Baixe fisica industrial - 05937 e outras Notas de estudo em PDF para Farmácia, somente na Docsity! www.blucher.com.br OPERAÇÕES UNITÁRIAS EM SISTEMAS PARTICULADOS E FLUIDOMECÂNICOS Marco Aurélio Cremasco Marco Aurélio Cremasco é natural de Guaraci (PR). Engenheiro químico pela Universidade Estadual de Maringá, mestre em Engenharia Química pela COPPE - Universidade Federal do Rio de Janeiro, doutor em Engenharia Mecânica e livre-docente em Engenharia Química pela Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP; tem ainda pós-doutorado em Engenharia Química na Purdue University, EUA. Professor na Faculdade de Engenharia Química da UNICAMP desde 1986, Cremasco possui os livros “Fundamentos de transferência de massa” e “Vale a pena estudar Engenharia Química”, os quais são adotados em diversas escolas de Engenharia Química, no Brasil. Em suas linhas de pesquisa tem tido projetos financiados pela UNICAMP, FAPESP, FINEP e PETROBRÁS. O PERAÇÕ ES UN ITÁRIAS CREM ASCO Este livro está inserido no campo de conhecimento das operações unitárias relativas ao fenômeno de transporte de quantidade de movimento. Aborda um conjunto de operações que envolvem o transporte de fluido e a interação física fluido-partícula em operações de transporte, mistura e separação mecânica entre fases sólido-fluido e entre particulados distintos. O livro é dividido em duas partes: sistemas fluidomecânicos e sistemas particulados. São apresentadas noções sobre sistemas fluidomecânicos na movimentação de fluidos por meio de bombas, compressores e sopradores. Já os sistemas particulados estão presentes na caracterização de particulados, na dinâmica de partícula isolada, na fluidodinâmica da mistura fluido-partícula, assim como na separação mecânica de particulados por meio de câmaras de poeira e de equipamentos ciclônicos; no escoamento de fluidos através de leitos fixos e fluidizados; transporte pneumático e hidráulico de sólidos e na separação sólido-fluido por meio da sedimentação e da filtração. A proposta desse livro é a de apresentar, de forma simultânea, a formulação básica dos fenômenos que aparecem nessas operações unitárias e a sua aplicação tecnológica. Esta obra pode ser utilizada em cursos de graduação e de pós-graduação, bem como material de apoio aos profissionais de engenharia química, agrícola, de alimentos, de produção, mecânica, química tecnológica entre outras profissões. i serido no campo de conhecimento 1 Introdução às Operações Unitárias 2 Princípios de Sistemas Fluidomecânicos 3 Bombas 4 Compressores e sopradores 5 Agitação e mistura 6 Caracterização de partículas 7 Fluidodinâmica de uma partícula isolada 8 Separação de particulados por ação gravitacional e centrífuga 9 Fluidodinâmica em Sistemas Particulados e Granulares 10 Escoamento de fluidos em leitos fixos e colunas recheadas 11 Fluidização 12 Transporte de sólidos por arraste em fluidos 13 Sedimentação 14 Filtração MARCO AURÉLIO CREMASCO Apresentação 1 Operações unitárias em sistemas particulados e fluidomecânicos Operacoes unitarias-00.indd 1 01/02/12 15:38 4 Operações unitárias em sistemas particulados e fluidomecânicos Todos os direitos reservados pela Editora Edgard Blücher Ltda. Operações unitárias em sistemas particulados e fluidomecânicos © 2012 Marco Aurélio Cremasco Editora Edgard Blücher Ltda. Rua Pedroso Alvarenga, 1.245, 4º andar 04531-012 – São Paulo – SP – Brasil Tel.: 55 (11) 3078-5366 editora@blucher.com.br www.blucher.com.br Segundo Novo Acordo Ortográfico, conforme 5. ed. do Vocabulário Ortográfico da Língua Portuguesa, Academia Brasileira de Letras, março de 2009. É proibida a reprodução total ou parcial por quaisquer meios, sem autorização escrita da Editora. Índices para catálogo sistemático: 1. Sistemas particulados: Operações unitárias Engenharia química 660.284292 2. Sistemas fluidomecânicos: Operações unitárias: Engenharia química 660.284292 Ficha Catalográfica Cremasco, Marco Aurélio Operações unitárias em sistemas particulados e fluidomecânicos / Marco Aurélio Cremasco. -- São Paulo: Blucher, 2012. Bibliografia ISBN 978-85-212-0593-7 1. Engenharia química 2. Operações unitárias 3. Sistemas fluidomecânicos 4. Sistemas particulados I. Título. 11-01735 CDD-660.284292 Operacoes unitarias-00.indd 4 01/02/12 15:38 Apresentação 5 Apresentação A educação é a fonte criadora, transformadora e inovadora que nutre o ser humano. A necessidade da educação deve estar no topo das prioridades de qual- quer nação, além de ser a base para a sustentabilidade dos progressos científicos e tecnológicos. O crescimento de uma nação, invariavelmente, está associado aos desenvolvimentos científicos e tecnológicos os quais estão presentes em todas as etapas na obtenção de um produto ou de um processo, desde a sua concepção até o instante em que é posto no mercado. A tecnologia, por sua vez, não está somente associada a inventos, mas também à contínua transformação, adaptação do já existente, buscando, sobretudo, o me- lhor, o mais barato, o otimizado e o sustentável. Tendo em vista tal necessidade, uma determinada tecnologia, ainda que com resultados satisfatórios comprovados, pode ser posta em xeque à medida que a curiosidade humana a questiona para aprimorá-la. Para tanto, é essencial o domínio da ciência para a sua aplicação en- quanto tecnologia. É nesse contexto que apresentamos o livro Operações unitá- rias em sistemas particulados e fluidomecânicos. Este livro insere-se no campo de conhecimento das operações unitárias relati- vas ao fenômeno de transporte de quantidade de movimento e aborda um conjunto dessas operações, que envolvem o transporte de fluido (gás, vapor, líquido; ou a mistura de gases e líquidos e solução entre líquidos distintos), de sólidos, e da mis- tura sólido e fluido, assim como se refere à interação física presente em contatos fluido–fluido, fluido–sólido, sólido–sólido e sólido–fluido em operações de trans- porte, mistura, separação de partículas. Dessa maneira, o livro é dividido em duas partes: sistemas fluidomecânicos e sistemas particulados. Sistemas fluidomecânicos são, usualmente, definidos como um conjunto for- mado por máquinas e/ou dispositivos cuja função é adicionar ou extrair energia para (ou de) um fluido de trabalho. São apresentadas, neste livro, noções sobre as operações unitárias em sistemas fluidomecânicos presentes na movimentação (transporte, agitação etc.) de fluidos ou mistura sólido–fluido por meio de máqui- nas de fluidos tais como bombas, compressores e sopradores. Tais sistemas são Operacoes unitarias-00.indd 5 01/02/12 15:38 6 Operações unitárias em sistemas particulados e fluidomecânicos abordados a partir do segundo capítulo, em que há uma revisão básica de mecâ- nica de fluidos, seguindo-se os capítulos relativos a bombas e compressores, até o quinto capítulo, no qual se apresenta a operação de agitação de líquidos. Inclui-se a agitação como um dispositivo fluidomecânico, na medida em que, para um sistema agitado, adiciona-se energia com o objetivo de promover mistura. Já nos sistemas particulados existe a preocupação relativa ao entendimento fenomenológico da interação sólido–fluido e sólido–sólido, envolvendo ou não o efeito de dispositivos fluidomecânicos. Os sistemas particulados estão, portanto, presentes na caracterização de particulados, na dinâmica da partícula isolada, na fluidodinâmica da mistura fluido–partícula, assim como na separação de particula- dos, no escoamento de fluidos através de leitos fixos e móveis de partículas; flui- dização, transporte pneumático e hidráulico de sólidos, sedimentação e filtração. As operações unitárias referentes aos sistemas particulados são apresentadas do Capítulo 6 ao 14, sendo que no sexto capítulo introduz-se a caracterização de partículas, tais como porosidade, diâmetro, esfericidade e distribuição granulomé- trica. No Capítulo 7 expõe-se a fluidodinâmica de uma partícula isolada, na qual se apresentam conceitos sobre velocidade terminal, coeficientes de arraste e força re- sistiva. No Capítulo 8 são apresentadas técnicas de separação de particulados ten- do como fundamento a trajetória da partícula. Tais técnicas são baseadas na ação gravitacional, como é o caso de elutriação e câmara de poeira, e na ação centrífu- ga, em que se aborda a separação mecânica utilizando-se equipamentos ciclônicos (ciclones e hidrociclones). Estuda-se, no Capítulo 9, a fluidodinâmica de sistemas particulados a partir da definição de concentração de partículas, bem como da apresentação da teoria das misturas da mecânica do contínuo, visando à obtenção das equações da continuidade e do movimento para as fases fluida e particulada em uma dada mistura. São tais equações que possibilitarão a introdução da fluidodinâ- mica afeita às operações unitárias que seguirão nos capítulos subsequentes, como o Capítulo 10, no qual se trata do escoamento de fluidos em leitos fixos e colunas recheadas; no Capítulo 11, em que a fluidização, homogênea e heterogênea, é es- tudada, incluindo o contato em leito de jorro; no Capítulo 12, em que se apresenta o transporte de sólidos por arraste de fluidos, ou seja, os transportes pneumático e hidráulico. Os dois últimos capítulos referem-se ao escoamento de sólidos em meios deformáveis relativos à sedimentação e à filtração. A proposta deste livro é a de apresentar, de forma simultânea, a formulação bá- sica dos fenômenos que aparecem nas operações unitárias relativas ao transporte de quantidade de movimento, como também a sua imediata aplicação tecnológica. São fornecidos, ao longo dos capítulos, exemplos resolvidos para que o leitor (em particular o estudante) possa complementar o seu estudo. Apresenta-se, também, no final do livro, um conjunto de exercícios com os respectivos resultados. Tendo em vista o formato apresentado neste livro, esta obra cobre boa parte da ementa normalmente proposta para a disciplina Operações unitárias I (ou à semelhança) a qual envolve o manuseio de particulados (sem transformação quí- mica e sem os efeitos de fenômenos de transferência de calor e de massa e daque- les processos que exigem o conhecimento de termodinâmica). A obra, portanto, Operacoes unitarias-00.indd 6 01/02/12 15:38 Conteúdo 9 Para Solange Bonilha Ribeiro Cremasco, minha esposa Operacoes unitarias-00.indd 9 01/02/12 15:38 10 Operações unitárias em sistemas particulados e fluidomecânicos Operacoes unitarias-00.indd 10 01/02/12 15:38 Conteúdo 11 Conteúdo 1 INTRODUÇÃO ÀS OPERAÇÕES UNITÁRIAS. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 19 1.1 Introdução .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 19 1.2 Processo .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 21 1.3 Operações unitárias .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 21 1.4 Sistemas fluidomecânicos e particulados .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 24 1.5 Bibliografia consultada . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 27 2 PRINCÍPIOS DE SISTEMAS FLUIDOMECÂNICOS . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 29 2.1 Introdução .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 29 2.2 Fluidos e classificação reológica . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 29 2.3 Dinâmica do escoamento de fluidos.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 31 2.3.1 Equação da continuidade para um fluido homogêneo . .. .. 31 2.3.2 Equação do movimento para um fluido homogêneo . .. .. .. 32 2.4 Equação simplificada para a energia mecânica .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 34 2.5 Atrito mecânico e perda de carga .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 36 2.6 Perdas de energia ou de carga em acidentes .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 43 2.6.1 Coeficiente de perda de carga localizada .. .. .. .. .. .. .. .. .. 44 2.6.2 Método do comprimento equivalente .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 45 2.7 Bibliografia consultada . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 49 2.8 Nomenclatura .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 51 Operacoes unitarias-00.indd 11 01/02/12 15:38 14 Operações unitárias em sistemas particulados e fluidomecânicos 7 FLUIDODINÂMICA DE UMA PARTÍCULA ISOLADA .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 159 7.1 Introdução .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 159 7.2 Dinâmica de um ponto material .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 159 7.3 Velocidade terminal .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 165 7.3.1 Efeito da presença de contornos rígidos na velocidade terminal . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 168 7.3.2 Efeito da concentração de sólidos na velocidade terminal 170 7.4 Força resistiva .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 171 7.5 Comprimento da região de aceleração .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 173 7.6 Bibliografia consultada . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 178 7.7 Nomenclatura .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 179 8 SEPARAÇÃO DE PARTICULADOS POR AÇÃO GRAVITACIONAL E CENTRÍFUGA.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 181 8.1 Introdução .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 181 8.2 A trajetória da partícula .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 181 8.3 Separação de partículas sujeitas ao campo gravitacional . .. .. .. .. 182 8.3.1 Elutriação . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 184 8.3.2 Câmara de poeira . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 185 8.4 Separação de partículas sujeitas ao campo centrífugo .. .. .. .. .. .. 189 8.4.1 Centrifugação e especificação de centrífugas.. .. .. .. .. .. .. 190 8.5 Separadores centrífugos: ciclones e hidrociclones .. .. .. .. .. .. .. .. 193 8.5.1 Características geométricas e fluidodinâmicas em ciclones e hidrociclones .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 193 8.5.2 Separação de particulados em ciclones e hidrociclones .. 196 8.5.3 Eficiência individual de coleta no campo centrífugo .. .. .. 199 8.5.4 Queda de pressão em equipamentos ciclônicos . .. .. .. .. .. 200 8.5.5 Sistemas em série e em paralelo de equipamentos ciclônicos . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 203 8.6 Bibliografia consultada.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 210 8.7 Nomenclatura . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 211 Operacoes unitarias-00.indd 14 01/02/12 15:38 Conteúdo 15 9 FLUIDODINÂMICA EM SISTEMAS PARTICULADOS E GRANULARES 215 9.1 Introdução .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 215 9.2 Definições para concentração .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 216 9.3 Teoria das misturas da mecânica do contínuo . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 218 9.3.1 Equações da continuidade para as fases fluida e particulada .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 218 9.3.2 Equações do movimento para as fases presentes na mistura .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 219 9.4 Equações constitutivas . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 222 9.4.1 A força resistiva .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 222 9.4.2 O tensor tensão . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 223 9.5 Condições de fronteira . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 226 9.5.1 Condição inicial .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 227 9.5.2 Condições de contorno . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 227 9.6 Bibliografia consultada . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 232 9.7 Nomenclatura .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 234 10 ESCOAMENTO DE FLUIDOS EM LEITOS FIXOS E COLUNAS RECHEADAS .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 237 10.1 Introdução .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 237 10.2 A fração de vazios (ou porosidade do leito) . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 238 10.3 Fluidodinâmica em leitos fixos . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 245 10.4 Permeabilidade . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 247 10.5 O modelo capilar.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 248 10.6 Colunas recheadas.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 252 10.6.1 Balanço macroscópico de matéria em uma coluna recheada .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 254 10.6.2 Queda de pressão e ponto de inundação em uma coluna recheada .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 256 10.7 Bibliografia consultada . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 262 10.8 Nomenclatura .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 263 Operacoes unitarias-00.indd 15 01/02/12 15:38 16 Operações unitárias em sistemas particulados e fluidomecânicos 11 FLUIDIZAÇÃO . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 265 11.1 Introdução .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 265 11.2 Regimes fluidodinâmicos na fluidização . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 265 11.3 Fluidodinâmica da fluidização.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 267 11.3.1 Fluidização homogênea .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 268 11.3.2 Fluidização heterogênea . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 277 11.4 Elutriação (arraste de partículas) . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 281 11.5 Leito de jorro . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 283 11.5.1 Curva característica do leito de jorro .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 284 11.5.2 Fluidodinâmica do leito de jorro em colunas cilíndricas .. 286 11.6 Bibliografia consultada . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 291 11.7 Nomenclatura .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 293 12 TRANSPORTE DE SÓLIDOS POR ARRASTE EM FLUIDOS .. .. .. .. .. . 295 12.1 Introdução .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 295 12.2 Descrição do transporte vertical . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 298 12.2.1 Regime diluído .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 300 12.2.2 Regime denso . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 300 12.2.3 Choking .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 301 12.3 Fluidodinâmica do transporte vertical . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 302 12.3.1 Queda de pressão no transporte vertical em regime estabelecido .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 306 12.3.2 Comprimento da região de aceleração no transporte vertical .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 308 12.4 Descrição do transporte horizontal .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 314 12.5 Fluidodinâmica do transporte horizontal .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 316 12.5.1 Queda de pressão no transporte hidráulico de suspensões homogêneas .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 317 12.6 Bibliografia consultada . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 320 12.7 Nomenclatura .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 322 Operacoes unitarias-00.indd 16 01/02/12 15:38 1 – Introdução às operações unitárias 19 Cap ítul o 1 Introdução às operações unitárias 1.1 Introdução É fundamental para o(a) profissional de engenharia e de tecnologia com- preender a natureza de um processo produtivo, desde aspectos microscópicos (pro- priedades físico-químicas da matéria envolvida em etapas de produção; grandezas termodinâmicas e fenomenológicas etc.), até aspectos macroscópicos (balanço de matéria e de energia, detalhamento de equipamentos e acessórios, instrumentação etc.). Assim, um dos elementos-chave na formação e na atuação desse(a) profi s- sional é a compreensão do processamento de uma determinada matéria-prima para obter certo produto, conforme esquematizado na Figura 1.1. Matéria-prima Transformação Produto Figura 1.1 Processo básico de transformação. Ao se pensar em um produto, pode-se vislumbrá-lo tanto no resultado de alta tecnologia quanto no oriundo de processos artesanais ou mesmo em algo que todos utilizam (ou ao qual deveriam ter acesso) diariamente como é o caso da água trata- da, na qual a matéria-prima corresponde à água bruta, coletada em um manancial, e o produto, a água de abastecimento às residências. Entre a água bruta e a água tratada existe um processo (Figura 1.2). De maneira bastante simplifi cada, pode-se descrever o tratamento de água por meio das seguintes etapas: Operacoes unitarias-01.indd 19 01/02/12 11:52 20 Operações unitárias em sistemas particulados e fluidomecânicos Rio Elevatória da água bruta Tela de contenção Adução de água bruta Adução de água tratada Tanque de distribuição água tratada Tanque de distribuição água tratada Coagulação Floculação Filtração Agitação Decantação Cloração Fluoretação Rede de distribuição Agitação Agitação Figura 1.2 Processo simplificado de tratamento de água (baseada em O2 Engenharia e Saneamento Ambiental, 2011). 1. retenção macroscópica de sólidos utilizando-se dispositivos de contenção; 2. sucção (adução) da água bruta ao reservatório de água bruta; 3. bombeamento da água bruta a um reservatório de coagulação, com agita- ção intensa, no qual adicionam-se agentes floculantes como o sulfato de alumínio, Al2(SO4)3; 4. transporte da água bruta a um floculador; 5. floculadores, que são tanques com agitação suave, nos quais existe a aglu- tinação das partículas para facilitar a posterior decantação; 6. transporte da água floculada a um decantador (clarificador, no caso) para promover a separação de aglomerados de partículas; 7. transporte da água clarificada a um filtro para reter partículas de menores diâmetros; 8. transporte de água filtrada a um tanque agitado no qual existe adição de agentes antipatogênicos, como a cloração e a fluoretação; 9. adução de água tratada a um tanque de distribuição; 10. bombeamento de água tratada à rede de distribuição. Operacoes unitarias-01.indd 20 01/02/12 11:52 1 – Introdução às operações unitárias 21 1.2 Processo Ao se observar as Figuras 1.1 e 1.2, constata-se que existe um processo, ou seja, uma atividade (Figura 1.1) ou um conjunto de atividades (Figura 1.2) em que houve um input (matéria-prima) para o qual foi agregado determinado valor (materiais e equipamentos utilizados no tratamento de água), de modo a gerar um output (produto) a um cliente (consumidor). De modo mais formal, define- -se processo como um conjunto de atividades realizadas em sequência lógica com o objetivo de produzir um bem de consumo (ou de serviço) para atender as necessidades dos stakeholders, os quais são os vários públicos associados aos processo produtivo e de consumo. Processo é um conceito fundamental no proje- to dos meios de uma empresa que pretende produzir e entregar seus produtos e/ ou serviços aos stakeholders. A análise dos processos no locus de produção (in- dústria, universidade, laboratório etc.) implica identificar as diversas dimensões envolvidas em tal produção: fluxo (volume por unidade de tempo), sequência de atividades, esperas e duração do ciclo, dados e informações, pessoas envolvidas, relações e dependências entre as partes comprometidas no funcionamento do processo. Shereve e Brink (1977) mencionam que, dentro da indústria química, o pro- cessamento tem por base a conversão química (ou reação), como na manufatura do ácido sulfúrico a partir do enxofre, bem como o processamento baseado tão so- mente na modificação física, como é o caso da destilação para separar e purificar frações de petróleo. Seja qual for a natureza da transformação (química e/ou física) da matéria-prima, pode-se entender o processamento químico segundo elementos industriais a ele relacionados. Torna-se, desta feita, fundamental o conhecimento e beneficiamento (físico e/ou químico) da matéria-prima bruta, para caracterizá-la com o objetivo de determinar propriedades físicas e/ou químicas utilizando-se en- saios de desempenho. É importante conhecer o estado físico das matérias-primas brutas e beneficiadas para verificar a necessidade de embalagem e mesmo de esto- cagem desse material. Depois de se processarem as matérias-primas por meio de equipamentos adequados de operação unitária e/ou reatores químicos, obtêm-se os produtos desejáveis ao mercado e aqueles que podem retornar ao processo. Tal descrição está ilustrada no fluxograma presente na Figura 1.3. Aqui, pode-se re- tomar a obra de Shereve e Brink (1977), na qual se encontra a definição de fluxo- grama como: uma sequência coordenada de conversões químicas e de operações unitárias, expondo, assim, aspectos básicos do processo químico. Indica os pontos de entrada das matérias-primas e de energia necessárias às etapas de transforma- ção e também os pontos de remoção do produto e dos subprodutos. 1.3 Operações unitárias Ao se observar a Figura 1.1 nota-se uma etapa intermediária entre a matéria- -prima (água bruta) e o produto (água tratada). Essa etapa, por sua vez, é caracte- rizada por diversas atividades ou etapas de tratamento, como pode ser notado por inspeção da Figura 1.2. Tais etapas de tratamento, em acordo com o fluxograma Operacoes unitarias-01.indd 21 01/02/12 11:52 24 Operações unitárias em sistemas particulados e fluidomecânicos No Quadro 1.2 encontram-se as relações entre ciência e tecnologia, exemplifi- cadas por meio da vinculação entre algumas operações unitárias e os seus respecti- vos fenômenos de transporte, assim como os produtos característicos da indústria química e correlatas nos quais estão presentes. Fenômenos de transporte Quantidade de movimento Transferência de calor Transferência de massa Operações unitárias Sistemas fluidomecânicos e particulados Operações energéticas Operações de transferência de massa Figura 1.4 Relação entre fenômenos de transporte e operações unitárias. 1.4 Sistemas fluidomecânicos e particulados Apesar da classificação pretendida na Figura 1.4, é importante ressaltar que as operações unitárias de sistemas fluidomecânicos e particulados poderiam ser classificadas como operações unitárias de quantidade de movimento, assim como outras denominações, desde que o conjunto dessas operações unitárias envolva o transporte de fluido (gás, vapor, líquido; ou a mistura de gases e líquidos e solução entre líquidos distintos), de sólidos, e da mistura sólido e fluido, assim como envolva a interação física presente em contatos fluido–fluido, fluido–sólido e sólido–sólido em operações de transporte, mistura, separação e modificação de tamanho de partículas. Os sistemas fluidomecânicos são, usualmente, definidos como um conjunto formado por máquinas e/ou dispositivos cuja função está em adicionar ou extrair energia para (ou de) um fluido de trabalho. Esse fluido pode estar confinado entre as fronteiras do sistema formado pelo conjunto de máquinas e/ou dispositivos ou es- coar através dessas fronteiras. Entende-se, portanto, como operações unitárias de sistemas fluidomecânicos as etapas de um processo em que está presente a mo- vimentação (transporte, agitação etc.) de fluidos ou mistura sólido–fluido por meio de máquinas de fluidos. Tais máquinas são dispositivos que promovem a troca de energia entre um sistema mecânico e um fluido, transformando energia mecânica em energia de fluido ou energia de fluido em energia mecânica. São exemplos clás- sicos de máquinas de fluido: bombas, compressores e sopradores. Por outro lado, na medida que em um sistema agitado adiciona energia a uma suspensão líquido–sóli- do, por exemplo, para que promova a sua mistura, o equipamento (o conjunto motor e impelidor) utilizado na operação de agitação também pode ser considerado como uma máquina de fluido e, portanto, um sistema fluidomecânico. No tratamento de água ilustrado na Figura 1.2 e considerando que a água tratada e que abandona o fil- tro é isenta de particulados, identificam-se, como apenas sistemas fluidomecânicos, por exemplo, as etapas 8 (agitação) e 10 (bombeamento). Operacoes unitarias-01.indd 24 01/02/12 11:52 1 – Introdução às operações unitárias 25 Quadro 1.2 Fenômenos de transporte e Operações unitárias (CREMASCO, 2010) Ciência Tecnologia Tipo Descrição Encontrado na fabricação de: Mecânica dos fluidos Sistemas fluidodinâmicos e particulados Centrifugação Separação de líquidos utilizando- -se a força centrífuga, com a qual a fase mais pesada deste líquido segue para a periferia do com- partimento, enquanto a fase mais leve é concentrada no meio do compartimento da centrífuga. Fármacos. Resinas. Mecânica dos fluidos Sistemas fluidodinâmicos e particulados Ciclones Separação de sólidos de tama- nhos distintos por meio da ação centrífuga. Fertilizantes. Sabão. Mecânica dos fluidos Sistemas fluidodinâmicos e particulados Elutriação Separação de partículas sólidas, tendo como base a diferença de diâmetro e de densidade. Fertilizantes. Extração de diamante. Mecânica dos fluidos Sistemas fluidodinâmicos e particulados Filtração Separação de particulados por diferença no tamanho entre as partículas e os poros ou interstí- cios do meio filtrante. Adesivos. Fibras artificiais. Mecânica dos fluidos Sistemas fluidodinâmicos e particulados Flotação Separação de sólidos por meio da suspensão de matéria para a su- perfície de um líquido na forma de escuma e subsequente remoção. Resinas. Tratamento de água. Mecânica dos fluidos Sistemas fluidodinâmicos e particulados Sedimentação Processo de separação de parti- culados por meio da deposição de material. Papel. Tinta. Transferência de calor Operações energéticas Aquecimento Inserção de energia a um fluido ou sólido. Adesivos. Fertilizantes. Transferência de calor Operações energéticas Condensação Mudança da fase vapor de um fluido para a de líquido. Inseticidas. Derivados de petróleo. Transferência de calor Operações energéticas Produção de vapor (Caldeiras) Retirada de energia de um fluido ou sólido. Açúcar. Adubos. Transferência de calor Operações energéticas Refrigeração Retirada de energia de um fluido ou sólido. Alimentos. Bebidas. Transferência de calor Operações energéticas Resfriamento Retirada de energia de um fluido ou sólido. Fertilizantes. Resinas. Transferência de calor Operações energéticas Vaporização Mudança da fase líquida de um fluido para a de vapor. Antibiótico. Fibras artifi- ciais. (continua) Operacoes unitarias-01.indd 25 01/02/12 11:52 26 Operações unitárias em sistemas particulados e fluidomecânicos Quadro 1.2 Fenômenos de… (continuação) Ciência Tecnologia Tipo Descrição Encontrado na fabricação de: Transferência de massa Operação de transferência de massa Absorção Separação preferencial de molécula(s) presente(s) em uma mistura gasosa, por meio da sua retenção em um líquido. Ácido sulfúrico. Fertilizantes. Transferência de massa Operação de transferência de massa Adsorção Separação preferencial de molécula(s) presente(s) em um fluido (gás ou líquido), por meio da sua fixação em sólido adsorvente. Fármacos. Resinas. Transferência de massa Operação de transferência de massa Cristalização Separação de um componente presente em uma solução, por meio da sua dissolução em um solvente. Açúcar. Fármacos. Transferência de massa Operação de transferência de massa Destilação Separação de líquidos por aque- cimento, baseada na diferença de seus pontos de ebulição (ou de pressão de vapor). Derivados de petróleo. Tinta. Transferência de massa Operação de transferência de massa Extração líquido–líquido Separação preferencial de um líquido em mistura com outro(s) por ação de um terceiro líquido. Fármacos. Derivados de Petróleo. Transferência de massa Operação de transferência de massa Separação por membranas Separação de moléculas de diferentes tamanhos utilizando-se uma barreira seletiva, capaz de permitir a passagem de determina- dos compostos, retendo as demais substâncias. Aromas naturais. Bebidas. Já nos sistemas particulados existe, necessariamente, a preocupação rela- tiva ao entendimento fenomenológico da interação sólido–fluido e sólido–sólido envolvendo ou não o efeito de dispositivos fluidomecânicos. Os sistemas particula- dos estão, portanto, associados às operações de transporte, mistura, separação e modificação de tamanho de sólidos; escoamento de fluidos através de leitos fixos e móveis de partículas; centrifugação sólido–líquido; agitação de mistura sólido–lí- quido; separação de partículas por ciclones, hidrociclones, sedimentação, filtração; transporte pneumático e hidráulico de sólidos. No tratamento de água ilustrado na Figura 1.2, identificam-se, por exemplo, como apenas sistemas particulados as etapas 6 (sedimentação) e 7 (filtração). Ressalte-se que os sistemas fluidomecânicos e particulados, usualmente, coe- xistem. Um exemplo característico é a etapa 5 (floculação) presente na Figura 1.2 em que há, concomitantemente, a adição de energia no sistema para haver a sua movimentação (agitação), assim como a formação de aglomerados de partículas (in- teração sólido–sólido e sólido–líquido, característica básica de sistemas particulados. Operacoes unitarias-01.indd 26 01/02/12 11:52