Laboratório de Operações Unitárias - Bombas centrífuga e engrenagens, Agitadores, Eficiência

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1. Algarismos significativos
2. Perda de Carga
● Perda de carga é definida como a perda de energia sofrida pelo fluido, quando este é
submetido ao escoamento em tubulações.
● A resistência ao escoamento ocasionado pelo atrito entre o fluido e a tubulação, é influenciada
por fatores como o diâmetro e comprimento do tubo, bem como, pela quantidade de conexões e
acessórios existentes no trecho analisado. Além disso, o tipo de fluido, sua viscosidade, e ainda,
a rugosidade do tubo, são aspectos que devem ser considerados
● A perda de carga distribuída aparece ao longo de toda a tubulação avaliada. Ela é provocada
pelo atrito do fluido com a camada estacionária aderida à parede interna do tubo.
● A perda de carga localizada, acontece nos acessórios e conexões presentes no tubo, como
curvas, registros, reduções, ampliações e derivações. Provocada pela turbulência devido às
mudanças de direção do traçado ou pela mudança de seção do tubo.
Por que deve ser removido o ar do sistema de escoamento?
A existência de ar dentro do sistema de escoamento irá atrapalhar nas medidas a
serem realizadas, causando inconsistências. Na prática, as bolsas de ar que são
formadas podem atrapalhar o fluxo do escoamento de água, além de poder causar
excesso de vibração nas tubulações, podendo causar rachaduras e vazamentos nos
canos
3. Bomba centrífuga e de engrenagens
Diferença: Na bomba centrífuga, depende da energia cinética ao invés dos meios mecânicos
para movimentar o líquido. O rotor ou impulsor que consiste no conjunto de pás, gira dentro da
carcaça, aumentando a energia cinética do fluido que, posteriormente, é transformada em energia de
pressão. Já na bomba de engrenagens, a peça móvel é um conjunto de engrenagens que deslocam o
fluido e geram uma diferença de pressão nas bocas de sucção e de saída.
SUCÇÃO: Pressão menor que a atmosférica. Por isso, a indicação do manômetro é “negativa” e a
pressão absoluta será Patm - Pman.
DESCARGA: Pressão maior que a atmosférica. Por isso, a indicação do manômetro é positiva e a
pressão absoluta será Patm Pman.
a. Centrífuga
Seu funcionamento acontece através de impulsores, o equipamento transfere energia centrífuga
para o líquido, semelhante àquela que acontece nas máquinas de lavar. Isso gera uma pressão que
resulta em um fluxo de bombeamento a altas velocidades.
● Possui amplas faixas de vazão e queda de pressão.
● Fluido é descarregado a uma pressão constante (uniforme)
● Não há válvulas envolvidas na operação e possui menor custo de manutenção.
● Precisam de escorva
● Não conseguem bombear líquidos muito viscosos cP > 40
● Para garantir que no início da operação, tanto a bomba quanto o tubo de aspiração estejam
cheios de líquido.
○ Para a realização da escorva é comum o uso de válvula de retenção que impede o
escoamento do líquido do tubo para o reservatório, quando a bomba está parada.f
● Tem baixo rendimento mecânico (nem toda energia é convertida em energia hidráulica e
transferida ao fluido, por conta da grande perda de carga dessa bomba)
O movimento das pás lança o líquido para a periferia do rotor pela ação da força centrífuga →
baixa pressão na sucção (o que faz o fluido entrar) → o líquido escoa para dentro do rotor (maior
pressão para menor pressão) que descarrega o fluido com acréscimo de energia cinética.
Carcaça do tipo voluta: Aumenta
progressivamente. Sendo ela a responsável
pela conversão da energia cinética impressa ao
fluido pelo rotor em energia de pressão.
Rotor: imprimir a velocidade ao líquido
(pode ser aberto, semiaberto ou fechado) →
rotor fechado é mais eficiente (bom para
líquidos puro). Quando tiver material em
suspensão o aberto é melhor (mesmo que seja
menos eficiente).
Tipo axial: Descarrega o fluido na periferia
axialmente (adequado para altas vazões, mas
desenvolve baixa pressões - cavitação)
Tipo radial: Descarrega o fluido na periferia
radialmente (desenvolve altas pressões mas só
é adequado para baixas vazões)
A seleção da bomba centrífuga é feita pelos catálogos com figuras que fornecem as principais
características das bombas. Esses catálogos de seleção apresentam um gráfico de altura
manométrica em função da vazão que permite “enquadrar” a bomba em um modelo padronizado.
Após a escolha do modelo deve-se recorrer às curvas características correspondentes a esse
modelo que fornecem as demais especificações.
NPSH(requerido): É a energia requerida pelo fluido para a partir da sucção vencer as perdas de
carga dentro da bomba e chegar ao ponto de recalque. É a altura manométrica necessária para
vencer as perdas de carga de modo a garantir que a zona de menor pressão (sucção) esteja sempre
acima da pressão de vapor do líquido (para não cavitar)
NPSH(disponível): É a quantidade de energia que o líquido possui a qual deve ser superior a
pressão de vapor do fluido bombeado. A redução da pressão na sucção abaixo da pressão de vapor
do líquido pode causar vaporização. O vapor formado pode interromper o escoamento.
● No controle da vazão, após a saída da bomba, inserimos uma válvula, cuja função é alterar
a vazão pela redução do diâmetro, acarretando um aumento da perda de pressão, na curva do
sistema. A rotação da bomba fica inalterada e a potência consumida aumenta para suprir o
aumento de carga.
Fatores que alteram a curva do sistema:
● Natureza do líquido (densidade, viscosidade..)
● Temperatura do líquido
● Variação da altura estática
● Pressão dos reservatórios de sucção e descarga
● Características ou alterações na tubulação ou acessório.
b. Engrenagens (deslocamento positivo)
Seu sistema consiste em duas ou mais engrenagens que transmitem a potência do motor
gerando uma depressão na câmara de sucção, de forma que o fluido seja succionado para o corpo
da bomba. A peça móvel são as engrenagens que deslocam o fluido e gera diferença de pressão
nas bocas de sucção. Impele quantidade definida de fluído a cada vez. A porção de fluido é presa
em uma câmara e pela ação da engrenagem é impulsionado para fora.
● Caso eu queira manter a vazão constante utilize uma bomba deslocamento positivo.
● A energia fornecida ao fluido vem da variação do volume do fluído contido na bomba
● Relação constante entre a capacidade de descarga da bomba e velocidade do órgão
propulsor da bomba.
● Possui construção simples e baixo custo. Fluido é bombeado uniformemente e é utilizado
principalmente para fluidos de alta viscosidade. Não é sanitária!
● Não operar com válvula de descarga fechada (cavitação)
● Cavitação é a formação de bolhas na área de sucção da bomba (baixa pressão) que formam
cavidades e desgastam a bomba.
● Controlar a vazão na sucção pois ela é constante
● A bomba de engrenagens é auto escorvante para fluidos viscosos. Ou seja, há o
preenchimento total de líquido na tubulação de sucção da bomba, a fim de impedir a formação de
bolhas.
4. Bombas em série e paralelo
a. Série
● Quando a altura manométrica for muito elevada.
b. Paralelo
● É viável quando a vazão do projeto for muito elevada.
● Vantagem operacional: havendo falha no funcionamento de uma das bombas, não haverá a
interrupção completa. Apenas uma redução da vazão bombeada pelo sistema.
5. Agitação
Movimentação de líquidos e pastas em tanques por meio de dispositivos, com objetivo de aumentar as
taxas de transferência de calor e massa.
A agitação é referida como aquela operação unitária que tem como objetivo induzir o
movimento do fluido em uma direção específica, usualmente no interior de um tanque, por meio de
impulsores giratórios, produzindo um perfil circulante. (uma fase)
A mistura busca produzir uma distribuição aleatória e com certo grau de homogeneidade de
uma ou mais fases ou substâncias, inicialmente separadas, dentro ou por meio de outra fase ou
substância. (duas ou mais fases)
As propriedades mais importantes dos materiais, que podem influenciar. Para fluidos, a
viscosidade, massa específica, relação entre as massas específicas e miscibilidade. Para sólidos, o
tamanho da partícula, massa específica, relação entre asmassas específicas, formato, aderência e
molhabilidade.
Um material homogêneo, por exemplo, como um tanque com água pode ser agitado,
enquanto um material em pó pode ser misturado à água.
Alguns exemplos de seu uso são: (i) dispersão de hidrogênio em reatores de
hidrogenação de gorduras; (ii) circulação de líquidos em tachos de fermentação; (iii) tanques
com agitadores no tratamento térmico por batelada de leite; (iv) tanques de extração ou
cozimento; (v) tanques de retenção de produto em processamento;
Tipo hélice: é utilizado geralmente para agitação de fluidos de baixa viscosidade (μ < 5 x 10-2
Pa.s), ainda que possa ser utilizado para líquidos com viscosidades maiores e apresente maior
circulação (escoamento axial) do que uma turbina. Principais aplicações: suspensão de sólidos,
agitação de fluidos miscíveis e aumento da taxa de transferência de calor. Não fornece tensão de
cisalhamento. O diâmetro do agitador é menor que o diâmetro do tanque (Da << Dt) e é utilizado
para uma ampla faixa de frequência rotacional (Figura 2a).
Tipo turbina: são adequados para agitação tanto de fluidos pouco viscosos quanto para fluidos
muito consistentes, para dispersão de gases em líquidos, dispersão de gases e para promover a
transferência de calor. Operam com Da << Dt e altas frequências rotacionais, geralmente em regime
de escoamento de transição ou turbulento. Podem gerar escoamento radial e promovem alta-tensão
de cisalhamento nas pontas do impulsor (Figura 4). Quando têm as pás inclinadas sobre o eixo
(Figura 2e) geram escoamento axial e são úteis para suspensão de sólidos, enquanto os de pás
retas (Figura 2d) são úteis para agitação de fluidos viscosos. O agitador de turbina de Rushton
(Figura 2b) é um impulsor tradicionalmente utilizado para dispersão de gases em líquidos, já que sua
geometria é responsável por uma zona de alta turbulência atrás de cada lâmina. O de turbina de pás
retas (Figura 2d) fornece uma boa agitação, porém com alto consumo energético quando uma
alta-tensão de cisalhamento é requerida. É utilizado para produzir emulsões líquido-líquido. Por
outro lado, quando as pás são curvas, o impulsor é menos agressivo, sendo uma boa opção para
fluidos sensíveis ao cisalhamento, gerando um bom escoamento radial (Figura 2c). Impulsores de
fluxo duplo ou escoamento em contracorrente são utilizados para misturas especiais e fluidos que
apresentam comportamento pseudoplástico com altos valores de índice de consistência de (25 a 75)
Pa.sn e com índice de escoamento variando entre 0,1 e 0,5.
Tipo pás: O diâmetro do impulsor é aproximadamente igual ao diâmetro do tanque (Da=Dt) e
operam com frequência rotacional baixa, sendo utilizados para agitação de fluidos com alta
viscosidade aparente.
Formas diversas: Utilizados para fluidos com alta viscosidade aparente parafusos (Figura 3c), de
fita helicoidal (Figura 3b), que pode ser simples ou dupla, grades fixas e rotatórias, barras, âncoras
(Figura 3a), entre outras. Em geral operam em baixas frequências rotacionais e o diâmetro desses
impulsores abrange quase todo o diâmetro interno do tanque, de modo a permitir a raspagem da
parede e agitar toda a massa de fluido.
Vortex: Usar defletores ou chicanas para impedir a formação do vortex.