LOQ4085 OPERAÇÕES UNITÁRIAS I

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1 UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO DEPTO. ENGENHARIA QUÍMICA LOQ4085 OPERAÇÕES UNITÁRIAS I PROFª. LÍVIA CHAGURI E CARVALHO [email protected] 1

2 LOQ4085 Operações Unitárias I Turmas: 20161Q2 quinta-feira 14:00 ás 18: B1 sexta-feira 08:00 ás 12:00 2

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6 INTRODUÇÃO Processos químicos são muito diversificados estudá-los é um desafio. Processos diferentes e complexos: divididos em um pequeno número de operações básicas. Operações Unitárias: operação básica em um processo. Processo: conjunto de OPs que partindo de determinada MP resulta em um produto. 6

7 INTRODUÇÃO Energia perdida Matérias primas OP anterior OP OP posterior Produtos Capital Energia Trabalho Controle Subprodutos Perdas energia Independente de sua natureza, TODA operação unitária obedece a 2 princípios: - Leis da conservação de massa - Leis da conservação de energia 7

8 DIAGRAMAS DE PROCESSO Leite pasteurizado - Troca de calor: OP mais importante - OP requer 2 sistemas auxiliares: - 1) Suprimento água quente pasteurizar leite - 2) Suprimento de água gelada para resfriar o leite (estocado refrigerado) 8

9 DIAGRAMAS DE PROCESSO Leite pasteurizado - Diagrama considerando as correntes e características do processo - Equacionamento dos balanços de massa e energia - Dimensionamento adequado dos equipamentos - Correção de problemas operacionais 9

10 FLUXOGRAMA DE PROCESSO - Descrição mais detalhada do processo - Identificação de tanques, bombas, trocadores, colunas, filtros Suco concentrado de laranja - Suco extraído das frutas é centrifugado para clarificação - Tratamento térmico - pasteurização - Concentração do suco evaporadores a placas - Resfriamento recuperação do aroma da laranja 10

11 PROCESSOS DESCONTÍNUOS, CONTÍNUOS E SEMICONTÍNUOS Identificar tipo de processo sob estudo para equacionar BM e BE; Batelada MPs processadas por lotes; Condições de operação (T, P e composição) variam com tempo; Processo com duração definida depois de finalizado um novo ciclo se inicia (novo lote); Requer menor investimento de capital; Custeio operacional maior (tempo ocioso dos equipamentos para carga e descarga); Adequado para produções de pequena escala; Adequado para produtos de composição diferente: Batelada mistura de massa para pão branco e integral mesmo agitador e misturador. 11

12 PROCESSOS DESCONTÍNUOS, CONTÍNUOS E SEMICONTÍNUOS Processo de mistura em batelada para produção de fórmula de leite para bebês com necessidades específicas Alimentador tipo Hopper Tanque encamisado com agitador Dispositivo Venturi Bomba centrífuga 12

13 PROCESSOS DESCONTÍNUOS, CONTÍNUOS E SEMICONTÍNUOS Processos contínuos: Materiais passam sem interrupção através do sistema, sem separação de porções do material em relação ao todo; Ocorrem em regime estacionário na maior parte do tempo; Alto investimento; Melhor utilização da capacidade produtiva; Custos operacionais mais baixos; Linhas de produção em larga escala. 13

14 PROCESSOS DESCONTÍNUOS, CONTÍNUOS E SEMICONTÍNUOS Óleo de palma - Operação contínua; - Várias Ops envolvidas; - Óleo obtido por prensagem; - Várias etapas de clarificação 14

15 PROCESSOS DESCONTÍNUOS, CONTÍNUOS E SEMICONTÍNUOS Processos semicontínuos: Caracterizado pela carga e descarga de materiais de etapas intermediárias de um processo contínuo; Presença de operações em batelada e fluxo contínuo no processo. 15

16 PROCESSOS DESCONTÍNUOS, CONTÍNUOS E SEMICONTÍNUOS Fluxograma fabricação de iogurte Tanque de fermentação I Processo Batelada II Processo Contínuo Misturador Tanque pulmão Embaladora Tanque polpa de fruta 16

17 CLASSIFICAÇÃO DAS OPERAÇÕES UNITÁRIAS Existem diferentes operações unitárias: segundo natureza das transformações que ocorrem; Físicas, químicas e bioquímicas; Transformações caracterizadas por separação de uma ou mais substâncias presentes em uma mistura; Transformações caracterizadas pela mudança de uma propriedade decorrente de um gradiente; OPs podem ser classificadas segundo a grandeza (massa, energia ou velocidade) do objeto da transferência. Agitação: objetiva-se a transferência da quantidade de movimento. Simultaneamente ocorre a TM ou TC. Operações de transferência de massa, calor ou de quantidade de movimento. Simultâneas (TC e TM) 17

18 OPERAÇÕES DE QUANTIDADE DE MOVIMENTO Operações em que 2 fases em diferentes velocidades são colocadas em contato; Divididas em 3 grupos: 1. Circulação interna de fluidos: estudo do movimento de fluidos através de tubulações e dispositivos para medir as propriedades dos fluidos (bombas). 2. Circulação externa de fluidos: fluido circula pela parte externa de um sólido (fluidização). 3. Movimentação dos sólidos dentro de fluidos: separação de sólidos em um meio fluido (filtração). 18

19 Bombas Centrífuga Decantador Ciclone de separação 19

20 OPERAÇÕES DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR São controladas pelo gradiente de temperatura e dependem do mecanismo pelo qual o calor é transferido. 1. Operações de transferência de calor (secagem, evaporação). 2. Tratamentos térmicos: pela elevação da temperatura, pasteurização e esterilização. 3. Resfriamento e congelamento: com e sem mudança de fase da água para o gelo. 20

21 OPERAÇÕES DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR Trocador Evaporador Secador 21

22 OPERAÇÕES DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA São controladas pela difusão de um componente dentro de uma mistura: 1. Extração: dissolução da mistura em solvente 2. Separação por membranas: transporte convectivo e difusivo 3. Cristalização: formação de partículas sólidas de estrutura regular a partir de fase líquida homogênea 4. Destilação: separação de um ou mais componentes a partir da diferença de volatilidade 5. Adsorção: eliminação de um ou mais componentes de um fluido pela retenção sobre uma superfície sólida 6. Absorção: componente de uma mistura gasosa é absorvido por um líquido de acordo com sua solubilidade nesse líquido 22

23 Destilação Separação por membranas Cristalização 23

24 OPERAÇÕES COMPLEMENTARES Série de operações que não estão incluídas na classificação abordada; Não são governadas por quaisquer fenômenos de transportes citados 1. Redução de tamanho: moagem e homogeneização 2. Peneiramento 24

25 OPERAÇÕES COMPLEMENTARES Moagem Peneiramento 25

26 Objetivos da disciplina Capacitar o aluno a resolver problemas de dimensionamento de equipamentos (exceto aqueles envolvendo transporte de calor e massa). Estudar as operações unitárias de transporte, mistura, separação e redução de tamanho de partículas de fluidos e sólidos. Possibilitar que o aluno discuta criticamente as operações unitárias estudadas. 26

27 Introdução Engenheiro atua geralmente em 4 campos: 1. Dimensionamento da instalação industrial: desenho, dimensionamento e construção. 2.Operação: supervisão, manutenção e otimização. 3.Administração: logística, vendas e planejamento. 4. Pesquisa: básica ou aplicada para o desenvolvimento de produtos e processos. 27

28 O que o engenheiro faz? Seleciona o tipo de equipamento adequado Dimensiona os equipamentos Calcula o tempo de processamento Elabora os balanços de massa e energia da operação Calcula os custos do investimento necessário Calcula os custos operacionais Avalia o desempenho do processo 28

29 Aplicação da Física e da Química Estrutura física da matéria Composição química dos materiais Leis da mecânica Transferência de massa e energia Modelagem matemática e simulação dos fenômenos físicos 29

30 Projetos x Experimentação Testar modelos (escala laboratorial) e protótipos (escala maior) até chegar na escala industrial. Regular o funcionamento de sistemas Medir variáveis físicas em processos ºC atm 30

31 Qualidades do profissional de engenharia Formação básica multidisciplinar Raciocínio analítico Estudo continuado Conhecimento sistêmico Conhecimentos gerais Participação social Capacidade de síntese 31

32 Relações humanas O Engenheiro emprega boa parte do tempo se relacionando com pessoas. Trabalho em equipe 32

33 Aperfeiçoamento contínuo Atualização: livros, revistas técnicas e científicas, seminários, congressos, feiras industriais Diploma = ponto de partida Especializações e pós-graduação lato sensu Pós-graduação stricto sensu: Mestrado e Doutorado 33

34 A industrialização dos produtos tem como objetivo: Facilitar o manuseio e o transporte Aumentar a vida de prateleira Melhorar algumas qualidades: toxicidade, sabor, textura, aparência e valor nutritivo Agregar valor ao produto Desenvolver novos produtos 34

35 Três enfoques para o estudo dos processamentos industriais 1. Estudar a tecnologia de um certo tipo de indústria, por exemplo: indústria cervejeira, laticínios, indústria açucareira, pastifícios, entre outros. 2. Estudar as operações usuais a muitos tipos de indústria, por exemplo: evaporação, refrigeração, extrusão, extração, centrifugação, etc. 3. Estudar os fenômenos de transferência de quantidade de momentum, calor e massa. 35

36 As operações unitárias e os princípios de transferência Força ou fluxo por unidade de superfície = Coeficiente de transferência x Gradiente de potencial Gradiente Fluxo Velocidade Temperatura Concentração, potencial químico Momentum Calor Massa 36

37 Tendo em vista a imensa quantidade de equipamentos industriais existentes no mercado e sua equivalência funcional, a única maneira possível de entender o funcionamento dos mesmos é pelo critério de operações unitárias. Tecnologia produtos = Processos químicos Mudanças químicas, biológicas e microbiológicas + Operações unitárias Mudanças físicas Ciência Engenharia 37

38 Operações unitárias de quantidade de movimento Objetivo Materiais Transporte Mistura Separação Modificação de tamanho Fluidos (líquidos e gases) Bombeamento Ventilação Compressão Agitação Mistura Centrifugação (L-L) Atomização Fluidos e sólidos Transporte Pneumático Transporte hidráulico Perda de pressão em leitos empacotados Fluidização Suspensão de sólidos em líquidos (agitação) Filtração (L-S) Centrifugação (L-S) Sedimentação (L-S) Separação pneumática (G-S) Prensagem Sólidos Transporte Mecânico de sólidos Misturadores de sólidos Peneiragem Moagem 38

39 O estudo das operações unitárias permite predizer o comportamento de sistemas. Usam-se as seguintes ferramentas: a) Princípios ou leis da conservação de massa, quantidade de movimento e entalpia b) Equações constitutivas ou descritivas do fenômeno de transferência c) Equações de estado (gases ideais, Van der Walls, etc.) d) Condições de contorno 39

40 EMENTA LOQ4085 OPERAÇÕES UNITÁRIAS I Programa Resumido 1) Transporte de fluidos 2) Agitação e mistura 3) Caracterização e dinâmica de partículas 4) Separação de partículas por ação gravitacional e centrífuga 5) Interação sólido fluido 6) Filtração 7) Sedimentação 40

41 EMENTA LOQ4085 OPERAÇÕES UNITÁRIAS I Programa 1) Transporte de fluidos: Tipos de bombas e compressores. Curva característica. Cavitação e altura de sucção disponível (NPSH). Cálculo da potencia de bombas. 2) Agitação e mistura: Tipos de equipamentos e impelidores. Mistura de líquidos. Cálculos de potência de agitadores e misturadores. 3) Caracterização e dinâmica de partículas: Características físicas de partícula isolada. Tamanho de partículas. Peneiramento. Análise granulométrica. Velocidade terminal. 4) Separação de partículas por ação gravitacional e centrífuga: Elutriação. Câmara de poeira. Ciclones e centrífugas. 5) Interação sólido fluido: Escoamento em meio poroso. Fluidização. 6) Filtração: Tipos de equipamentos. Filtração a pressão e vazão constante. Tortas compressíveis e incompressíveis. 7) Sedimentação: Tipos de equipamentos. Cálculo da área e altura de sedimentadores 41

42 EMENTA LOQ4085 OPERAÇÕES UNITÁRIAS I Bibliografia 1) COULSON, J. M.; RICHARDSON; J.F. Chemical Engineering. v. 2: Particle Technology e Separation Processes. 5ed. Amsterdan: Butterworth Heinemann, 1229p. 2005; 2) COULSON & Richardson's Chemical Engineering: chemical engineering design by R.K. Sinnott. 6ed. Amsterdam: Elsevier Butterworth Heinemann, 895p. 2004; 3) COUPER, J. R.; PENNEY, W. R.; FAIR, J. R.; W.; Stanley. M. Chemical Process Equipment: Selection and Design. 2ed. Amsterdam: Elsevier, 814p. 2005; 4) FOUST, A. S.; WENZEL, L. A.; CLUMP, C. W.; MAUS, L.; ANDERSEN, L. B. 2ed. Princípios das operações unitárias. Rio de Janeiro: Guanabara Dois/LTC, 670p. 2008; 5) GEANKOPLIS, C. J. Transport Processes and Separation Process Principles. 4ed. New York: Prentice Hall, 1026p. 2010; 6) MCCABE, W. L.; SMITH, J. C.; HARRIOT, P. Unit operations of chemical engineering. 7ed. Boston: McGraw-Hill, 1140 p. 2005; 7) PERRY's chemical engineers handbook. Editor in Chief Don W. Green; Late Editor Robert H. Perry New York: McGraw-Hill,

43 EMENTA LOQ4085 OPERAÇÕES UNITÁRIAS I Bibliografia complementar 1. Çengel, Y.A.; Cimbala, J.M. Mecânica dos fluidos. Fundamentos e aplicações. Editora Mcgrawhill. 2. Cremasco, M.A Operações unitárias em sistemas particulados e fluidomecânicos. 1ª Ed. São Paulo. Editora Blucher. 3. Tadini, C.C.; Telis, V.R.N.; Meirelles, A.J.A.; Pessoa Filho, P.A Operações Unitárias na indústria de alimentos. 1ª Ed. Rio de Janeiro. Editora LTC. 4. Terron, L.R Operações unitárias para químicos, farmacêuticos e engenheiros. 1ª Ed. Rio de janeiro. Editora LTC. 43

44 CRONOGRAMA LOQ4085 OPERAÇÕES UNITÁRIAS I 20161Q2 44

45 CRONOGRAMA LOQ4085 OPERAÇÕES UNITÁRIAS I 20161Q2 23/jun 14/jul 45

46 CRONOGRAMA LOQ4085 OPERAÇÕES UNITÁRIAS I 20161B1 46

47 CRONOGRAMA LOQ4085 OPERAÇÕES UNITÁRIAS I 20161B1 47

48 CRONOGRAMA LOQ4085 OPERAÇÕES UNITÁRIAS I 20161Q2 Prova 1 28 de abril Prova 2 23 de junho Exame - 14 de julho CRONOGRAMA LOQ4085 OPERAÇÕES UNITÁRIAS I 20161B1 Prova 1 29 de abril Prova 2 24 de junho Exame - 15 de julho 48

49 OBRIGADA! BOM SEMESTRE! 49