaçãoh; Separação por membranas. A grande diferença entre a evaporação (incluindo a secagem e a cristalização) e a destilação é que a primeira ocorre a transferência mútua de massa e calor entre as fases, (FOUST et al , 1982)
7. FOUST, Alan S.; WENZEL, Leonard A.; CLUMP, Curtis W.; MAUS, Louis; ANDERSEN, L. Bryce; Princípios das operações unitárias . 2. ed. Rio de Janeiro: LTC, 1982. Operações Unitárias II – prof . João Vicente 2016.1
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Ex 2: (PETROBRAS - Técnico de Operação Júnior 2012) Nas indústrias química e de petróleo, as operações unitárias são de vital importância, atuando de modo a fazer com que se possam obter os produtos desejados, usando a transferência de calor e/ou massa. Dentre as operações unitárias relacionadas, qual é baseada na transferência mútua de calor e massa? ( A) Evaporação
(B) Destilação (C) Absorção (D) Extração (E) Condensador Operações Unitárias II – prof . João Vicente 2016.1
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