Apostila Processos Industriais IPI1 Ana Paula.pdf IFSP Automação, Notas de estudo de Tecnologia Industrial

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Avaliação – P1 9 22/09 Balanços Energéticos 10 29/09 Balanços Energéticos 11 06/10 Exercícios – Balanços Energéticos 12 13/10 2ª Avaliação – 1ª Parte – Balanços Energéticos 13 20/10 Introdução a Operações Unitárias 14 03/11 Introdução a Operações Unitárias 15 10/11 Introdução a Operações Unitárias 16 17/11 2ª Avaliação – 2ª Parte / Entrega das Monografias 17 24/11 Química Analítica ( apresentação de trabalhos ) 18 01/12 Química Analítica ( apresentação de trabalhos ) 19 08/12 3ª Avaliação – P 3 SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA 1 – Estequiometria Industrial. Reynaldo Gomide. EPUSP- SP. 2 – Princípios dos Processos Químicos . Olaf A. Houghen, Kenneth M. Watson e Roland A. Ragatz. Livraria Lopes da Silva Editora - Porto. 3 - Química – um curso universitário. Bruce M. Mahan e Rollie J. Myers. Ed. Edgard Blücher Ltda. 4 – Princípios das Operações Unitárias. Alan Foust, Leonard Wenzel, Curtis Clump, Louis Maus e L. Bryce Andersen. Ed. Guanabara Dois S.A. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA Objetivos Gerais dos Balanços Materiais De um modo geral, os diversos problemas que se nos apresentam na prática pertencem a duas categorias gerais, quanto ao objetivo visado: 1) Problemas que visam obter como resposta um número que representa uma grandeza de determinação direta impossível, trabalhosa ou menos precisa do que assim calculada. São exemplos de perdas não localizadas ou múltiplas, de vazamentos pelo equipamento, de um rendimento ou de uma vazão em condutos de difícil acesso. 2) Problemas cuja resposta é a aceitação ou rejeição de um conjunto completo de dados experimentais, isto é, o objetivo visado nestes casos é o controle dos dados experimentais que se têm em mãos. O resultado do estudo poderá ser, ao invés da rejeição pura e simples dos dados, sua correção adequada de modo a que o princípio da conservação de massa seja respeitado. Emprego dos Balanços Materiais 1 – Balanços Materiais Totais Os balanços materiais aplicam-se às massas de todos os materiais que participam do processo, aos compostos químicos individualmente, ou a cada elemento isolado. Um balanço envolvendo o material todo que entra ou sai do processo denomina-se balanço total. Exemplo: Um tanque de armazenamento de água quente destinada a lavar lama de carbonato numa instalação de recuperação de soda do processo sulfato para produção de celulose recebe água de várias fontes. Num dia de operação, 240m³ de condensado da fábrica são enviados para este tanque, 80m³ de água quente contendo pequena quantidade de hidróxido de cálcio e soda cáustica, vêm do lavador da lama e 130 m³ são provenientes do filtro rotativo. Durante esse mesmo período, 300 m³ são retirados para usos diversos, 5 m³ são perdidos por evaporação e 1 m³ por vazamentos. A capacidade do tanque é de 500 m³ e, no início do dia, está cheio pela metade. Quanta água haverá no tanque, no fim do dia? 2 – Processos com Reação Química Nestes processos o emprego de unidades molares é mais vantajoso. Exemplo: Em instalações de solda oxiacetilênica, o acetileno, C2H2, é obtido pela reação entre a água e o carbeto de cálcio. Calcular durante quanto tempo poderá funcionar um maçarico desse tipo, sabendo que o gerador de acetileno encerra dois quilos de carbeto comercial, contendo 90% de CaC2, e que o gás SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA produzido é queimado à razão de 376 litros por hora medidos à temperatura de 27ºC e pressão de 700 mm Hg. Qual a vazão de ar seco para queimar o acetileno e qual a vazão dos gases produzidos na combustão, ambas a 27ºC e 700 mmHg? O ar encerra 21% de oxigênio em volume. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA 3 – Processos com desvio (bypass) de materiais É prática comum na indústria, desviar uma parte de uma corrente processual de uma ou mais unidades da instalação, para depois juntá-la com a corrente principal que passou pela unidade. Essa prática, conhecida como desvio ou “bypass”, pode ter diversas finalidades. Muitas vezes o material processado deverá ter especificações bem restritas a serem mantidas na saída da unidade (como uma composição, uma umidade ou uma temperatura bem definidas) e o controle torna-se mais fácil desta maneira. De fato, a unidade processará o material de modo a ultrapassar os requisitos processuais sem necessidade de um controle rigoroso e a mistura com a corrente desviada permitirá atingir o valor estipulado pela simples manipulação da válvula do desvio. Qualquer variação, para mais ou para menos, no funcionamento da unidade determinará um desvio de maior ou menor parcela da corrente principal. O valor da propriedade que se deseja manter no produto final é medido no ponto I da figura, depois do desvio, e o impulso é alimentado num aparelho de controle que abre ou fecha a válvula. O exemplo a seguir mostra, com dados simplificados, o funcionamento da corrente de bypass de um secador. Exemplo: Certa quantidade de ar encontra-se a 30ºC com 70% de umidade relativa e deve ser condicionada isotermicamente a 30% de umidade relativa, usando-se para secagem uma camada estacionária de sílica-gel. Para obter a umidade relativa constante de 30% no final da operação, parte do ar úmido inicial é desviada antes do secador e misturada depois do secador com ar seco, em proporção definida. Calcular a porcentagem do ar úmido desviado, no instante em que foram tomadas as seguintes medidas de umidade (umidade relativa já convertida em umidade absoluta em kg de água/ kg de ar seco): Umidade inicial .......................................................... 0,0182 Umidade na saída do secador (ar seco) ................... 0,0020 Umidade final (depois da mistura) ............................ 0,0077 SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA BALANÇOS DE ENERGIA A todos os processos industriais estão associadas alterações energéticas sob as mais variadas formas. Nos processos em que ocorrem reações químicas há liberação ou absorção de energia, geralmente na forma de calor. Nos processos de combustão a energia interna do combustível é utilizada para a geração de calor, como nos fornos e nas caldeiras, ou para a produção de trabalho, como nos motores e turbinas. Nas bombas e compressores fornece-se trabalho para acelerar ou comprimir fluidos e, nos trocadores de calor, transfere-se calor de um fluido quente para outro mais frio. É sempre importante a determinação da energia em suas diversas formas, posta em jogo nesses processos e, em muitos deles, ela é o elemento primordial da operação ou do projeto de toda a instalação. Inúmeros processos industriais resultam inoperáveis porque a devida consideração sobre a energia a fornecer ou retirar não foi levada em conta. Certas reações exotérmicas, por exemplo, poderão ter sua conversão completamente bloqueada se os meios necessários para a dissipação do calor de reação não forem bem previstos e estudados. Instalações em funcionamento podem muitas vezes operar em condições mais econômicas após um cuidadoso estudo energético da operação. Do ponto de vista energético, os processos são analisados através de balanços de energia, que consistem, fundamentalmente, na aplicação do primeiro princípio da termodinâmica à operação toda ou a uma parte. De acordo com esse princípio, ou seja, o da conservação de energia, a energia é indestrutível, e a quantidade total de energia que entra num sistema deve ser exatamente igual àquela que sai mais qualquer acúmulo dentro do sistema. No estabelecimento de um balanço energético geral para qualquer processo, é conveniente utilizar como base uma unidade de tempo de operação, por exemplo, uma hora, no caso de uma operação contínua, e um ciclo para uma operação descontínua ou intermitente. É necessário distinguir entre um processo contínuo (“flow –process”), no qual continuamente entram e saem do sistema correntes de matéria, e o processo descontínuo (“nonflow- process”), que é do tipo intermitente, e no qual não entram, nem saem do sistema nenhuma corrente contínua de matérias, durante o curso de operação. Um processo contínuo estacionário é também caracterizado por um estado estacionário de fluxo e por uma constância das temperaturas e das composições, em qualquer ponto dado, no processo, ao contrário das condições variáveis de temperatura e composição no processo descontínuo ou intermitente (“batch process”). Num balanço de energia, as energias entradas são iguais às energias saídas mais o aumento do inventário de energia dentro do sistema, na unidade do período de tempo, no processo contínuo, ou num dado ciclo da operação, para um processo descontínuo. Os dados necessários para efetuar balanços de energia são os que passaremos a considerar. Os balanços materiais deverão, preferivelmente, SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA estar completos. Não raro, porém, o resultado de um balanço de energia deve ser a determinação de um peso ou vazão de reagente ou produto cuja determinação direta ou por balanços materiais é impossível. Outras vezes se quer calcular uma reciclagem de produtos ou a conversão de reagentes em produtos e mais uma vez os balanços de energia constituem “ferramenta” adequada para tal fim. Contudo, sempre que isto puder ser realizado diretamente por balanços materiais, recomenda-se que assim seja feito, pois os dados utilizados nos balanços de energia são geralmente menos precisos que os dados analíticos. Necessita-se, ainda, das propriedades térmicas e termodinâmicas dos participantes do processo: capacidades caloríficas, entalpias de mudanças de estado físico ou alotrópico, poderes caloríficos de combustíveis e entalpias de reação. Finalmente, são necessários dados referentes a perdas pelo equipamento. Em muitas situações o objetivo principal do balanço é determinar estas perdas, porém há casos em que as mesmas podem ser calculadas ou avaliadas diretamente e, por esse motivo, deverão ser computadas nos balanços. Não faremos qualquer tentativa no sentido de fornecer todos os dados acima mencionados. Alguns serão apresentados a seguir, outros aparecerão nos enunciados dos problemas, porém a grande maioria deverá ser obtida em literatura especializada ( tabelas ). PRIMEIRO PRINCÍPIO DA TERMODINÂMICA Do ponto de vista termodinâmico os sistemas podem ser de dois tipos: sistemas fechados, como um moinho de bolas em operação, cujos invólucros (superfícies de separação com o meio) não são atravessados por matéria durante os processos que neles ocorrem; e sistemas abertos, como uma bomba ou um trocador de calor em funcionamento, através de cujos invólucros entra e sai matéria durante a operação normal. A maior parte dos sistemas considerados na engenharia química é deste segundo tipo. O primeiro princípio da termodinâmica relaciona a variação das quantidades das diversas energias armazenadas num sistema com as energias em trânsito (que não podem ser armazenadas) através do invólucro do sistema durante um processo. As duas formas de energia em trânsito são: o calor, representado por Q, e o trabalho, que representaremos por W. 1 – Sistemas Fechados. Para um sistema fechado, estabelece o primeiro princípio da termodinâmica que a diferença entre o calor fornecido ao sistema (calor fornecido ao sistema é considerado positivo) e o trabalho realizado pelo sistema (trabalho realizado pelo sistema é positivo), é igual à variação da energia total armazenada no sistema durante o processo considerado: Q - W = ∆E (1) O símbolo representa ∆E representa a diferença entre a energia E2 do sistema no estado final e a energia E1 no estado inicial do processo. Essa SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA expressão é válida para qualquer processo, reversível ou não, que tenha lugar no sistema considerado. A única restrição imposta é a de que o sistema seja fechado. Observe-se, também, que não há qualquer restrição sobre o caminho percorrido pelo processo entre os estados inicial e final: a diferença Q – W independe do caminho. Um sistema pode armazenar energia sob diversas formas: energia cinética, Ec, quando seu estado de movimento é alterado, havendo aceleração ou retardamento de seu movimento; energia potencial, Ep, quando o baricentro do sistema se eleva ou abaixa relativamente a um nível de referência fixo; energias elétricas, Ee, magnética, Em e de superfície, Es , todas relacionadas com o estado de movimento, com a posição do sistema em campos de força ou com o grau de subdivisão do sistema. Finalmente, a energia ou parte dela fornecida ao sistema, poderá ser armazenada sob uma forma que independe do estado de movimento ou de campos de força, mas que se relaciona diretamente com a natureza das substâncias que constituem o sistema. É a chamada energia interna, que se representa por U. A variação da energia total, ∆E, será a soma das variações destas diversas espécies de energia que podem ser armazenadas no sistema: ∆E = ∆U + ∆Ec + ∆Ep + ∆Ee + ∆Em + ∆Es Nos processos químicos comumente estudados, as variações de energia elétrica, magnética e de superfície são pouco importantes (nos fenômenos coloidais, a energia superficial é de grande importância) e, num grande número deles, a única importante é a variação de energia interna. As variações de energia cinética e potencial podem ser calculadas pelas expressões: ∆Ec = m ∆V² / 2 gc = m (V2² - V1²) / 2 gc e, ∆Ep= m ( g / gc ) ∆X = m ( g / gc ) (X2 – X1) , onde : V1 = velocidade do sistema no estado inicial ( o ponto sobre a letra é para evitar a confusão com volume); V2 = velocidade do sistema no estado final; X1 = altura do sistema no estado inicial, em relação a um plano fixo de referência; X2 = altura do sistema no estado final, em relação ao mesmo plano fixo de referência adotado para X1; gc = constante gravitacional. Para os casos mais comuns mencionados acima, a expressão do primeiro princípio torna-se: Q - W = ∆U + m ∆V² / 2 gc + m ( g / gc ) ∆X (2) SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA variação durante a passagem do sistema de um estado inicial para um estado final pode ser calculada pela diferença entre o valor desta energia no estado final e o valor correspondente no estado inicial. Assim, por exemplo, a variação de energia potencial do sistema de massa m, ao passar da altura X1 para a altura X2, será ∆Ep= m ( g / gc ) (X2 – X1), seja qual for o caminho do processo. Da mesma forma, a variação de entalpia ∆H = ( H2 – H1 ) . Propriedades do sistema, como T, P, V, Ep, Ec, U e H, comportam-se todas desta forma. Matematicamente, estas funções são chamadas funções de ponto. É óbvio que a variação de qualquer propriedade num sistema cíclico é nula. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA Gases Perfeitos – Tanto a energia interna como a entalpia são definidas, para cada sistema, em função das variáveis de estado (T, P, V, composição, etc.). No caso de sistemas homogêneos de um único componente, a energia interna e a entalpia são funções de duas variáveis apenas, como P e T, ou V e T, por exemplo. Além disso, a expansão de Joule e Thomson, revela-nos que se a única substância que constitui o sistema for um gás perfeito, tento U como H são funções da temperatura apenas (e da massa do sistema, obviamente). Assim sendo, quando um gás perfeito é submetido a um processo em decorrência do qual a temperatura passa do valor inicial T1, para o valor final T2, as variações de energia interna e de entalpia serão calculadas pelas expressões ∆U = U ( T2) – U ( T1) e ∆H = H ( T2) – H ( T1), onde U ( T ) e H ( T ) representam as funções que ligam as propriedades U e H à temperatura. Qualquer processo partindo da temperatura T1 e chegando à temperatura T2 , dará as mesmas variações de energia interna e de entalpia. Este fato será aproveitado logo a seguir, quando escolhermos os processos que mais nos convenham para obter os valores de ∆U e ∆H para gases perfeitos. Assim, para cálculo de ∆U entre T1 e T2 vamos escolher um processo isocórico realizado na ausência de efeitos cinéticos e gravitacionais no qual o único trabalho efetuado seja do tipo ∫PdV. De Q - ∫V1V2 PdV = ∆U, resulta: Q = ∆U Mas, para este processo particular, Q = mcv ( T2 – T 1 ) = mcv ∆T, onde m é a massa do sistema em kg e cv é o calor específico médio a volume constante, em kcal / kg °C. Portanto, para este processo, ∆U = mcv ∆T (6) e, como U é função de ponto, o valor ∆U assim calculado vale também para qualquer outro processo realizado entre T1 e T2 (isobárico ou adiabático, por exemplo), ainda que haja trabalho realizado ou quando ocorram variações de energia potencial, cinética, etc. Da mesma forma, num processo realizado à pressão constante, e com as mesmas restrições do parágrafo anterior, a expressão do primeiro princípio fornece: Q – ∫V1V2 PdV = ∆U ( P = cte) Isto é, Q – P ( V2 – V1 ) = ∆U Q = ∆U + P ∆V = ∆ ( U + PV ) = ∆H O calor posto em jogo durante este processo é dado por Q = mcp ∆T e, portanto, para este processo e para qualquer outro realizado com o mesmo sistema entre as mesmas temperaturas T1 e T2, será; ∆H = mcp ∆T (7) SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA ( cp = calor específico médio do gás, à pressão constante, entre as temperaturas T1 e T2). Se as capacidades caloríficas médias Mcp e Mcp forem utilizadas, as expressões anteriores escrever-se-ão: ∆U = n Mcv ∆T (8) ∆H = n Mcp ∆T (9) onde ∆T = ( T2 – T1 ) e n é o número de mol do gás que constitui o sistema. As capacidades caloríficas molares variam com a temperatura, de modo que as expressões anteriores, em função de Mcp e Mcp , são como segue: ∆U =∫T1T2 n Mcv ∆T (10) ∆H = ∫T1T2 n Mcp ∆T (11) Há expressões que permitem calcular Mcp de gases em função da temperatura. Para cálculos técnicos adota-se um polinômio do tipo Mcp= a + bT + CT², onde T é a temperatura em Kelvin e a , b, c são constantes empíricas. Valores médios para capacidades caloríficas molares podem ser utilizadas para um determinado intervalo de temperatura. À medida que aumenta a pressão, o comportamento dos gases afasta-se do ideal, e, tanto sua entalpia e energia interna como as capacidades caloríficas molares, começam a variar com P, além da temperatura. A baixas pressões, no entanto, variam apenas com a temperatura. Valores médios das capacidades caloríficas molares a pressão constante são mostrados na tabela abaixo, para intervalos de temperatura que vão de 18ºC até 3000ºC. A utilização desses dados permite o emprego direto da equação (9) para o cálculo de ∆H. Exemplo 1- Calcular a variação de entalpia de 260 g de acetileno entre 18ºC e 800ºC para um processo realizado à pressão atmosférica. Exemplo 2- Calcular a capacidade calorífica molar média do acetileno, à pressão constante, entre 500ºC e 800ºC. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA Exemplo : Calcular a entalpia de 1 mol de CO2 a 100ºC e pressão de 100 atmosferas. Dados tc = 31,1ºC e Pc = 73 atm. TROCADORES DE CALOR Os casos mais simples de balanços de energia são os exemplificados pelas importantes operações de transferência de calor em recuperadores, em trocadores de calor ou mesmo por contato direto entre dois fluidos. Constituem exemplos os aquecedores, resfriadores, condensadores, fervedores e evaporadores industriais. Em todos eles, um fluido (o fluido quente) aquece outro (o fluido frio) durante sua passagem pelo aparelho. Supondo o aparelho isolado e desprezando os efeitos cinéticos e gravitacionais como geralmente acontece nesses casos, para o sistema I constituído pelo comportamento onde circula o fluido frio, escreve-se Q = ∆H = ( H2 – H1 ), isto é, o calor recebido pelo fluido frio é igual à variação de entalpia desse fluido. Se, por outro lado, o sistema for o compartimento por onde circula o fluido quente (sistema II), então Q’ = ∆H’ = ( H’2 – H’1 ), neste caso, sendo H’2 < H’1, será Q’ < 0, isto é, o calor fornecido pelo fluido quente é igual à variação de entalpia deste fluido. O aparelho sendo isolado, será Q = – Q ‘ e resulta ∆H = – ∆H’. Considerando agora como sistema o aparelho todo, a equação se reduz a ∆H = 0, isto é ∑H2 – ∑H1 = 0 ou ( H2+ H’2 ) – (H1 + H’1 ) = 0. Observe-se que esta expressão é equivalente à obtida quando se igualou Q a – Q ‘. O funcionamento de trocadores de calor adiabáticos operando em regime permanente envolve a troca de calor entre o fluido quente e o fluido frio, conforme foi dito. Em cada ponto de trocador (figura B) o calor fornecido pelo fluido quente, que está à temperatura T, é igual ao calor recebido pelo fluido frio à temperatura t. A força propulsora do processo de transferência é a diferença de temperatura T – t, de modo que a temperatura do fluido quente deve ser sempre um infinitésimo, pelo menos, maior do que a temperatura do fluido frio na secção considerada do aparelho. As temperaturas T e t são determinadas pelas temperaturas iniciais dos fluidos e pelas respectivas capacidades caloríficas. A razão de transferência em cada ponto do trocador é determinada força propulsora T – t, juntamente com outros fatores construtivos e de operação do equipamento. Fixadas as temperaturas iniciais dos fluidos, as temperaturas em cada ponto serão determinadas pelo calor ganho ou perdido pelos dois fluidos até aquele ponto. É evidente que, havendo suficiente área de troca de calor, o fluido de menor capacidade calorífica total atingirá a temperatura do fluido de maior capacidade calorífica na saída ou na entrada do trocador, pois a transferência de uma dada quantidade de calor causará maior variação de temperatura no fluido de menor capacidade calorífica do que no outro. Quando as capacidades caloríficas puderem ser obtidas em função da temperatura, um processo analítico pode ser conveniente para a solução de problemas que envolvam a operação de trocadores de calor. Contudo, mesmo nesses casos mais simples, o emprego de métodos gráficos é bastante SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA desejável, pois esses métodos ressaltam certos pontos não revelados pela álgebra. Nos casos mais complexos, envolvendo mudanças de estado físico, reações químicas ou grandes variações das capacidades caloríficas, a utilização de métodos gráficos é quase imperiosa. Três tipos de operação envolvendo trocadores de calor podem ser empregados: corrente-paralela, quando dois fluidos são alimentados pelo mesmo lado do equipamento e escoam paralelamente pelo seu interior; contracorrente, quando cada fluido é alimentado por uma extremidade do trocador, e em correntes cruzadas. O segundo método de operação é mais comumente empregado porque a força propulsora é maior, em média, do que aquela que se obtém com outros métodos de operação, além de que a transferência de calor em corrente-paralela tende a ser bloqueada à medida que as temperaturas dos dois fluidos se aproximam uma da outra. Não obstante, a força propulsora inicial é maior na operação em corrente-paralela, de modo que a razão inicial de troca de calor é maior neste caso. É por isso que se opera em corrente-paralela quando se deseja um resfriamento rápido do fluido quente, como em certas operações onde os produtos de uma reação devem atravessar rapidamente um intervalo de temperaturas no qual teriam curso reações indesejáveis. Exemplo 1 – Uma fábrica propõe-se a utilizar um gás residual, atualmente eliminado a 400ºC, para a produção de vapor numa caldeira de recuperação. O vapor a ser obtido deverá ser saturado a 200ºC, utilizando-se água alimentada a 20ºC. Para um estudo preliminar adotar-se-á para a capacidade calorífica molar média do gás residual o valor de 8,2 kcal / kmol °C, para a capacidade calorífica média da água de alimentação, o valor 1,0 kcal / kg °C e, para a entalpia de vaporização da água a 200ºC, fornecendo vapor saturado a essa temperatura, o valor de 463,5 kcla / kg. Em condições ideais, isto é, sem perdas de calor para o meio e com superfícies de troca de calor suficientemente grandes, qual a produção máxima de vapor que se pode conseguir, em quilos por quilomol de gás residual? Exemplo 2 – Os gases provenientes da queima de um óleo combustível numa caldeira industrial apresentam a seguinte composição volumétrica: CO2 12,2%, O2 4,1%, CO 2,2%, N2 78,0%, H2O 3,5%. Sua temperatura na entrada da chaminé é de 300ºC. Deseja-se pré-aquecer o ar de combustão, que atualmente é alimentado à temperatura ambiente (20ºC), utilizando para isso um trocador de calor destinado a resfriar os gases até a temperatura de 80ºC. Calcular a temperatura a que se poderá pré-aquecer o ar, sabendo que todo nitrogênio dos gases é proveniente do ar alimentado. São dados: composição volumétrica do ar, 79% de N2 e 21% de O2. Capacidades caloríficas molares médias dos gases entre 20ºC e as temperaturas mencionadas acima (300ºC e 80ºC) podem ser obtidas de tabelas (como a do texto anterior) sem erro apreciável: SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA Admitir constante e igual a 7,0 kcal / kmol°C a capacidade calorífica do ar nos intervalos de temperatura considerados. Estabelecer claramente todas as hipóteses formuladas para a resolução do problema. 1 – Trocadores de Calor em Correntes-paralelas Conforme discutido anteriormente, os trocadores de calor podem ser operados com escoamento paralelo dos fluidos pelo aparelho, em contracorrente ou em correntes cruzadas. Ilustrações dos dois primeiros tipos de operação serão feitas a seguir. A operação com correntes cruzadas não será discutida, pois exigiria conhecimentos de transmissão de calor. Teremos a oportunidade de verificar, nos exemplos apresentados, que a operação em contracorrente é normalmente mais vantajosa, porém há casos especiais em que o escoamento paralelo é preferido, como na situação exemplificada a seguir. Exemplo – Os gases produzidos a 1000ºC no queimador de enxofre de uma fábrica de celulose sulfito devem ser resfriados rapidamente a fim de evitar oxidação apreciável do SO2 a SO3, o que viria prejudicar a operação dos digestores. Ao mesmo tempo em que se resfriam os gases, pensa- se recuperar sua energia para efetuar o pré-aquecimento do ar que vai ser alimentado ao queimador, utilizando para isso um trocador de calor operando em correntes -paralelas. A composição do gás que sai do queimador é a seguinte: SO2 =17,0%, SO3 = 0,72%, O2 = 2,6%, N2 = 77,7%, H2O = 1,98%. O ar, com 0,02 mol de água por mol de ar seco a 18ºC, será alimentado ao queimador à razão controlada de 0,98 kmol de ar seco por kmol de gás de saída do queimador. Para fins de estudos econômicos, deseja-se conhecer a resposta às seguintes perguntas: a) Se fosse possível, por algum meio, resfriar os gases até 18ºC, recuperando toda sua energia de aquecimento (sensível), quanto calor, em kcal por 100 kmol de gases seria obtido? b) Se, por outro lado, fosse possível aquecer o ar até 1000ºC, quanto calor seria transferido dos gases para o ar, expresso na mesma unidade e na mesma base? CO2 CO O2 N2 H2O 20ºC a 80ºC 9,2 7,0 7,1 7,0 8,0 20ºC a 300ºC 10,1 7,1 7,3 7,1 8,2 SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA inicialmente à temperatura padrão e 1 atm. Assim, para o carbonato de cálcio, cuja equação de síntese direta é Ca(s) + C (s) + 3/2 O2 (g) → CaCO3(s) , a entalpia de formação é ∆H18 = -288,45 kcal / mol , entendendo-se que este calor é liberado durante a produção de 1 mol CaCO3(s) sólido a 18ºC e 1 atm, partindo de 40 gramas de cálcio sólido, 12 gramas de carbono grafítico e 48 g de oxigênio gasoso, todos a 1 atm e 18ºC. Deve-se indicar claramente a variedade alotrópica dos elementos participantes da reação propriamente ditos, mas ainda os calores de mudanças de estado físico e alotrópico das substâncias envolvidas na reação. Os calores de formação dos elementos no estado padrão a 1 atm e à temperatura padrão, consideram-se iguais a zero. Observe-se que, para a reação acima escrita, ∆H18 = H CaCO3 – ∑HR , onde H CaCO3 indica a entalpia do carbonato de cálcio e ∑HR é a soma das entalpias dos reagentes. No caso particular que estamos considerando, ou seja, de entalpia de formação de uma substância, ∑HR = 0 e , portanto, ∆H18 = H CaCO3 . Isto significa que o valor indicado, -288,45, pode ser considerado como entalpia do CaCO3 a 18ºC em relação ao estado padrão a 18ºC e 1 atm. Exemplo – Calcular a entalpia padrão da reação 2 FeS2(s) + 11 / 2 O2(g) → Fe2O3(s) + 4 SO2, sendo dadas as entalpias padrão de formação dos componentes que participam da reação, respectivamente iguais a – 35500, – 198500 e – 70930 cal / mol. Entalpias de Reação com Reagentes e Produtos em Temperaturas Diferentes de 18ºC Neste caso o ∆H associado com a reação não é mais a entalpia padrão de reação. Continua sendo válida, contudo, a definição ∆H = ∑HP – ∑HR com as entalpias dos diversos participantes da reação calculadas em relação aos estados de referência (elementos no estado padrão a 18ºC e 1 atm) e á temperatura de 18ºC. O exemplo a seguir esclarecerá este ponto. Exemplo – Calcular a entalpia de reação do exemplo anterior, considerando agora os reagentes alimentados a 30ºC e os produtos formados a 100ºC. São dadas as capacidades caloríficas do Fe2O3, igual 0,23, e do FeS2, o,136 cal / g °C, ou seja, 36,8 e 16,3 cal / mol°C respectivamente. Reações Incompletas. Reações Sucessivas e Laterais. Reagentes em Excesso. Quando num dado processo, as reações que ocorrem não se complementam integralmente ou quando um ou mais reagentes se apresentam em excesso relativamente aos demais, deve-se levar em conta este fato ao calcular a variação de entalpia durante a reação. Nestes casos, somente os SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA números de mol que de fato reagiram devem ser considerados para efeito de cálculo do calor produzido ou consumido durante a reação. Por outro lado, devem ser levados em conta os excessos de reagentes ao se calcular as entalpias iniciais e finais. Da mesma forma, os reagentes que não se transformam em produtos não poderão ser ignorados ao se calcular a entalpia dos produtos. Se ocorrerem reações sucessivas ou laterais entre reagentes, todas as alterações térmicas decorrentes dessas reações deverão ser consideradas no cálculo. Recomenda-se adotar sempre uma base de cálculo para a resolução de problemas mais complexos deste tipo, uma vez que sua solução exige a realização de balanços materiais no sistema. Exemplo – Calcular a entalpia padrão de reação relativa à redução do óxido férrico, Fe2O3, com o dobro do coque necessário para realizar a operação conforme adiante descrita, sabendo que a redução do ferro alimentado à forma metálica se complementa com 80% e que os únicos out5ros produtos que deixam o processo são FeO e CO. determinou-se que 10% do ferro alimentado permanecem como Fe2O3 e que os restantes 10% formam FeO. São dadas as entalpias padrões de formação dos compostos participantes do processo e a do coque, todas em kcal / mol: HFe2O3 = - 198, 5 ; HFeO = - 64, 3 ; HCO= - 26,62 ; HC(coque) = +2,6 Balanços de Energia em Processos Industriais com Reações Químicas Nas reações químicas realizadas em escala industrial há geralmente reagentes em excesso, as reações não se complementam integralmente e, além disso, ocorrem reações laterais. Há, muitas vezes, substâncias inertes inicialmente presentes no sistema, sendo outras alimentadas com os reagentes. Alguns reagentes são alimentados a uma temperatura, outros em temperaturas diferentes e também os produtos são normalmente obtidos em temperaturas que diferem das anteriores. A situação complica-se ainda mais quando o processo se realiza a pressões relativamente altas, como é comum na indústria petroquímica. Para resolver problemas deste tipo é necessário adotar uma base de cálculo e efetuar os balanços materiais correspondentes, para finalmente proceder ao balanço de energia de modo formal. A variação de entalpia de um processo realizado em sistema aberto (em escoamento) em condições de regime permanente (ou em sistema fechado a pressão constante) pode ser obtida pela expressão: ∆H = ∑H’P – ∑HR ∑HR = soma das entalpias de todas as substâncias alimentadas ao sistema em reação, referidas à própria forma de combinação em que foram alimentadas e à temperatura de 18ºC, isto é, a soma das entalpias de aquecimento entre 18ºC SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA e a temperatura de cada reagente e mais, se for o caso, as entalpias de mudança de estado. ∑H’P = soma das entalpias de todas as substâncias que saem do sistema em reação (consideradas nas respectivas temperaturas), sendo a temperatura de referência 18ºC e o estado padrão adotado, a forma de combinação das substâncias alimentadas (em seu estado padrão a 18ºC). Em outros termos, o estado de combinação em que as substâncias são alimentadas ao sistema, em seu estado padrão a 18ºC, é tomado agora como estado de referência. É óbvio que, sendo HP a entalpia de um produto qualquer obtido no processo, referida ao estado padrão a 18ºC, a entalpia H’P desse mesmo produto, referida ao estado de combinação em que seus elementos foram alimentados ao processo, estará relacionada com HP através da reação que permite passar de um estado de combinação a outro. No caso mais geral os produtos se formam a partir dos reagentes em decorrência de várias reações, cada uma das quais tem sua entalpia padrão ∆H18, concluindo-se finalmente que a relação inicial poderá ser escrita sob a forma: ∆H = ∑HP + ∑∆H18 – ∑HR A demonstração matemática desta expressão poderia ser feita para o caso geral. Contudo, para fins didáticos é suficiente considerar um sistema em que os reagentes gasosos AB, CD e EF fornecem produtos gasosos AC, BD, AE e BF através de duas reações que ocorrem na proporção estequiométrica indicada pelas equações: AB + CD → AC + BD (1) AB + EF → AE + BF (2) As entalpias HAC , HBD , HAE e HBF são as entalpias de formação dos respectivos compostos a partir dos elementos A, B, C, D, E, F no estado padrão a 18ºC. Os H’ (H’AC , H’BD , H’AE e H’BF) são as entalpias dos mesmos compostos relativas aos reagentes AB, CD, EF a 18ºC. Para as reações (1) e (2) as entalpias padrões de reação ∆H1 e ∆H2 podem ser escritas: ∆H1 = ( HAC18+ HBD18) – (HAB18 + HCD18) ∆H2 = ( HAE18+ HBF18) – (HAB18 + HEF18) Supondo que todos os produtos sejam obtidos à temperatura TP e que os reagentes sejam alimentados à temperatura TR. Se os participantes forem gases perfeitos, então: HAB TR = HAB18+ CAB ( TR – 18 ) SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA INTRODUÇÃO A OPERAÇÕES UNITÁRIAS Os processos químicos podem ser constituídos por uma seqüência de etapas muito diferentes, que têm princípios fundamentais independentes da substância que está sendo operada e de outras características do sistema. No projeto de um processo, cada etapa a ser usada pode ser investigada individualmente. Algumas etapas são reações químicas, enquanto outras são modificações físicas. A versatilidade do responsável pelo processo deve-se ao treinamento em decompor praticamente um processo complicado em etapas físicas individuais, denominadas operações unitárias, e em reações químicas. O conceito de operações unitárias está baseado na filosofia de que uma seqüência amplamente variável de etapas pode ser reduzida a operações simples, ou a reações, que são idênticas, independentemente do material que está sendo processado. Este princípio foi apresentado por A. D. Little, em 1915 : “ Qualquer processo químico, qualquer que seja a sua escala, pode ser decomposto numa série coordenada do que se podem denominar “ações unitárias”, como moagem, mistura, aquecimento, ustulação, absorção, condensação, lixiviação, precipitação, cristalização, filtração, dissolução, eletrólise, etc. O número destas operações unitárias básicas não é muito grande e relativamente poucas delas estão presentes num processo particular qualquer. A complexidade dos processos de engenharia química provém da diversidade de condições, como a temperatura, a pressão, etc., sob as quais as ações unitárias devem ser realizadas nos diversos processos, e das limitações dos materiais de construção e do projeto dos equipamentos, impostas pelo caráter físico e químico das substâncias reagentes.” A lista original das operações unitárias, mencionadas acima, contém uma dúzia de ações, nem todas das quais consideradas operações unitárias. Desde aquela época foram acrescentadas outras a uma taxa anual modesta, que aumentou nos anos mais recentes. Há muito tempo são reconhecidos como operações unitárias o transporte de fluidos, a transferência de calor, a destilação, a umidificação, a absorção de gases, a sedimentação, a classificação, a agitação e a centrifugação. Nos anos mais recentes, com o aumento da compreensão das novas técnicas – e a adaptação de técnicas antigas, mas raramente usadas – aumentou continuamente o número de separações, de operações de processamento ou de etapas na manufatura que podem ser usadas sem alteração significativa em processos que cobrem ampla diversidade. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA Integração das Operações Unitárias Os estudos iniciais das operações unitárias como etapas independentes constituíram parte importante dos fundamentos sobre os quais se desenvolveu o crescimento fenomenal da indústria química. A apresentação tradicional das operações unitárias tem sido na forma de um pacote, reunindo-se num mesmo conjunto a informação teórica e as informações práticas pertinentes a cada operação. Análise das Operações Unitárias As operações unitárias podem ser analisadas e agrupadas mediante a adoção de qualquer entre três métodos. Por meio de um modelo físico simples que reproduz a ação da operação; ou pela consideração do equipamento usado na operação, ou, ainda, por investigação mediante uma expressão matemática inicial que descreve a ação e é verificada contra os dados experimentais do processo. Faremos as análises de muitas dessas operações de maneira didática, tentando levar ao estudante uma compreensão do que acontece num processo industrial. Os cálculos necessários para o dimensionamento dos equipamentos que realizam as operações que serão descritas devem ser objeto de estudo dos profissionais de engenharia química, que aliados aos engenheiros mecânicos conseguem otimizar os equipamentos de processos. A partir de agora estudaremos algumas operações unitárias presentes em vários processos industriais. Esse capítulo só deverá ser encerrado na disciplina Introdução a Processos Industriais 2, no próximo semestre. OPERAÇÕES UNITÁRIAS 1 – Moagem – Redução de Tamanho de Sólidos Na indústria química, a redução de tamanho é realizada com o objetivo de aumentar a superfície de contato, pois, na maior parte das reações que envolvem partículas sólidas, a velocidade é diretamente proporcional à área de contato com uma segunda fase. Assim, a velocidade de combustão de partículas sólidas é proporcional à área apresentada ao gás, embora existam outros fatores que também afetam a reação. Na lixiviação, não só aumenta a velocidade de extração devido a maior área de contato entre o solvente e o sólido, como, além disso, diminui a distância que o solvente tem a penetrar no interior das partículas, a fim de ter acesso às bolsas mais remotas do soluto. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA Este fator também é importante na secagem de sólidos porosos, em que a redução de tamanho provoca um aumento de área e também uma diminuição da distância que a umidade tem de percorrer no interior das partículas, a fim de atingir a superfície. Mecanismos de Redução de Tamanho O mecanismo do processo de redução de tamanho é extremamente complexo. Se um bloco único de material for sujeito a um impacto brusco, geralmente partir-se-á, dando lugar a partículas relativamente grandes e a um certo número de partículas pequenas, sendo pequena a quantidade de partículas de tamanho intermediário. Se a energia da pancada aumentar, as partículas maiores serão de tamanho menor que o anterior e mais numerosas e, apesar de aumentar a quantidade de partículas finas, seu tamanho não será alterado. Assim, descobre-se que o tamanho das partículas finas está intimamente ligado à estrutura interna do material e o tamanho das partículas maiores está relacionado com o processo pelo qual se efetua a redução de tamanho. A energia necessária para efetuar a redução de tamanho do material está relacionada com a estrutura interna do material e o processo, ou seja, primeiro ocorre a abertura por quaisquer pequenas fissuras presentes e, segundo, a formação de nova superfície. Natureza do Material a Triturar A escolha da máquina para uma dada operação de trituração será afetada pela natureza do produto que se pretende e pela quantidade e dimensão do material a tratar. As propriedades mais importantes do material a ser moído, sem falar na dimensão, são: a) Dureza – A dureza do material afeta o consumo de energia e o desgaste da máquina. Com materiais duros e abrasivos é necessário usar uma máquina de baixa velocidade e proteger os apoios das poeiras abrasivas que são produzidas. b) Estrutura – Os materiais granulares normais, como carvão, minérios e rochas podem triturar-se eficientemente com o emprego das forças normais de compressão, impacto, etc. Para materiais fibrosos é necessário efetuar uma ação de rompimento. c) Conteúdo de umidade – Verifica-se que os materiais não correm bem se contiverem entre 5 e 50% de umidade; nestas condições, os materiais tendem a aglutinar-se formando bolas. A moagem pode realizar-se satisfatoriamente, em geral, fora destes limites. d) Resistência ao esmagamento – A potência necessária para o esmagamento é quase diretamente proporcional à resistência do material ao esmagamento. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA 2 – Mistura e Agitação O problema de misturar duas ou mais substâncias revelou-se um dos problemas entre todas as operações unitárias. A mistura efetua-se normalmente por uma das seguintes razões: • para promover contato íntimo entre as substâncias e, conseqüentemente, para proporcionar um melhor controle duma reação química. • Para preparar materiais com novas propriedades necessariamente presentes nos ingredientes. Por exemplo, a pólvora é uma mistura de carvão, enxofre e nitrato de potássio; contudo, tem propriedades completamente diferentes. O equipamento de mistura pode ser projetado para funcionamento em regime contínuo ou descontínuo. Enquanto os gases e os líquidos finos ou suspensões podem ser trabalhados em misturadores contínuos, os materiais muito viscosos ou plásticos têm normalmente de ser tratados num sistema descontínuo. Os misturadores contínuos são representados por simples jatos para gases, pelas bombas centrífugas para líquidos e pelos transportadores de correia, que são usados como misturadores simples para sólidos. 3 – Filtração É a operação pela qual se separa um sólido de um líquido ou gás, mediante um meio poroso que retém o sólido, mas deixa passar o fluido. As condições em que se efetua a filtração variam muito e a escolha do tipo de equipamento mais apropriado dependerá de um grande número de fatores: • As propriedades do fluido, em particular sua viscosidade, massa específica e propriedades corrosivas. • A natureza do sólido – a dimensão e forma das suas partículas, a distribuição granulométrica e as características de empilhamento. • A concentração de sólidos em suspensão. • A quantidade de material a movimentar e o seu valor. • O fato de o material mais nobre (maior valor agregado) ser o sólido, o fluido ou ambos. • O fato de ser ou não necessário lavar os sólidos filtrados. • O fato de ser ou não prejudicial ao produto uma contaminação muito leve causada pelo contato da suspensão ou do filtrado com vários componentes do equipamento. O Meio Filtrante A função do meio filtrante é atuar como suporte para o bolo de filtração, ao passo que as camadas iniciais de bolo constituem o verdadeiro filtro. O meio SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA filtrante deve ser mecanicamente forte, resistente à ação corrosiva do fluido e deve oferecer uma resistência tão pequena quanto possível ao fluxo do filtrado. Usa-se, por isso, muitas vezes, material relativamente grosseiro e não se obtém um filtrado límpido enquanto não se formam as camadas iniciais de bolo (o filtrado turvo, inicial, deve ser recirculado). Os meios filtrantes mais importantes: • Materiais tecidos, como: lã, algodão, linho, seda, plásticos, fibras, metal. • Chapas perfuradas de metal. • Materiais granulares, como: brita, areia, carvão. • Sólidos porosos. • Materiais de fibras entrecruzadas, sendo mais largamente usado o papel poroso. Equipamento de Filtração O filtro mais apropriado para qualquer operação determinada é aquele que preencher os requisitos com o mínimo custo. 1 – Filtros de meio filtrante granulado. São os filtros industriais mais simples, constituídos por uma ou mais camadas de sólidos particulados, suportados por um leito de cascalho sobre uma grade, através do qual o material a ser filtrado flui por gravidade ou por pressão. Em alguns desses filtros usam-se dois leitos. Esses filtros são usados primordialmente quando se tratam de grandes volumes de suspensão muito diluída, nas quais nem o sólido nem o líquido têm valor unitário elevado, e quando o produto sólido não deve ser recuperado. Os meios filtrantes duplos permitem operação mais prolongada no ciclo de filtração, antes de ser necessária a lavagem em corrente reversa. Chega-se a um ponto, porém, em que a vazão cai, ou em que a queda de pressão se torna excessiva, então, a filtração cessa e o leito tem que ser limpo, mediante uma lavagem com corrente invertida de água, seguida possivelmente por uma lavagem com ar. 2 – Filtros de mangas ou de sacos. São utilizados para separar sistemas gás-sólidos. Este filtro é constituído por grandes sacos de feltro, ou de outro tecido, suspensos transversalmente no canal de escoamento do gás. É possível ter centenas desses sacos em paralelo. O gás ao passar através dos sacos, deposita, no seu interior, os sólidos arrastados. Os sacos são periodicamente limpos, mediante a agitação da armação a que estão suspensos. 3 – Filtro-prensa. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA É o dispositivo de filtragem mais comum na indústria química. Embora esteja sendo substituído, nas grandes instalações, por dispositivos de filtragem contínua, tem as vantagens de baixo custo, extrema flexibilidade de operação e custo de manutenção pequeno. Por outro lado, a necessidade de desmontagem manual periódica constitui um gasto de mão de obra. O filtro-prensa é projetado para realizar diversas funções, cuja seqüência é controlada manualmente. Durante a filtração o filtro-prensa: • Permite a injeção da suspensão a filtrar até as superfícies filtrantes, por intermédio de canais apropriados; • Permite a passagem forçada da suspensão através das superfícies filtrantes; • Permite que o filtrado que passou pelas superfícies filtrantes seja expelido através de canais apropriados; e • Retém os sólidos que estavam inicialmente na suspensão. O modelo mais comum de filtro-prensa consiste em placas e quadros que se alternam numa armação e que são comprimidos fortemente, uns contra os outros. O meio filtrante pode ser uma lona ou um tecido sintético ou papel de filtro ou tela metálica, e é suspenso sobre as placas cobrindo as duas faces. 4 – Filtros contínuos. Os processos modernos, de elevada capacidade, tornaram obrigatório o desenvolvimento de filtros contínuos, dos quais se usam comumente diversos modelos. Nestes filtros, a suspensão é injetada continuamente, e o bolo e o filtrado são produzidos, também, continuamente. São exemplos desses filtros: • Filtro rotatório horizontal, especialmente adaptado à filtração de sólidos cristalinos com drenagem rápida; • Filtro a vácuo e disco rotatório. Este filtro permite uma taxa de filtração especialmente elevada; • Filtro a vácuo com tambor rotatório. 5 – Filtração por centrifugação. A operação de filtração pode ser efetuada usando-se a força centrífuga em lugar da força gerada pela pressão. Os filtros que operam com força centrífuga são usados, geralmente, para a separação de sólidos granulados grosseiros ou de sólidos cristalinos, e podem operar descontínua ou continuamente.