Material Condutividade térmica (Kcal/s)/(m. C) Cobre 9,2.10-2

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1 7 TRANSFERÊNCIA DE CALOR O calor é a forma de energia que se propaga de uma região a uma temperatura mais alta para outra região de temperatura mais baixa. A energia transferida pelo fluxo de calor não pode ser medida diretamente, mas o conceito tem significado físico porque está relacionado a uma grandeza chamada temperatura. Há três tipos de transferência de calor: a condução, a convecção e a radiação. a) Condução A condução é a transferência de calor de um ponto de um corpo para outro ponto do mesmo corpo, ou de um corpo para outro em contato físico. A condução de calor pode ser descrita através da lei de Fourier: A equação descreve que o fluxo de calor, q, é tanto maior quanto maior for a diferença das temperaturas entre dois pontos e inversamente proporcional à distância que separa estes dois pontos (ou a espessura de um determinado corpo). E k é a condutividade térmica do material, quanto maior for ela, mais fluxo de calor passará pelo corpo. O fluxo de calor, q, é a quantidade de calor transportada por unidade de área e por unidade de tempo. O sinal negativo da equação é para compensar a diferença negativa de temperaturas, pois o fluxo nunca é negativo. Abaixo se mostra as condutividades térmicas de alguns materiais para temperatura de 27 C: Material Condutividade térmica (Kcal/s)/(m. C) Cobre 9,2.10-2

2 Alumínio 4, Aço 1, Gelo Vidro Madeira Amianto Ar 5, Os valores das condutividades térmicas mostram o comportamento dos materiais quanto a maior ou menor facilidade de transporte de calor. O exemplo abaixo mostra uma placa de 10 cm que separa duas regiões com diferentes temperaturas. O fluxo de calor através dessa placa será diferente para cada tipo de material, mantendose as temperaturas e a espessura da mesma. Dependendo do k, isto é, do material, este pode ser um condutor de calor, como é o cobre, ou um isolante térmico, caso do ar. b) Convecção A convecção é a transferência de calor de um ponto para outro dentro de um fluido, gás ou líquido, pela mistura de uma porção de fluido com outra. Na convecção natural, o movimento do fluido é resultado da diferença das densidades resultantes de diferentes temperaturas. Na convecção forçada, o movimento é produzido mecanicamente. A água quando aquecida tem sua densidade diminuída em relação à água menos quente, a primeira sobe por convecção, deslocando a segunda.

3 A transferência de calor por convecção pode ser descrita pela equação: q = h. ( T q T f ) O fluxo térmico é proporcional à diferença de temperaturas entre as regiões do fluido e ao valor de h, coeficiente de película, que depende da geometria do corpo, das características do fluido e do fluxo e da área de escoamento. c) Radiação A radiação é a transferência de calor de um corpo para outro através de uma radiação pelo espaço, não havendo contato. Todos os corpos emitem continuamente energia em virtude de sua temperatura. O fluxo térmico devido à radiação é descrito pela equação: q =.. T 4 Quando um corpo absorve toda energia, conhecido como corpo negro, sua emissividade é considerada 1. Para o corpos reais, a emissividade varia de 0 a 1; em geral tem o valor de 0,7. é a constante de Stefan-Boltzmann. O fluxo de calor por radiação eletromagnética emitido por um corpo depende da temperatura que este corpo está, elevada na quarta potência. 8 GERAÇÃO DE CALOR 8.1) Vapor

4 Vapor é nome que se dá à fase gasosa em contato com a fase líquida ou que se acha próxima a um estado em que parte pode condensar. O diagrama de fase da água, Fig. 8.1, mostra um gráfico de temperatura versus energia, para várias pressões. À esquerda da curva e abaixo do ponto crítico, tem-se unicamente líquido e à direita da curva e abaixo do ponto crítico, só vapor. Figura 8.1 Diagrama L-V da água Temperatura de saturação: é aquela em que L e V estão presentes simultaneamente, ou o L ou o V está saturado, a uma determinada pressão. Líquido resfriado (A-B): é aquele que está com a temperatura inferior à temperatura de saturação não pressão que está submetido. Líquido saturado (B): é aquele que está com a temperatura igual a da saturação correspondente àquela pressão. Vapor saturado úmido (B-C): é o vapor acompanhado de água em ssuspensão. Vapor saturado seco (C): é o vapor isento de gotículas de água em susspensão, na temperatura de saturação sob determinada pressão. Vapor superaquecido (C-D): é o vapor a uma temperatura superior a de saturação, numa determinada pressão. Vapor supersaturado (abaixo da linha B-C): é o vapor que está a uma temperatura inferior a de saturação em uma determinada pressão. A tabela 8.1 mostra as propriedades termodinâmicas do vapor dágua (saturado seco).

5 Tabela 8.1 Propriedades termodinâmicas do vapor dágua (vapor saturado seco) O vapor de água é muito utilizado como fornecedor de calor e energia devido às suas qualidades. O vapor pode ceder calor a uma temperatura constante, ou seja, quando ele está úmido, linha B-C do diagrama, ele cede calor por condensação. Contém elevadas condições entálpicas, além de ser limpo, inodoro e insípido, é produzido a partir da água, que é barata e abundante. O vapor pode ser aplicado como fornecedor de energia em várias etapas, quando superaquecido pode girar turbinas, gerando energia elétrica,

6 logo depois pode ser usado em trocadores de calor sucessivos, cedendo energia térmica. Uma forma de se identificar um vapor saturado úmido é através de seu título (x), como mostra o diagrama. O título do vapor é a razão entre a massa de vapor e a soma desta com a massa de líquido. 8.2 Caldeiras Uma caldeira é um gerador de calor composto de dois sistemas básicos separados. Um é o sistema vapor-água, também chamado de lado de água da caldeira e o outro é o sistema combustível-ar, conhecido como lado de fogo da caldeira. Na câmara de combustão, a mistura adequada de ar e combustível é queimada. Esta energia química da combustão é convertida em energia térmica, ou seja, calor. Basicamente, existem dois tipos de caldeiras: fogotubular e aquotubular. a) Fogotubular: nesta caldeira, os gases quentes oriundos da combustão passam por dentro dos tubos e o vapor é gerado pela transferência de calor dos gases quentes através das paredes metálicas dos tubos, com a água circulando externamente aos tubos, Fig Figura 8.2 Caldeira fogotubular As caldeiras fogotubulares são de construção simples e econômica e trabalham com pequenas e médias vazões, até 10 t/h de vapor, e pressões de trabalho até 19 kg f /cm 2, gerando somente vapor saturado. b) Aquotubulares (Fig. 8.3): Nesta caldeira, a água passa por dentro dos tubos e os gases quentes da combustão passam por fora dos tubos. A caldeira aquotubular gera vapor saturado e também vapor superaquecido, através de um superaquecedor contituído de um feixe de tubos em forma de serpentina. Esta caldeira produz grandes vazões de vapor e altas pressões. Trabalham com tiragem forçada, aumentando a transferência de calor e as correntes de convecção. As caldeiras aquotubulares exigem

7 um controle sistemático de água de alimentação e quanto maior a pressão de operação, maiores deverão ser os controles das variáveis de processo. Figura 8.3 Caldeira aquotubular A água utilizada na operação de caldeiras deve ser tratada especificamente, na medida que ela pode apresentar diversos problemas, entro os mais importantes, a formação excessiva de lodo na caldeira, incrustações nas paredes dos tubos prejudicando a troca térmica e corrosão nas linha de vapor. 8.3 Trocadores de calor a) Definição: trocador de calor é um equipamento onde dois fluidos, com temperaturas diferentes, traçam calor através de uma interface sólida, normalmente metálica. Os trocadores de calor na indústria são tão diversificados que sua padronização é complicada. b) Equipamentos Trocador de calor bitubular: é o tipo mais simples de trocador de calor, conforme mostra a figura 8.4. É constituído de dois tubos concêntricos, com um dos fluidos passando internamente pelo tubo central, enquanto que o outro flui, em corrente paralela ou contracorrente, no espaço anular. Tanto líquido como gás podem ser usados nesses trocadores, em velocidades relativamente altas. O comprimento de cada seção do trocador é limitado ao padrão do tubo, caso seja necessária maior área de troca térmica, será preciso utilizar vários conjuntos. O que limita o seu uso é a necessidade de áreas de troca térmica muito grande. Os materiais de construção são vários e dependem dos fluidos do processo.

8 Figura 8.4 Trocador de calor bitubular Trocador casco e tubos: quando a área de troca térmica é grande, o trocador usado é o casco e tubos, figura 8.5. Figura 8.5 Trocador de casco e tubos Os tubos são montados em forma de feixe. As extremidades são fixadas em espelhos e o feixe de tubos é encaixado no casco. Neste trocador, o fluido que circula nos tubos entra no cabeçote onde é distribuído pelos tubos e sai pelo outro cabeçote. Enquanto que o outro fluido entra por um dos bocais do casco e sai pelo outro. Qualquer um dos fluidos, o frio ou o quente, pode circular tanto nos tubos como no casco. Os tubos são sustentados por chicanas, que além de não permitirem que os tubos fletem, melhoram a distribuição do fluxo do fluido que passa pelo casco, aumentando a troca térmica. Quando existir uma diferença de temperatura muito alta entre os dois fluidos, pode ocorrer expansão térmica e esta pode ser absorvida pelo uso de um cabeçote flutuante, figura 8.6, que também facilita a limpeza. Para alguns fluidos que possuem alta resistência à troca térmica, como óleo e ar, utiliza-se nos tubos aletas que aumentam a área de troca térmica, figura 8.7.

9 Figura 8.6 Trocador de casco e tubos com cabeçote flutuante Figura 8.7 Tubos com superfície ampliada O arranjo dos cabeçotes determina como o fluido pode percorrer os tubos. A figura 8.8 mostra o arranjo de dois passes pelos tubos e a figura 8.9, quatro passes nos tubos e dois passes no casco. Figura 8.8 Trocador de casco e tubos com 1 passes no casco e 2 passes nos tubos

10 Figura 8.9 Trocador de casco e tubos com 2 passes no casco e 4 passes nos tubos O fluxo pelo casco pode também ser arranjado de várias formas: Os arranjos dos tubos no feixe dentro do casco devem proporcionar um número máximo de tubos, permitindo ao mesmo tempo, um bom fluxo e facilitando a limpeza: Trocador de placas: montado pela sobreposição de placas metálicas especialmente corrugadas para permitir a troca térmica entre dois fluidos. Muito usado na indústria alimentícia, figura 8.10.

11 Figura 8.10 Trocadores de placas

12 9 DESTILAÇÃO A destilação é uma operação unitária que visa separar os componentes de uma fase líquida através de sua vaporização parcial. Os componentes vaporizados são normalmente mais ricos nos componentes mais voláteis do que no líquido, o que facilita a separação das frações enriquecidas nos componentes desejados. 9.1 Destilação diferencial ou simples. Além dos equipamentos de destilação montados em laboratório, figura 9.1, o uso mais disseminado desse tipo de destilação é o alambique, figura 9.2. A carga de líquido que se quer destilar (no caso da cachaça, o mosto possui cerca de 10% M de álcool e o restante de água) é colocada no fervedor, onde é aquecida temperatura de ebulição do álcool. A primeira porção de destilado que é retirada é a mais rica em substâncias mais voláteis e, na medida que a vaporização prossegue, o produto vaporizado torna-se cada vez menos volátil. Figura 9.1 Destilador diferencial 9.2 Destilação em equilíbrio (flash) Figura 9.2 Destilador diferencial

13 Normalmente, a corrente de alimentação (líquido) é aquecida num permutador de calor, passando depois por um flash (despressurização rápida) que dá origem a duas correntes saturadas, uma de líquido e outra de vapor, em equilíbrio, figura 9.3. O vaso de flash permite facilmente a separação e remoção das duas fases, quando o a diferença de volatilidade entre os dois compostos a separar for elevada,. Essa destilação, comum nas refinarias de petróleo, usa-se, normalmente, para um primeiro tratamento da mistura, sendo as duas correntes produzidas submetidas a tratamentos de destilação subseqüentes. Figura 9.3 Destilação em equilíbrio (flash) 9.3 Destilação fracionada É uma operação de separação de misturas que se realiza por intermédio de vaporizações e condensações sucessivas. Como os componentes tem diferentes volatilidades, torna-se possível o enriquecimento da parte vaporizada. A figura 9.4 mostra esquematicamente o funcionamento de um processo de destilação com fracionamentos sucessivos. Figura 9.4 Modelo de um destilador sucessivo A figura 9.5 mostra um desenho típico de uma torre de destilação fracionada. A torre é composta dos seguintes equipamentos:

14 Refervedor: trocador de calor que fornece a energia necessária para a vaporização do líquido da coluna. Condensador: Trocador de calor que condensa o vapor que sai do topo da coluna. Tambor de refluxo: vaso que acumula o condensado. Figura 9.5 Torre de destilação típica A coluna é montada internamente por um conjunto de pratos metálicos que funcionam como estágios, como mostra a figura 9.6. Estes pratos comportam um grande número de borbulhadores do tipo campânula, figura 9.7a, ou do tipo valvulado, figura 9.8b. A função destes aparatos é promover um melhor contato entre o líquido (L), que desce pela torre, e o vapor (V) ascendente. A figura 9.8 mostra o princípio de funcionamento de um prato de uma torre de destilação. O contato entre as duas correntes facilita a transferência de massa e calor entre elas. A corrente de V ascendente em contato com o L descendente faz com que os componentes menos voláteis do V condensem, transferindo massa e calor para o L. Por outro lado, esta energia adicionada ao L faz com que os componentes mais voláteis do L vaporizem, devolvendo para o V do prato seguinte o calor recebido. Assim segue o processo de troca térmica e de massa de prato para o outro, de cima para baixo o L e de baixo para cima o V.

15 Figura 9.6 Pratos de uma torre de destilação (a) (b) Figura 9.7 Borbulhadores: a) campânula b)valvulado

16 Figura 9.8 Funcionamento de uma torre de destilação As colunas de destilação são projetadas conforme o número ideal de pratos ou bandejas e cada uma delas representa um estágio de destilação. Os pratos teóricos podem ser convertidos em enchimento. A figura 9.9 mostra uma torre de destilação deste tipo. Figura 9.9 Torre de destilação de enchimento Os pratos com seus borbulhadores são substituídos por peças de recheio, figura 9.10, que realizam o contato entre o L e o V.

17 Figura 9.10 Peças de recheio comuns: anéis (a-c-d-e-f-g) e selas (b-d) Uma das desvantagens desse tipo de fracionamento por enchimento é o escoamento preferencial que ocorre junto às paredes. São utilizadas para destilações de baixo porte, pois o investimento é bem menor. Dois tipos particulares de destilação fracionada são: a destilação azeotrópica e a destilação extrativa. Destilação azeotrópica: um azeótropo é uma mistura líquida que tem um ponto de ebulição máximo ou mínimo em relação aos pontos de ebulição da mistura. Isto é, é uma mistura líquida que, para uma determinada pressão, apresenta um ponto de ebulição constante que não varia com o grau de vaporização (tal como acontece com as substâncias puras). Como tal, a composição do líquido e vapor em equilíbrio permanecem também constantes. Um exemplo comum é o da mistura etanol/água, esta mistura apresenta um azeótropo para a composição de 89.4% de etanol e 10.6% de água (percentagens molares) à pressão atmosférica. Por isso é que o álcool etílico comercial que usamos nas nossas casas tem uma composição muito próxima desse valor (não se consegue produzir álcool mais puro usando apenas uma coluna de destilação). Destilação extrativa: refere-se ao processo em que um solvente de alto ponto de ebulição é adicionado a uma mistura de modo a alterar as volatilidades relativas dos componente desta mistura. Esta modificação é necessária pois componetes da mistura a separar tem pontos de ebulição muito próximos. O solvente é seletivo a um ou mais componentes de interesse. Exemplo é a separação do MCH do tolueno com um solvente seletivo ao último. Um caso particular de destilação é a do petróleo, embora os princípios sejam os mesmos, se diferencia pela sua complexidade de composição., constituída de diferentes tipos de compostos de hidrocarbonetos. Muitos produtos feitos do petróleo possuem especificações e rendimentos de frações que dependem da origem do petróleo. A figura 9.11 mostra a torre de destilação atmosférica do petróleo A escala de produção de uma indústria de petróleo é muito maior que qualquer outro complexo industrial

18 Figura 40 Torre de destilação atmosférica do petróleo Exemplos de destilação azeotrópica e extrativa

19 10 EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO Esta operação é empregada para separar um pou mais componentes de uma mistura líquida quando os mesmos não podem ser separados por destilação, por motivos físicos ou econômicos. Isto acontece nos seguintes casos: Os componentes a separar são pouco voláteis, sendo necessário utilizar temperaturas muito altas e pressões reduzidas;

20 Os componentes de decompõe em temperaturas altas; O componente menos volátil está presente em quantidade muito pequena, não sendo econômico volatilizar-se toda a solução; Os componentes a separar possuem volatilidades, ou pontos de ebulição, muito próximos, o que exige um número de estágios de destilação muito grande. A extração L-L por ser utilizada para a extração de substâncias indesejáveis, como por exemplo, a extração de compostos de enxofre em derivados de petróleo, como a gasolina e o querosene; também como a extração de componentes mais nobres como o BTX de cortes de gasolina. A figura 10.1 mostra o princípio básico de uma extração L-L: (a) contato ~intimo so solvente com a solução a ser tratada, (b) separação da fase líquida rafinada da fase líquida solvente e (c) a recuperação do solvente. Aqui a separação ocorre em um único estágio, assim o soluto que está ainda presente no rafinado (a solução de a grande parte do soluto) é perdido. Figura 10.1 Separação L-L As separações industriais são realizadas em equipamentos similares às torres de destilação, figura O solvente normalmente é mais pesado que a solução e é alimentado na parte superior da torre, enquanto que a carga de solução, mais leve, entra por baixo. Similarmente como acontece com o L e o V na torre de destilação.

21 Figura 10.2 Torre de extração L-L Também se utiliza colunas de extração recheadas, sistemas idênticos aos mostrados nas figuras 9.9 e Na extração em fase líquida transfere-se um componente de uma solução para outra e estas soluções normalmente são insolúveis. No caso mais simplesm o soluto é dividido entre as duas fases líquidas insolúveis. Alguns fatores influenciam a extração: Relação solvente/carga (S/C): existe uma relação mínima de S/C, abaixo da qual na é possível ocorre a extração desejada; Pureza do solvente: nos casoa em que o solvente é recuperado após a extração, quanto mais isento de soluto ele estiver ao retornar à torre, tanto melhor será a extração; Temperatura: esta favorece a solubilidade entre as fases, assim ela não deve ser mais elevada do que a recomendada.

22 11 ABSORÇÃO E ESGOTAMENTO Come se viu nos processos de destilação, a seção acima da carga é chamada absorção e a abaixo de esgotamento. Existem na indústria colunas que são constituídas somente de uma de essas seções. São chamadas colunas de absorção e colunas de esgotamento e geralmente não possuem nem refervedor nem condensador. Absorção: é uma operação em que uma mistura de V1 é posta em contato com um líquido L1 para neste serem dissolvidos um ou mais componentes que se queira remover da mistura gasosa. As retiradas são uma mistura V2 sem os componentes absorvidos pelo líquido e L2 com estes componentes absorvidos. Um exemplo é a lavagem com água de uma corrente gasosa ácida, o ácida é absorvido pela água. Esgotamento: contrariamente à absorção, o esgotamento consiste na remoção de compostos de um líquido L1 por intermédio de umas corrente gasosa V1. Neste caso, a transferência de matéria se dá do líquido para o gás. Uma corrente de gasolina que possua uma pequena quantidade de metano dissolvida, ao passa por uma outra corrente de GLP, perderá (esgotará) o metano para este gás. Um fator importante que pode determinar a passagem de um gás de uma fase para outra é a solubilidade do gás em um líquido. Se colocarmos um gá em contato com um líquido em um recipiente fechado em certas temperatura e pressão, inicialmente haverá passagem de moléculas do gás para o líquido e a pressão cairá. A concentração de um gás em um líquido vai aumentando até o ponto em que as moléculas de gás que se dissolvem no líquido sejam iguais em número às moléculas que saem do líquido para a fase gasosa. Neste ponto a pressão estabiliza e diz-se que a concentração do gás no líquido é a solubilidade de equilíbrio naquelas condições. Na figura 11.1, a fase gasosa é composta de uma mistura de gases onde um deles é solúvel no líquido, a solubilidade de equilíbrio está associada à pressão parcial deste gás na mistura gasosa. A pressão parcial de um determinado gás em uma mistura gasosa é o percentual molecular deste gás na mistura:

23 pressão parcial de equilíbrio, mmhg A figura 44 mostra primeiramente a concentração de equilíbrio da amônia em água, que é de 5% de NH 3 para uma fase gasosa em uma pressão de NH 3 de 50 mm de Hg. Se esta pressão parcial for dobrada para 100 mm Hg (isto é, a percentagem molecular de amônia na fase gasosa é também dobrada), a concentração de NH 3 na água sobe para 8%. Figura 11.1 Solubilidades de amônia em Pparcias diferentes A pressão parcial de equilíbrio é obtida das curvas de solubilidade de cada componente de interesse. A figura 11.2 mostra as curvas de solubilidade para duas temperaturas diferentes de amônia na água C C % solubilidade de equilíbrio Figura 11.2 Curvas de solubilidade versus pressão parcial para amônia e água Na condição de equilíbrio não há potencial de absorção de NH3 para a água, já que o número de mpléculas que transitam do gás para o líquido é o mesmo do líquido para o gás. Tanto a absorção como o esgotamento serão operações eficientes quanto mais

24 longe ficarem do equilíbrio as duas fases. Além da pressão parcial e temperatura, a relação L/V também influencia diretamente no potencial de troca de massa. Quanto maior for esta relação, melhor será a operação de absorção, pois o líquido fica menos concentrado no componente a absorver. No caso do esgotamento, quanto menor for a relação L/V, menos vapor fica concentrado no composto a ser esgotado. Os equipamentos normalmente usados na destilação são também utilizados nas seções de absorção e esgotamento: torres com borbulhadores, com válvulas e com recheios.

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