PROCESSOS QUIMICOS

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OPERAÇÕES UNITÁRIAS NA 
INDÚSTRIA QUÍMICA
2
 Eduardo Gouveia Martins Romão
Londrina 
Editora e Distribuidora Educacional S.A. 
2023
OPERAÇÕES UNITÁRIAS NA 
INDÚSTRIA QUÍMICA
1ª edição
3
2023
Editora e Distribuidora Educacional S.A.
Avenida Paris, 675 – Parque Residencial João Piza
CEP: 86041-100 — Londrina — PR
Homepage: https://www.cogna.com.br/
Diretora Sr. de Pós-graduação & OPM 
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Conselho Acadêmico
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Coordenador
Nirse Ruscheinsky Breternitz
Revisor
Francine de Mendonça Fábrega
Editorial
Beatriz Meloni Montefusco
Carolina Yaly
Márcia Regina Silva
Paola Andressa Machado Leal
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)_____________________________________________________________________________ 
Romão, Eduardo Gouveia Martins
Operações unitárias na indústria química/ Eduardo 
Gouveia Martins Romão, – Londrina: Editora e Distribuidora 
Educacional S.A., 2023.
32 p.
ISBN 978-65-5903-333-1 
1. Processos químicos. 2. Definição de fluxograma na 
indústria. 3. Decantação e evaporação. I. Título 
 
CDD 660
_____________________________________________________________________________ 
 Raquel Torres – CRB 8/10534
R761o 
© 2023 por Editora e Distribuidora Educacional S.A.
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informação, sem prévia autorização, por escrito, da Editora e Distribuidora Educacional S.A.
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SUMÁRIO
Apresentação da disciplina __________________________________ 05
Definição de fluxograma na indústria ________________________ 07
Balanços de massa e energia aplicados em 
operações unitárias __________________________________________ 18
Conceituação do processo de separação em misturas _______ 32
Trocadores de calor _________________________________________ 48
OPERAÇÕES UNITÁRIAS NA INDÚSTRIA QUÍMICA
5
Apresentação da disciplina
Olá, aluno! O conhecimento das operações unitárias na indústria 
química desempenha um papel crucial no desenvolvimento e 
aprimoramento dos processos de produção. Essas operações 
são os blocos de construção fundamentais para a manipulação e 
transformação de matérias-primas em produtos químicos desejados. 
Compreender as operações unitárias permite otimizar a eficiência dos 
processos, reduzir custos, melhorar a segurança e minimizar o impacto 
ambiental. Além disso, o conhecimento dessas operações proporciona 
uma base sólida para a solução de problemas complexos que possam 
surgir durante a produção industrial.
Como a variedade de processos industriais químicos é enorme, 
é primordial atentar-se aos detalhes e a cada etapa de processo, 
considerando os controles e avalições contínuas de forma a buscar 
a excelência das operações praticadas. Em resumo, o estudo das 
operações unitárias é essencial para garantir a excelência na indústria 
química e promover o desenvolvimento sustentável.
Dentre as competências e habilidades que se pretende que você, aluno, 
desenvolva ao longo da disciplina estão: entender os fundamentos das 
operações unitárias da indústria química, compreender os princípios 
básicos de funcionamento dos equipamentos industriais, conhecer o 
fluxo de diferentes processos e detalhes de cada operação unitária, 
realizar os cálculos dos balanços de massa e energia envolvidos nos 
processos químicos e conhecer as operações envolvendo transferência 
de massa.
Buscando essas competências, a disciplina contempla conteúdos 
programáticos que atendam às necessidades de conhecimento 
necessárias para atuação dentro da Indústria Química e demais 
setores que possuem alguma conexão. Serão discutidas a utilização 
de fluxograma na indústria e a representação dos equipamentos, 
bem como os processos de balanço de massa e energia, os principais 
6
processos de separação de misturas, como decantação, filtração, 
centrifugação, extração, evaporação e destilação, além de trocadores de 
calor, caldeiras e suas particularidades.
Seja protagonista do seu aprendizado.
Bons estudos!
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Definição de fluxograma 
na indústria
Autoria: Eduardo Gouveia Martins Romão
Leitura crítica: Francine de Mendonça Fábrega
Objetivos
• Entender os fundamentos das operações unitárias da 
indústria química.
• Compreender os princípios básicos de funcionamento 
dos equipamentos industriais.
• Conhecer o fluxo de diferentes processos e detalhes de 
cada operação unitária.
• Conhecer os diferentes tipos de fluxogramas, bem 
como suas aplicações e característica.
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1.Introdução
Você já reparou que as atividades industriais são executadas em 
sequência? Como exemplo podemos citar a indústria de vidros, em que 
as matérias-primas são recebidas, moídas, peneiradas e submetidas a 
um processo de fusão até que haja a transformação para obtenção do 
vidro plano.
Na indústria química como um todo, os processos são constituídos 
por uma sequência de etapas, denominadas operações unitárias, que 
determinam um fluxo de fenômenos e transformações que resultam no 
produto desejado.
Para um bom desempenho da produção, esse fluxo de atividades deve 
ser entendido por todos, além de ser analisado criticamente para que 
ocorram melhorias contínuas.
Por isso, dar luz a esse tema é apresentar a importância do fluxograma 
dentro da indústria química, que, de forma simples e direta, apresenta 
as etapas dos processos químicos envolvidos, de forma que todos os 
envolvidos entendam tais atividades, além de apresentar os principais 
equipamentos utilizados.
Ficou interessado? Então, vamos lá?
2. Operações unitárias nos processos 
industriais químicos
Todos os bens e serviços são produzidos a partir de uma sequência 
lógica dos processos envolvidos. Dentro da indústria química não 
é diferente, pois cada etapa de um processo de natureza física a 
ser executada, é conhecida como operação unitária, a qual envolve 
9
transporte físico de matéria ou energia dentro de um processo químico, 
aplicando-se conhecimentos de Termodinâmica e Fenômenos de 
Transporte. As operações unitárias podem ser classificas em: operações 
unitárias de transferência de quantidade de movimento, transferência 
de calor e transferência de massa.
Nas operações unitárias de transferência de quantidade de movimento 
os equipamentos envolvem o transporte e a separação de fluidos, como 
os filtros, ciclones, bombas, decantadores, entre outros. As operações 
unitárias de transferência de calor abrangem a troca térmica entre 
fluidos, como os trocadores de calor. Finalmente, as operações unitárias 
de transferência de massa realizam a separação de fluidos miscíveis, 
como a destilação e a absorção.
Uma forma de apresentar tais etapas dá-se através de fluxogramas, os 
quais, de forma visual, explicam cada uma das atividades envolvidas 
desde a entrada da matéria-prima até o produto.
3. Fluxograma
Por definição, o fluxograma é a ilustração das sequências das atividades 
(etapas) que envolvem qualquer tipo de processo aplicado a diferentes 
áreas, porém, nesta aula, os fluxogramas terão o enfoque em processos 
industriais. É também importante para compreender toda a cadeia de 
operações envolvidas, possibilitando que melhorias de processos sejam 
identificadas de forma simples e direta.
Além de representar as etapas, é uma forma de dentro e fora da 
organização visualizar todos os processos e seja uma ferramenta 
com o objetivo de visualizar melhorias, especificar equipamentos, 
atualizar e eliminar processo e prever etapas críticas que possam ser 
10
acompanhadas com atenção dentro daatividade industrial proposta. Os 
diagramas de fluxo mais utilizados serão explicados a seguir.
Os diagramas de bloco são representados pelo exemplo de fluxograma 
de um processo industrial químico típico. Atente-se ao sentido das setas, 
pois será fundamental para a compreensão da sequência operacional 
(Figura 1).
Figura 1 – Processo químico típico
Fonte: adaptada de Levenspiel (1999, p.1).
A representação na Figura 1 é simplificada, não fornecendo detalhes 
sobre as etapas envolvidas. Não são descritas as operações de 
tratamento físico ou químico que serão realizadas, nem são fornecidas 
outras informações importantes, como fluxo de massa, temperatura, 
tempo e condições de processo essenciais para o processo ou qualquer 
atividade de transformação relacionada.
Outro exemplo de representação é a Figura 2, que traz um fluxograma 
de processo simples aplicado ao exemplo do processo do fluxo 
adiabático da rota catalítica da nafta do petróleo, com o objetivo de 
melhorar o número de octanagem da gasolina.
No exemplo ilustrado na Figura 2, é importante observar que, devido às 
altas temperaturas envolvidas, se o reator estivesse em funcionamento, 
poderiam ocorrer reações indesejadas que prejudicariam a eficiência 
das reações responsáveis pelo aumento da octanagem da gasolina. 
No entanto, ao dividir os reatores, é possível garantir que as reações 
intermediárias ocorram adequadamente, permitindo que o processo 
de catálise aconteça sem obstáculos. Essa divisão dos reatores também 
11
facilita o controle individual de cada etapa da operação, possibilitando 
melhorias contínuas no processo à medida que a operação é executada.
Além de se observar todas as etapas do processo, desde seu input 
(reagentes) até o output (produtos), com a descrição de cada etapa 
envolvida, o detalhamento do fluxo do processo permite que se veja 
uma representação esquemática dos componentes e equipamentos 
envolvidos no processo. Essa representação é definida por 
normatização, o que permite seu uso de forma universal, facilitando o 
entendimento e aplicação.
Figura 2 – Representação da planta catálise da nafta do petróleo
Fonte: adaptado de Ravi, Vinu e Gummadi (2017, p. 8).
Fluxogramas de Processo (PFD – Process Flowchart Diagram): é 
um fluxograma mais detalhado, em que se apresenta além dos 
equipamentos e do fluxo, as condições de processo (temperatura, 
vazão, pressão, fração molar etc.), sendo que essas condições devem ser 
informadas em uma tabela abaixo do diagrama.
Mais completo que o PFD é o diagrama de tubulação e instrumentação 
(P&ID ou PID – Piping and Instrumentation Diagram), pois apresenta 
informações dos instrumentos, pontos de amostragem, controles, 
tubulações, a organização dos equipamentos e as conexões entre esses 
12
equipamentos, com a descrição da natureza do processo. Aplica-se em 
projetos complexos e/ou que irão receber maior atenção quanto ao 
controle das etapas. A Figura 3 apresenta o exemplo genérico de um PID 
para o processo de produção de separação gás-líquido.
Figura 3 – PID de um sistema de separação gás e líquido
Fonte: Shutterstock.com. 
A garantia da segurança da planta, o cumprimento das especificações 
do produto, o atendimento às normas ambientais e o cumprimento 
dos requisitos operacionais são fatores que conferem ao Diagrama 
de Instrumentação e Tubulação (PID) uma vantagem significativa em 
relação ao PFD (Diagrama de Fluxo de Processo). Além disso, o PID 
permite minimizar as perdas de processo, tornando-o uma opção mais 
vantajosa.
Nesse aspecto, sistemas que possuem sensores e controladores, que 
contribuem para apresentação de anomalias possam existir dentro do 
processo é mais rápida e com isso a tomada de decisão para correções 
é mais eficaz. Soma-se a isso, que o controle supervisório dentro do 
PID acompanha toda as etapas do processo auxiliado por sistemas 
computacionais integrados aos processos.
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Figura 4 – Produção de ácido nítrico
Fonte: Towner e Sinnot (2013, p. 39)
No entanto, o fluxograma da produção de ácido nítrico possui de forma 
detalhada as condições de processo de cada etapa (temperatura e 
pressão) que podem ser entendidas por um especialista, que por sua 
vez, poderá intervir e/ou propor alterações para melhoria dos processos, 
sem comprometer o produto desejado. É fundamental que haja o 
controle de atualização desse documento, além de representar a total 
concordância da alta direção quanto à execução das operações, além de 
que haja entendimento do processo por toda a organização.
A International Organization for Standardization (ISO) possui normas 
que contemplam as representações utilizadas em processos industriais. 
São elas:
• ISO 10628-1:2014: Diagrams for the chemical and petrochemical 
industry Part 1: Specification of diagrams
• ISO 10628-2:2012: Diagrams for the chemical and petrochemical 
industry Part 2: Graphical symbols
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Ainda, existem softwares específicos que, de acordo com o processo, 
podem fornecer as representações pré-definidas de cada etapa para 
serem utilizadas na construção de fluxogramas de processo. Um desses 
softwares é o Visio® da Microsoft®, de acordo com a simbologia 
que segue em concordância com as normas ISO citadas. O Quadro 1 
contempla as principais representações aplicadas na indústria química.
Quadro 1 – Representações para PFD na indústria química
Reatores, vasos, misturadores e tanques
Equipamentos trocadores de calor
Manuseio de fluidos
Manuseio de sólidos
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Demais símbolos
Fonte: adaptada de Towner e Sinnot (2013, p. 36–7).
É fundamental o que se observa em alguns tipos de equipamentos, eles 
possuem simbologia genérica, ou são específicos para os principais 
equipamentos. Note que alguns tipos de equipamentos possuem 
símbolos genéricos, bem como uma seleção equivocada do símbolo, 
o que poderá gerar problemas na leitura do fluxograma. Por exemplo, 
um misturador, se o símbolo errado for selecionado, isso pode causar 
confusão para outros engenheiros. Por exemplo, um misturador 
para manuseio de sólidos é utilizado para misturas de sólidos em um 
líquido, enquanto para os demais símbolos há um agitador que pode 
ser utilizado em um tanque de mistura e o responsável pelo projeto 
saberá destacar as diferenças conforme a sua utilização. De modo 
geral, processos químicos industriais são divididos/organizados pelas 
seguintes etapas:
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• Armazenamento da matéria-prima: dependerá da natureza 
que é fornecido, da forma que será manuseado, a regularidade 
de fornecimento e o tempo de disponibilidade da operação. 
Aqui podemos citar os tanques e reservatórios os quais são 
projetados de acordo com o material a ser armazenado, pois afeta 
diretamente no projeto para a seleção do material de confecção 
além da necessidade ou de proteção como contra a corrosão.
• Preparação e purificação: nessa etapa, operações para remover 
agentes contaminantes que possam ou não afetar o processo 
são utilizadas, garantindo, dessa forma, que elas sejam utilizadas 
na etapa de reação. Podem citados os filtros e peneiras, que 
objetivam a separação de fases, sendo o primeiro, da fase líquido-
sólido e o segundo, aplicado para separação de tamanho de 
partícula.
• Reação: principal etapa de qualquer processo industrial químico, 
a qual, nas condições de operação dentro do reator, será obtido 
o produto desejado. Essa etapa pode ocorrer em reatores, que 
são reservatórios projetados nas condições adequadas para que 
as reações ocorram, especialmente em condições de pressão e 
temperatura adequadas ao processo, cujos materiais de elevada 
resistência mecânica e à corrosão devem ser selecionados.
• Separação do produto: mesmo após ocorrer a reação, 
é necessário que ocorra a separação do produto de 
agentes indesejados, que são partes que não reagiram e 
consequentemente são contaminantes. Os exemplos para 
o processo de separação podem ser os decantadores para 
a separação de um sistema líquido-líquido, filtração para a 
separação sólido-líquido, trocadores de calorque permitem a 
separação pela formação de uma fase vapor em uma mistura 
líquido-líquido.
• Purificação: antes da disponibilidade comercial do produto, há 
a necessidade de atender especificações e critérios técnicos e 
17
somente é possível pela etapa de purificação, em que poderá 
servir para eliminar componentes residuais da separação que 
poderão ser descartados ou não, conforme a necessidade. Pode-
se também, nessa etapa, citar a utilização de trocadores de calor 
para, como ideia de purificação, ajustar a concentração de soluto 
em uma solução.
• Armazenamento e transporte do produto: nessa etapa, define-
se como será comercialmente oferecido o produto, desde a 
concepção da embalagem, armazenamento e transporte, sendo 
a quantidade do produto e o mercado consumidor os principais 
fatores para o tamanho do estoque. O armazenamento pode 
ocorrer em tanques ou reservatórios que possam ser projetados 
de acordo com as condições de armazenamento, para que seja 
evitada a contaminação pelo ambiente externo.
Embora um fluxograma possa conter uma ampla gama de informações, 
a relevância desses detalhes dependerá da prática e experiência dos 
responsáveis pelo projeto. Essas informações podem ser divididas em 
itens essenciais e itens opcionais, sendo que os itens essenciais devem 
sempre estar presentes, enquanto os opcionais aumentam a utilidade 
do fluxograma, embora nem sempre sejam incluídos.
Referências
CREMASCO, M. A. Operações unitárias em sistemas particulados e fluido 
mecânicos. São Paulo: Blücher, 2012.
LEVENSPIEL, O. Engenharia das reações químicas. Blücher, 2000.
RAVI, R.; VINU, R.; GUMMADI, S. N. Coulson and Richardson’s Chemical 
Engineering: Chemical and Biochemical Reactors and Reaction Engineering. 4. 
ed. United Kingdom: Elsevier, 2013. v. 3A.
TOWLER, G.; SINNOTT, R. Chemical engineering design: principles, practice, and 
economics of plant and process design. 2. ed. USA: Elsevier, 2013.
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Balanços de massa e energia 
aplicados em operações unitárias
Autoria: Eduardo Gouveia Martins Romão
Leitura crítica: Francine de Mendonça Fábrega
Objetivos
• Entender, compreender e realizar os cálculos 
dos balanços de massa e energia envolvidos nos 
processos químicos.
• Conhecer as operações envolvendo transferência de 
massa através das operações.
• Apresentar os fundamentos dos processos de 
decantação e evaporação.
• Associar as operações unitárias citadas com 
os mecanismos de transferência de massa e 
evaporação.
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1.Introdução: definição de processos
Antes de qualquer aplicação nos processos de decantação ou 
evaporação, é importante definir quais são os tipos de processos que 
são encontrados na indústria química.
Basicamente, existem três tipos de processos: batelada, contínuo e 
semicontínuo. No processo em batelada, a transformação ocorre do 
início ao fim e apenas após a conclusão de todas as transformações 
envolvidas é realizada uma nova alimentação. Por outro lado, no 
processo contínuo, não se espera o término do processo para a 
transformação ocorrer. Conforme o próprio nome sugere, a alimentação 
é feita de maneira contínua, e o processo não é interrompido. Por 
fim, o processo semicontínuo combina elementos dos dois processos 
anteriores: alguns componentes são adicionados em batelada, enquanto 
outros são inseridos de forma contínua. Alguns exemplos de indústrias 
em que se encontram os três processos:
• Batelada: alimentícia e farmacêutica.
• Contínuo: petroquímicas, siderúrgicas, fábricas de papel, de 
automóveis, manufaturas de eletrodomésticos e indústria 
alimentícia.
• Semicontínuo: alguns processos de fermentação.
Outro aspecto a ser considerado é quando são abordadas as variáveis 
de processo, como pressão, temperatura, volume, vazão e outras. 
Caso não ocorra variação com o tempo, podemos classificar como 
estado estacionário; do contrário, quando há influência do tempo nas 
alterações das operações, podemos classificar como regime transiente 
ou estado não estacionário.
Nesse ponto, os processos em batelada e semicontínuos são transientes, 
pois as operações de partida e finalização de processos devem ocorrer 
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dentro de um intervalo esperado para iniciar a próxima alimentação. 
No entanto, processos contínuos, por serem de alta escala de produção, 
são conduzidos de forma mais próxima do estado estacionário 
normalmente.
2. Balanço de massa aplicado em 
operações unitárias
Os processos de transferência de massa estão baseados na separação 
de componentes contidos em misturas homogêneas ou heterogêneas. A 
força motriz para que ocorra a transferência de massa é a diferença de 
concentração existente entre as espécies envolvidas.
A lei da conservação das massas diz que a massa de entrada de todos os 
materiais em um sistema deve ser a mesma para todos os materiais que 
deixam o sistema ou são acumulados, seguindo a Equação 1:
 Equação 1
Em casos que envolvam o balanço de massa, o roteiro a ser seguido 
seria:
a. Faça o esquema do processo apresentando as entradas e saídas.
b. Se tiver, escreva a equação química envolvida.
c. Verifique qual é o componente a ser utilizado na base de cálculo.
d. Realize o balanço de massa com a massa total ou a massa de cada 
componente caso não haja reação química envolvida.
É importante definir que há dois tipos de balanço de massa, que serão 
descritos. O balanço diferencial, o qual é expresso por taxa temporal 
(kg/h, g/s etc.), ou, para ficar fácil de entender, é o que ocorre no 
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sistema em um determinado tempo. Por sua vez, o balanço integral 
descreve o que acontece entre dois instantes de tempo, sendo cada 
termo do balanceamento uma porção da grandeza balanceada, e essa 
situação aplicada em processos em batelada e o balanço diferencial em 
processos contínuos.
Por outro lado, quando há em um processo contínuo e estacionário, a 
equação 1 é ajustada considerando dois aspectos importantes: dentro 
do sistema é produzido uma parte do produto e ao mesmo tempo que 
é produzido, é consumido, ou seja, não há acúmulo dentro do sistema. 
Dessa forma, a Equação 1 pode ser reescrita para a Equação 2:
 Equação 2
Em regime estacionário, de forma simplificada, pode-se dizer que 
a Equação 2 fica resumida, considerando que tudo que é gerado é 
consumido, resultando na Equação 3:
 Equação 3
Isso somente ocorre quando a massa é não reativa, ou seja, não existe 
alteração de massa durante a operação unitária.
Para um processo em batelada, a Equação 2 pode ser alterada para a 
seguinte situação apresentada pela Equação 4:
 Equação 4
A diferença da Equação 4 para a Equação 2 é necessária, pois, na 
equação anterior, por ser um processo em que há a necessidade 
da transformação total, para se iniciar a próxima alimentação, e as 
quantidades da entrada e saída estão balanceadas.
Como dito, balancear as entradas e saídas é fundamental pois as massas 
da entrada do sistema devem ser iguais às massas de saída do sistema. 
22
Outro fator importante é a base de cálculo, que é uma quantidade 
de massa ou em número de mols, até mesmo podendo ser de vazão 
mássica ou molar, de um dos componentes de uma corrente em um 
processo. É importante definir a base de cálculo, pois as variáveis 
desconhecidas são obtidas em relação à base de cálculo utilizada.
2.1. Decantação
O processo de decantação também pode ser aplicado em um sistema de 
mistura sólido-líquido, ou líquido + líquido, que será separado de acordo 
com a quantidade das fases presentes.
O que pode explicar de forma simples a decantação é a hidrostática: 
ambos os líquidos, em mistura, ingressam no recipiente, e ocorre o 
fluxo de deslocamento de ambos os fluidos, ocorrendo a separação em 
duas camadas distintas. Considerando que a resistência ao atrito entre 
os fluidos é desprezível, a estática dos fluidos pode ser aplicada para 
analisar esse fenômeno. A Figura 1 ilustra o processo de decantação.
Figura 1 – Processo de decantação de dois líquidos imiscíveis
Fonte: adaptada de Geankoplis,Hersel e Lepek (2018, p. 97).
Percebe-se que, em relação ao líquido A, de massa específica Aρ , o 
líquido B apresenta menor massa específica, Bρ . Na Figura 1, podemos 
observar que a altura total, Th , é igual a soma das alturas dos líquidos, A (
1Ah ) e B ( Bh ). Logo,
23
 Equação 5
A saída do líquido A ocorre pela pressão gerada na altura 2Ah , um ponto 
acima do fundo do reservatório. Com a presença do ar atmosférico, o 
equilíbrio hidrostático é descrito como apresentado na Equação 6:
 Equação 6
Ao reescrever a Equação 1 em função da altura do líquido menos denso 
B, tem-se que . Substituindo, na Equação 2, a altura do líquido A 
no decantador 1Ah , e, resolvendo, tem-se a Equação 7:
 
 Equação 7
A Equação 7 mostra que a altura da interface 1Ah do líquido mais denso é 
dependente da relação das massas específicas dos líquidos e das alturas 
totais do tanque Th e de saída do fluido A, 2Ah , sendo esse último termo 
móvel para ajuste da interface.
Para esse fato, considerando a conservação da massa em termos 
de vazão mássica (quantidade de massa em um intervalo de tempo, 
simbolizada por m
•
), a variante da Equação 1 poderá ser descrita da 
forma como apresentado na Equação 8:
 Equação 8
No entanto, como haverá a separação em duas fases, que são 
dependentes das densidades de ambos os componentes da mistura, a 
Equação 8 pode ser descrita também em função da vazão volumétrica 
(volume por unidade de tempo, V
•
)
 Equação 9
24
Como a vazão volumétrica pode ser descrita como sendo 
VV
t
•
=
, a 
Equação 9 pode ser rearranjada em função do volume ocupado para 
cada componente após a separação e pelo tempo de separação, t .
 Equação 10
Dentro do balanço de massa, por ser um processo de separação, pode-
se utilizar a decantação combinada com demais processos, como a 
extração com destilação.
A Figura 2 exemplifica a utilização combinada do processo de destilação 
com outros processos.
Figura 2 – Processo de destilação e extração com a mistura água (W) 
e acetona (A) e metil-isobutilcetona (MIBC – M)
Fonte: Felder e Rousseau (2011, p. 240).
Percebe-se que há duas etapas de decantação descritas as quais seguem 
para fases seguintes. No entanto, duas palavras devem ser definidas 
para efeitos de demais processos que possam aparecer: o termo 
25
“rafinado” está relacionado à fase rica em diluente (a água, no caso), 
enquanto o extrato é a fase rica e solvente (MIBC).
3. Balanço de energia aplicado em 
operações unitárias
A importância da utilização de processos de balanço de energia em 
operações unitárias está relacionada diretamente com o controle da 
base energética necessária para um processo. Em outras palavras, qual 
a quantidade de energia será utilizada, levando em consideração as 
perdas existentes no processo e quanto tais perdas podem influenciar 
nas questões técnicas e econômicas com relação ao desempenho da 
operação unitária.
Dentro da aplicação, as formas de energia (que estão presentes em 
um sistema fechado, no qual a massa não sairá além das fronteiras do 
sistema) podem ser representadas na forma de calor ou de trabalho, 
sendo a primeira relacionada com a diferença de temperatura entre 
a temperatura do sistema e a temperatura da vizinhança e o trabalho 
que é a resposta de uma força motriz (movimento de um pistão, força, 
torque ou voltagem), sem que envolva a diferença de temperatura.
Essas formas de energias associadas ao sistema são descritas pela 
primeira Lei da Termodinâmica, na qual estabelece que a energia, 
ingressa no sistema, e que somada com a taxa de energia que entra no 
sistema como calor, menos a energia que sai do sistema e menos a taxa 
de energia que sai do sistema na forma de trabalho.
Para um sistema fechado, o balanço de energia pode ser descrito como 
a Equação 11.
 - Energia final do sistema Energia de entrada no sistema Energia de saída do sistema= Equação 11
26
A energia final do sistema, considerando o sistema como fechado, pode 
ser também traduzida como a energia acumulada no sistema. Para um 
sistema aberto, no entanto, a atenção dada como há transferência de 
massa pela fronteira, o que ocasiona a geração de trabalho sobre o 
sistema (entrada) e trabalho sobre a vizinhança (saída).
Caso o sistema seja estacionário, de forma simplificada, o balanço de 
energia é relacionado, como mostrado na Equação 12.
 = Energia de entrada no sistema Energia de saída do sistema Equação 12
Ou seja, toda a energia envolvida na entrada é convertida em outras 
formas na saída.
3.1. Evaporação
O processo de vaporização (ou evaporação) consiste em aquecer uma 
mistura de duas soluções miscíveis, e aquela que apresentar menor 
temperatura de ebulição torna-se vapor e, com isso, é removida e a 
solução mais concentrada permanece no recipiente, sendo que na 
maioria dos casos, o processo de evaporação refere-se à remoção de 
água em uma solução aquosa.
Em alguns casos, a solução pode apresentar pequenas concentrações 
de minerais, logo, é importante o processo de evaporação para que os 
sólidos estejam livres da presença da água para utilização em outros 
processos químicos e/ou outras aplicações. Um exemplo é a evaporação 
da água do mar para obter água potável, a qual o processo foi 
desenvolvido para uso comercial. Nessas situações, o objetivo primário 
é concentrar a solução e, após resfriamento, concentrar os cristais de sal 
formados e separá-los posteriormente.
Os principais fatores envolvidos no processo de evaporação são:
27
a. Concentração no líquido: é comum que o líquido esteja diluído 
em solução, com baixa viscosidade, próximo ao que é a água, 
e durante o processo de evaporação, a solução torna-se mais 
concentrada e bastante viscosa, o que contribui para a queda dos 
coeficientes de transferência de calor. Isso pode ser solucionado 
com circulação e/ou turbulência no sistema para manter as 
propriedades de transferência de calor adequadas à evaporação.
b. Solubilidade: quando as soluções são aquecidas, as 
concentrações dos solutos aumentam e, com isso, o limite de 
solubilidade na solução pode exceder e há a formação de cristais, 
limitando a concentração em solução que pode ser obtida pela 
evaporação. Em muitos dos casos, a solubilidade aumenta com 
a temperatura, o que significa que, em uma solução concentrada 
de um evaporador, quando resfriada a temperatura ambiente, 
poderá ocorrer a cristalização. Dessa forma, é importante 
conhecer as curvas de solubilidade das soluções que irão ser 
separadas para o estudo com relação às concentrações e à 
temperatura, como a do exemplo da Figura 3.
Figura 3 – Curvas de solubilidade do KNO3 e KCl
Fonte: Shutterstock.com.
28
c. Formação de espuma: caso a solução seja composta por soluções 
cáusticas, soluções alimentícias tais como leite desnatado e 
algumas soluções de ácidos graxos, pode haver a formação de 
espuma durante aquecimento. Essa espuma seguirá junto pelo 
evaporador, gerando perdas por arraste.
d. Pressão e temperatura: o ponto de ebulição de uma solução 
é definido de acordo com a pressão do sistema. Elevadas 
pressões de operação no evaporador ocasionam o aumento na 
temperatura de ebulição.
e. Deposição de materiais: durante o processo de evaporação, 
alguns materiais podem se depositar nas superfícies quentes 
do sistema de evaporação, sendo tais materiais formados pela 
decomposição de produtos ou pela queda de solubilidade, afetando 
a transferência de calor. Nesse ponto, é importante a limpeza 
adequada do evaporador, bem como a construção adequada 
com seleção de materiais e sem pontos de acúmulo para que 
seja evitada a incrustação. Para essa situação, um sistema de 
evaporação com condensador é apresentado na Figura 4.
Figura 4 – Sistema de evaporação vertical com 
condensação de vapor
Fonte: adaptada de Mccabe, Smith e Harriott (1993, p. 446).
29
Ao se observar o esquema do sistema de evaporação, é importanteenfatizar que um dos principais objetivos do processo é aumentar 
a concentração de soluto na solução. Além disso, percebe-se que o 
sistema de alimentação está contracorrente ao sistema de condensação 
do vapor.
Observando de forma separada cada um dos componentes, tem-se que 
fluxo de calor necessário para a vaporização qvapor, a vazão mássica de 
vapor condensado, vm
•
, não se altera; apenas ocorre a mudança de fase, 
em que se envolve as entalpias no estado vapor e no estado condensado 
( ,v CH H , respectivamente). Como há mudança de fase, o calor latente de 
condensação ( CL ) também é envolvido no processo. Devemos considerar 
que apesar das mudanças de estado físico, a energia é conservada para 
todas as etapas. Dessa forma, no condensador, a uma temperatura CT , 
tem-se a Equação 13:
 Equação 13
Na região de evaporação tem-se a ebulição e o calor de ebulição gerado 
qE , tem-se o equacionamento para balanço energético mostrado pela 
Equação 14, no qual a temperatura do separado líquido-vapor é igual a 
temperatura de ebulição (Te ) do líquido a ser destilado. Assim:
 Equação 14
Considerando que não há perdas na transferência de calor, ou seja, todo 
o calor do sistema de condensação é transferido para o processo de 
evaporação, combinando as Equações 13 e 14, tem-se a Equação 15:
 Equação 15
As entalpias do líquido evaporado, da alimentação e do líquido residual 
são dependentes das soluções a serem concentradas.
30
No caso de um balanço energético, a taxa total de transferência de calor 
( Tq ) é a soma da contribuição da transferência de calor da alimentação (
q ) e da transferência de calor da evaporação ( Eq ). Assim, a Equação 16 
pode ser escrita como:
 Equação 16
Sendo q e Eq representadas pelas Equações 17, juntamente do calor 
específico, cp, do fluido e da temperatura inicial na alimentação 
T. Enquanto a Equação 18, demonstra que LL é o calor latente de 
vaporização do líquido residual, juntamente da vazão mássica da 
alimentação, , e da vazão mássica do líquido residual, mL .
 Equação 17
 Equação 18
Dessa forma, unindo-se ambas as equações:
 Equação 19
Se a temperatura da alimentação for superior à de ebulição do líquido, 
ocorre do evaporador para o líquido residual, a vaporização instantânea. 
Do contrário, ou seja, quando a temperatura da alimentação é menor 
que a de ebulição, é necessário um calor adicional para promover a 
evaporação.
Percebe-se que há uma relação direta entre o balanço de energia e a 
vaporização: considerando o sistema fechado e estacionário, o fluxo de 
calor do sistema é gerado devido às transformações de fase envolvidas, 
bem como as variações de temperatura em cada etapa do processo.
Dessa forma, os processos de balanço de massa e de energia são 
fundamentais dentro das Operações Unitárias, pois quando aplicadas 
dentro das condições e tipos de processo, são definidas as melhores 
31
condições para obter produtos dentro de especificação, de acordo 
com necessidades de mercado e também a garantia que o rendimento 
alcançado seja o máximo dentro do processo aplicado.
Referências
FELDER, R. M.; ROUSSEAU, R. W. Princípios elementares dos processos químicos. 
3. ed. Rio de Janeiro: Editora LTC, 2011.
FOUST, A. S. et al. Princípios das operações unitárias. 2. ed. Rio de Janeiro: Editora 
LTC, 2012.
GEANKOPLIS, C. J.; HERSEL, A. A.; LEPEK, D. H. Introduction to engineering 
principles and units: transport Processes and Separation Process Principles. 5. ed. 
Hoboken, NJ: Prentice Hall, 2018.
GREEN, D. W.; SOUTHARD, M. Z. Perry’s chemical engineers’ handbook. McGraw-
Hill Education, 2019.
McCABE, W. L.; SMITH, J. C.; HARRIOTT, P. Unit operations of chemical 
engineering. New York: McGraw-hill, 1993.
32
Conceituação do processo de 
separação em misturas
Autoria: Eduardo Gouveia Martins Romão
Leitura crítica: Francine de Mendonça Fábrega
Objetivos
• Entender os fundamentos das operações unitárias 
da indústria química.
• Compreender os princípios teóricos dos processos 
industriais de separação em misturas.
• Apresentar os principais processos industriais de 
separação, filtração, destilação, centrifugação, 
extração, decantação e evaporação.
33
1.Introdução
Dentro da indústria química, encontram-se diversos sistemas de 
misturas, sejam eles imiscíveis ou miscíveis, independentemente do 
estado físico. Durante os processos, essas misturas precisam passar por 
etapas de separação, sendo fundamental compreendê-las. A eficiência 
das etapas subsequentes é fortemente influenciada pelos processos 
de separação, especialmente pela presença de contaminantes ou 
componentes que podem ser reaproveitados. Quanto mais eficientes 
forem esses processos, menor será a necessidade de etapas adicionais 
de separação, o que resultará em redução de custos. Vamos conhecer 
esses processos?
2. Decantação
O processo de decantação consiste na separação de dois líquidos 
imiscíveis, devido à diferença de densidade entre eles: o líquido de maior 
densidade permanece no fundo e o de menor densidade, próximo à 
superfície.
A explicação do fenômeno é pela hidrostática: ambos os líquidos, em 
mistura, ingressam no recipiente, e ocorre o fluxo de deslocamento de 
ambos os fluidos, ocorrendo a separação em duas camadas distintas. 
Considerando que a resistência ao atrito entre os fluidos é desprezível, a 
estática dos fluidos pode ser aplicada para analisar esse fenômeno.
Os decantadores, equipamentos utilizados para o processo de 
separação líquido-líquido, são projetados para utilização em operações 
unitárias para processos contínuos (em que outras etapas irão ocorrer 
posteriormente), mas por outro lado, podem ser utilizados também para 
processos em batelada (todas as etapas ocorrem dentro do decantador). 
Diante da breve explicação quanto aos processos contínuos e batelada, 
34
os decantadores são construídos de acordo com cada um dos tipos de 
processo, como será mostrado na Figura 1, a qual representa os dois 
tipos de reservatórios de decantação, o horizontal (a) e o vertical (b).
Figura 1 – Representação dos decantadores (a) 
horizontal e (b) vertical
 (a) (b)
Fonte: Shutterstock.com. 
Algumas aplicações da utilização da decantação são citadas: separação 
de rejeito argiloso, mineração de areia industrial como matéria-prima 
na indústria cerâmica, separação de rejeitos para a separação no 
tratamento do caldo da indústria sucroalcooleira, por meio da dosagem 
de cal hidratado, polímero ácido fosfórico, quando aplicável, e um 
polímero específico da aplicação.
3. Filtração
O processo de filtração consiste em separar duas fases, normalmente, 
uma no estado líquido e outra no estado sólido. A fase sólida retida é 
chamada de torta, pois possui uma quantidade de líquido presente, fica 
retida em um sistema poroso, conhecido como filtro ou meio filtrante, 
e a fase líquida percola por esse meio. Em alguns casos, há aplicação 
de filtração para separação de fases gás-sólido, usando meios filtrantes 
especiais. Trata-se de uma estratégia de filtração para remoção dos 
35
sólidos de uma corrente de gás, especialmente quando os sólidos não 
são de interesse comercial. Como exemplo, podemos considerar que 
este é o princípio de separação de um aspirador de pó doméstico. 
Considerando que a filtração é majoritariamente aplicada para a 
separação sólido-líquido, a Figura 2 esquematiza esse processo, no qual 
pode ser observado que a separação da fase sólida da líquida ocorre 
assim que a suspensão é adicionada ao sistema de filtragem, com uma 
quantidade de sólido úmido retido, chamado de torta, e a passagem da 
fase líquida em excesso, chamada de filtrado. Isso ocorre devido ao uso 
do filtro, que é uma das principais peças do sistema do equipamento de 
filtragem. O filtro é a barreira que permite a passagem dos líquidos e a 
retenção da maioria dos sólidos, podendo ser uma malha, um tecido, 
um papel ou um leito de sólidos. O processo de filtração,por exemplo, 
pode ser aplicado na produção de cerveja e no tratamento de água para 
consumo.
Figura 2 – Processo de filtração sólido-líquido
Fonte: Cremasco (2012, p. 356).
Quando à classificação, os processos de filtração podem ser classificados 
de acordo com o tipo de força motriz, o mecanismo de filtração, o 
objetivo pretendido, o ciclo de operação e a natureza dos sólidos. 
A seguir, são apresentados maiores detalhes de cada uma das 
classificações dos processos de filtração:
36
a. A força motriz, que impulsiona o filtrado a passar pelo filtro 
e é gerada pela pressão hidrostática aplicada acima do filtro, 
enquanto abaixo dele é aplicada pressão reduzida ou vácuo. Além 
disso, no processo de filtração, também pode ocorrer a ação de 
uma centrífuga.
b. O mecanismo de filtração, existem dois modelos básicos 
que são considerados para explicar a teoria do processo de 
filtração. No primeiro modelo, os sólidos permanecem imóveis 
na superfície do filtro, empilhando-se uns sobre os outros para 
formar uma camada de torta que aumenta em espessura. Já no 
segundo modelo, os sólidos são retidos nos poros, resultando na 
clarificação do líquido.
c. O objetivo da filtração, varia dependendo se diz respeito a 
sólidos secos ou ao processo de clarificação. No caso dos sólidos 
secos, a torta resultante é um produto de valor agregado, cuja 
qualidade pode ser aprimorada por meio da recuperação dos 
sólidos. Por outro lado, no processo de clarificação, o objetivo é 
obter um líquido mais transparente, com baixa contaminação. 
Para esse fim, é importante utilizar técnicas como a filtração em 
profundidade ou a filtração da torta.
d. Ciclo operação, pode ser classificado como intermitente 
(batelada) ou contínuo. No caso da operação em batelada, a força 
motriz é gerada através da aplicação de pressão constante ou em 
ciclos, que variam de acordo com a pressão ou o ciclo da batelada. 
Esses parâmetros dependem da área do filtro e da carga dos 
sólidos.
e. Natureza dos sólidos: a filtração da torta pode envolver a 
acumulação de sólidos compressíveis ou incompressíveis. Dentro 
de um sistema de filtragem, esses sólidos podem ser compostos 
por partículas deformáveis ou rígidas. O tamanho das partículas 
pode ser igual ou maior que o tamanho mínimo de um poro do 
37
filtro (entre 1 a 10 μm), ou até mesmo menor que 1 μm. Muitos 
sistemas de filtração lidam com sólidos que abrangem diferentes 
faixas de tamanho. Nesse caso, os sólidos que possuem tamanhos 
menores que 1 μm podem ser filtrados diretamente, enquanto 
os de tamanho superior a 1 μm podem necessitar de agregação 
antes da filtração, utilizando o meio filtrante ou a ultrafiltração.
Quanto aos elementos filtrantes utilizados nos processos de filtração, 
podemos classificá-los de acordo com o material que constitui o meio 
filtrante, como segue:
a. Tecidos de fibras entrelaçadas: podem incluir materiais como 
acetato de celulose (com aplicação genérica), acrílicos, fibra de 
vidro, náilon, poliéster, polietileno, polipropileno, algodão e 
fluorcarbonos. A seleção desses materiais é feita de acordo com o 
meio de filtração, levando em consideração características como 
resistência a ácidos, abrasão, álcalis, solventes e temperatura de 
operação.
b. Telas metálicas: os tecidos utilizados na filtração podem ser 
compostos de diferentes materiais, tais como níquel, cobre, 
latão, bronze, alumínio, aço, aço inoxidável, Monel e outras 
ligas. Esses materiais são aplicados em diversas granulometrias, 
permitindo o uso em pastas cristalinas grossas, polpas e similares, 
com aberturas de 400 mesh. Esses tecidos são amplamente 
empregados em ambientes que exigem boa resistência à corrosão 
e alta resistência à temperatura, utilizando metais selecionados 
adequadamente para garantir a eficácia da filtração em aplicações 
de longa duração. Além disso, a utilização desses filtros é atrativa 
no manuseio de materiais tóxicos, especialmente em filtros 
fechados, onde a exposição mínima durante a manutenção é 
desejável.
38
c. Feltros: meios não tecidos que, mesmo assim, são utilizados 
com partículas gelatinosas de tintas, soluções de fiação e outros 
líquidos viscosos. A deposição de partículas ocorre pela deposição 
das partículas ao longo das fibras.
d. Papéis de filtro: possuem ampla faixa de permeabilidade, 
espessura e resistência. Eles estão disponíveis em formato de 
folhas, placas, tubos, entre outros, e são compostos por diversos 
materiais. Esses materiais incluem aço inoxidável sinterizado, 
outros metais, grafite, óxido de alumínio, sílica, porcelana e certos 
tipos de plástico.
Os processos de filtração ainda podem ser classificados de acordo com 
a operação, como sendo em batelada ou contínuos. Para operações em 
batelada, filtros abertos e verticais ou filtros prensas são os mais usados, 
tais como o modelo de filtro prensa apresentado na Figura 3, onde é 
ilustrado seu esquema de funcionamento.
Figura 3 – Filtro prensa
Fonte: Shutterstock.com.
O filtro prensa, como apresentado na Figura 3, é constituído por placas 
ou quadros, que são separados por elementos filtrantes. A suspensão 
ingressa no sistema, como indicado na figura, pela região central, nesse 
caso, passando por cada placa, formando a torta sobre o tecido de 
filtração. A suspensão continua a passar até alcançar a última placa e 
a alimentação é interrompida quando a torta sobre o tecido atinge a 
espessura pré-determinada. O líquido clarificado retorna pela parte 
39
inferior do filtro prensa, como mostrado na Figura 3 pelas linhas de fluxo 
verde. Ao atingir a espessura de torta sobre o tecido, após a interrupção 
da alimentação da suspensão, a pressão é aliviada, o sistema de prensa 
é aberto e, com isso, as placas são dispostas para remoção das tortas. 
Por fim, há a lavagem das placas e tecido filtrante e, então, o processo é 
reiniciado.
Em operações contínuas, os filtros porosos ou granulares são mais 
utilizados, em especial em estações de tratamento de efluentes, pois 
deseja-se a clarificação da fase líquida, utilizada para reciclagem da água 
com fins de reuso e tratamento de rejeitos industriais. O mecanismo de 
filtragem, no caso desses filtros, dependerá das características físico-
químicas do material a ser filtrado, bem como a disposição das camadas 
dos filtros.
4. Centrifugação
A centrifugação é baseada nos processos de separação pela ação de 
duas forças: (1) a força centrípeta do corpo, que é necessária para 
sustentar um corpo de massa movendo-se ao longo de uma trajetória 
curva. A força que atua perpendicularmente à direção do movimento 
e direcionada radialmente ao interior de sedimentação, o que requer 
que exista a diferença de densidade entre as duas ou três fases 
presentes (sólido-líquido ou líquido-líquido ou líquido-sólido-líquido ou 
sólido-líquido-sólido) e (2) as centrífugas de filtração para a separação 
acelerada de sólido-líquido, nas quais a fase sólida é retida em um filtro 
e a fase líquida é livre para passar. O processo de centrifugação pode ser 
explicado pela Figura 4.
40
Figura 4 – Processo de centrifugação
Fonte: Shutterstock.com.
A Figura 4 descreve que a alimentação da mistura das fases é adicionada 
ao centro da centrífuga onde há um sistema rotativo. Como o sistema 
está em rotação, após a alimentação, imediatamente os sedimentos 
irão para a parede da centrífuga, ocorrendo a ação de duas forças: na 
vertical, a força gravitacional (separação da menor densidade, acima, da 
maior densidade, abaixo) e da força centrífuga na horizontal.
Como a força centrífuga é muito maior que a gravitacional, essa última 
pode ser desprezada. Em um processo de centrifugação sólido-líquido, 
os sólidos tendem a assentar-se horizontalmente e são pressionados na 
parede vertical do decantador. Para o caso de sistemas líquido-líquido, 
a fração do líquido de maior densidade estará na parede externa da 
centrífuga, enquanto o líquido menos denso mais na parte interna.
41
Podem ser utilizados dois tipos de centrífugas:as de sedimentação e de 
filtragem. Com a ação da força centrífuga, a fase sólida é mais densa que 
a fase líquida e, dessa forma, aloja-se na superfície de tigela, ocorrendo, 
assim, a sedimentação. Devido ao processo descrito em uma centrífuga 
de sedimentação, a separação pode ser na forma de clarificação, pois 
os sólidos são separados da fase líquida e a clareza da fase líquida é a 
principal aspecto a ser notado no processo A separação também pode 
ser em forma de classificação e desagregação, pois nessa última etapa 
há a separação por tamanho de partícula e densidade, na qual os sólidos 
mais finos (como o caulim), de menor tamanho ou densidade na pasta 
de alimentação são separados no concentrado fluxo como produto e os 
sólidos maiores ou mais densos são considerados rejeito. Dessa forma, 
a separação se dá por espessamento, onde os sólidos se depositam 
pela ação da força centrífuga para formar uma corrente com sólidos 
concentrados na desidratação a fim de produzir uma torta seca com alta 
consistência de sólidos por centrifugação.
Para o caso da centrifugação por filtragem, a separação de sólidos de 
líquidos não requer uma diferença de densidade entre as duas fases: 
caso exista, a sedimentação ocorre de forma rápida e a movimentação 
tanto de ambas as fases se dá pela ação da força centrífuga, porém, os 
sólidos são retidos pelo meio filtrante, enquanto o líquido flui por meio 
dos sólidos da torta e do filtro.
Outro processo de separação por centrifugação é a separação por 
ciclones, utilizada para separações de gás-sólido e amplamente 
empregada em secagem de sistemas particulados ou para remoção de 
partículas em controle ambiental de emissões atmosféricas. Os ciclones 
se baseiam no princípio da força centrífuga para separar as partículas 
sólidas de um fluxo de gás. As partículas são direcionadas para as 
paredes do ciclone devido à ação da força centrífuga, enquanto o gás 
mais limpo é direcionado para o centro e expelido pelo topo. A filtração, 
por outro lado, é um processo no qual partículas são retidas em um 
meio poroso, como um filtro, enquanto o fluido passa através dele.
42
5. Evaporação
A evaporação é uma operação unitária que tem como objetivo 
concentrar uma solução, composta por solutos e um solvente, que 
pode ser água ou outro solvente. Esse processo envolve a vaporização 
do solvente, resultando na sua remoção e na obtenção de uma solução 
mais concentrada no recipiente. Na maioria dos casos, o processo de 
evaporação é utilizado para remover água de uma solução aquosa. 
Consiste em aquecer uma mistura de duas soluções miscíveis, e o 
componente com menor temperatura de ebulição se transforma em 
vapor, enquanto a solução mais concentrada permanece no recipiente.
Em casos gerais, o processo de evaporação ocorre em simples ou 
múltiplos efeitos, e para a primeira situação, a operação ocorre 
na mesma pressão, enquanto a segunda ocorre com múltiplos 
evaporadores operando em pressões menores.
Ao analisar as aplicações do processo de evaporação, torna-se evidente 
a sua importância em diversos contextos. Um exemplo é a produção 
de açúcar de cana, em que a evaporação é utilizada para concentrar 
a sacarose, permitindo assim a formação de cristais de açúcar. Outra 
aplicação fundamental da evaporação ocorre na produção de celulose, 
em que o processo de geração do licor negro, ou lixívia, depende da 
evaporação.
Convém apontar também que, dentro da indústria alimentícia, a 
evaporação quase sempre é aplicada sob vácuo, de modo que se possa 
operar com menores temperaturas e evitar ou diminuir a degradação 
de componentes/nutrientes ou proporcionar características sensoriais 
desejadas.
É importante salientar que existem condições que podem favorecer 
a evaporação. Assim, os principais fatores envolvidos no processo de 
evaporação são:
43
a. Concentração no líquido: é comum que o líquido esteja diluído 
em solução, com baixa viscosidade, próximo ao que é a água, 
e, durante o processo de evaporação, a solução torna-se mais 
concentrada e bastante viscosa. Isso pode ser solucionado 
com circulação e/ou turbulência no sistema para manter as 
propriedades de transferência de calor adequadas à evaporação.
b. Solubilidade: quando as soluções são aquecidas, as 
concentrações dos solutos aumentam e, com isso, o limite de 
solubilidade na solução pode exceder e há a formação de cristais, 
limitando a concentração em solução que pode ser obtida pela 
evaporação.
c. Espuma: no caso de soluções cáusticas, como leite desnatado 
e algumas soluções de ácidos graxos, durante o processo de 
aquecimento, pode ocorrer a formação de espuma. Essa espuma 
pode ser arrastada juntamente com o evaporador, resultando em 
perdas.
d. Pressão e temperatura: o ponto de ebulição de uma solução 
é definido de acordo com a pressão do sistema. Elevadas 
pressões de operação no evaporador, ocasionam o aumento na 
temperatura de ebulição. Assim, como o uso do vácuo (redução 
na pressão de operação) permite que o processo seja operado 
em temperaturas menores, favorecendo que outros parâmetros 
sejam atingidos ou mantidos.
e. Deposição de materiais: durante o processo de evaporação, 
pode ocorrer a incrustação sobre as superfícies do evaporador. 
Nesse caso, alguns materiais podem se depositar nas superfícies 
quentes do sistema de evaporação, sendo tais materiais formados 
pela decomposição de produtos ou pela queda de solubilidade, 
afetando a transferência de calor. Nesse ponto, é importante 
a limpeza do evaporador, bem como a seleção de materiais no 
projeto para que seja evitada a corrosão.
44
6. Destilação
Em sistemas com fases gás-líquido coexistentes, o equilíbrio de sistemas 
vapor líquido é restrito pela regra das fases.
 F = C – P + 2 Equação 1
Em que P é o número de fases, C o número de componentes e F o 
número de variantes ou, como também é conhecido, graus de liberdade.
Um exemplo é o sistema amônia-água, em um sistema líquido-vapor. 
Para dois componentes e duas fases, tem-se que F = 2, ou dois graus de 
liberdade. As quatro variáveis são temperatura, pressão e a composição 
da amônia na fase vapor (yA) e a composição da amônia na fase líquida 
(xA). A água, por ser bicomponente, também terá a composição na fase 
vapor (yB) e na fase líquida (xB), portanto,
 yA + yB = 1 Equação 2
 xA + xB =1 Equação 3
Com essa introdução, podemos definir que o processo de destilação é 
um método para separar vários componentes de uma solução líquida 
que depende da distribuição desses componentes entre uma fase 
de vapor e uma fase líquida, em que todos os componentes estão 
presentes em ambas as fases. A fase de vapor é criada a partir da fase 
líquida por vaporização no ponto de ebulição. Além disso, o requisito 
básico para a separação de componentes por destilação é que a 
composição do vapor seja diferente da composição do líquido com o 
qual está em equilíbrio no ponto de ebulição do líquido.
O foco do processo de destilação é com soluções onde todos os 
componentes são apreciavelmente voláteis, como soluções de amônia-
água ou etanol-água, onde ambos os componentes estarão na fase de 
45
vapor. Em contraste, na evaporação de uma solução de sal e água, por 
exemplo, a água é vaporizada, mas o sal não. O processo de absorção 
difere da destilação em que um dos componentes em absorção é 
essencialmente insolúvel na fase líquida. Um exemplo é a absorção 
de amônia de ar pela água, onde o ar é insolúvel na solução de água-
amônia. Pela Figura 2, a alimentação de uma coluna de destilação pode 
ocorrer em 5 estados diferentes: líquido subresfriado, líquido saturado, 
líquido + vapor, vapor saturado e vapor superaquecido.
Figura 5 – Processo de destilação para uma mistura líquido-líquido
Fonte: Shutterstock.com.
Os processos de separação em si podem ser classificados em simples, 
ou estágio único, podendo ser apropriado se (1) a volatilidaderelativa 
entre os dois componentes a serem separados é muito grande e (2) 
a recuperação de apenas um componente em um dos dois fluxos de 
produto ser alcançado, sem levar em conta a separação dos demais 
componentes; ou (3) apenas uma separação parcial deve ser feita 
como ocorre separação de gases leves, como hidrogênio e metano e 
aromáticos.
46
Porém, quando a diferença de volatilidade entre os dois componentes a 
serem separados é pequena, é necessário utilizar um maior número de 
estágios. Nesse caso, a destilação extrativa se torna uma opção viável, na 
qual um agente de separação de massa (MAS) é utilizado para aumentar 
a volatilidade dos componentes, aprimorando o processo de separação.
7. Extração
Para separar um ou mais componentes de uma mistura, a referida 
mistura é colocada em contato com outra fase. O par bifásico pode ser 
gás-líquido, vapor-líquido, líquido-líquido; ou fluido-sólido. Alternativas 
na qual se conhece a extração são extração líquida ou extração de 
solvente.
Comparado à destilação, um processo em que um líquido é 
parcialmente vaporizado para gerar uma outra fase, a separação dos 
componentes depende das diferenças de pressão de vapor entre as 
substâncias envolvidas. Além disso, as fases de vapor e líquido são 
quimicamente similares.
Para a extração líquido-líquido, as duas fases são quimicamente 
bastante diferentes, o que leva a uma separação dos componentes de 
acordo com as propriedades físicas e químicas dessas substâncias. Para 
a extração do solvente, em alguns casos, ela pode ser usada como uma 
alternativa para a destilação ou evaporação, citando, como exemplo, 
o ácido acético, que pode ser removido da água por destilação ou por 
extração com solvente usando um solvente orgânico. Tal solução de 
solvente orgânico-ácido acético resultante é destilado, sendo que a 
escolha do processo de destilação ou extração por solvente depende 
dos custos de cada uma das operações.
Mudando de exemplo, para os ácidos graxos de alto peso molecular, 
a separação dos óleos vegetais por extração com propano líquido ou 
47
por destilação a alto vácuo, podem ser realizadas; no entanto, o último 
processo é mais caro.
Na indústria farmacêutica, a penicilina ocorre durante processos de 
fermentação. Devido à complexidade faz-se necessária a extração 
líquida para separação. Outro exemplo, são as separações dos metais, 
os quais utilizam-se extrações em soluções aquosas sendo que muitas 
separações são realizadas comercialmente por soluções aquosas, tais 
como cobre-ferro, urânio-vanádio e tântalo-nióbio.
Assim, foram apresentados os processos de separação e suas principais 
características, além das aplicações, especificidades e utilização. É 
fundamental conhecer de forma detalhada cada um desses processos, 
de maneira que sejam analisados nos processos industriais existentes, 
além de compreender melhorias que possam ser aplicadas, visando 
melhoria dos processos em termos de qualidade, retornos financeiros e 
inovação.
Referências
CREMASCO, M. A. Operações unitárias em sistemas particulados e fluido 
mecânicos. São Paulo: Blücher, 2012.
FOUST, A. S. et al. LB Princípios das operações unitárias. 2. ed. LTC, 2012.
GEANKOPLIS, C. J.; HERSEL, A. A.; LEPEK, D. H. Introduction to engineering 
principles and units. Transport Processes and Separation Process Principles. 5. 
ed. Hoboken, NJ: Prentice Hall, 2018.
GREEN, D. W.; SOUTHARD, M. Z. Perry’s chemical engineers’ handbook. McGraw-
Hill Education, 2019.
MCCABE, W. L.; SMITH, J. C.; HARRIOTT, P. Unit operations of chemical 
engineering. New York: McGraw-hill, 1993.
MEIRELLES, A. J. de A. et al. Operações unitárias na indústria de alimentos, 2016.
48
Trocadores de calor 
Autoria: Eduardo Gouveia Martins Romão
Leitura crítica: Francine Fábrega
Objetivos
• Apresentar os tipos de trocadores e geradores de 
calor.
• Descrever os sistemas de transferência de calor no 
modo paralelo e contracorrente.
• Utilizar média logarítmica das temperaturas e do 
número de unidades de transferência (NUT).
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1.Introdução
A troca de calor é um fenômeno físico que pode ocorrer de forma direta 
ou indireta. Logo não necessariamente é feita por meio de tubulações, 
pois pode ocorrer diretamente como em torres de resfriamento. Sobre o 
contato indireto vale lembrar que nem todos os trocadores de calor são 
tubulares, temos as placas e alguns tipos de aletados. A troca de calor 
somente é caracterizada como um processo quando for um sistema de 
resfriamento, caso contrário, é uma etapa de processo, ou seja, uma 
operação unitária.
2. Trocadores de calor
Em essência, um trocador de calor pode ser de passagem única e sua 
distinção está no sentido do fluxo utilizado: o modo paralelo, no qual 
o fluido a ser aquecido e a fonte de aquecimento seguem o mesmo 
sentido, ou o modo contracorrente, no qual o fluido a ser aquecido 
e a fonte de aquecimento seguem sentidos opostos. Um sistema de 
passagem única, por projeto, consiste em uma tubulação de casos 
e tubos. Por outro lado, há a configuração de escoamento cruzado, 
no qual, de forma perpendicular, os dois fluidos cruzam. A Figura 1 
representa os esquemas de trocadores de calor.
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Figura 1 – Tipos de trocadores de calor: (a) fluxo paralelo (conhecido 
como corrente ou concorrente); (b) fluxo contracorrente; (c) fluxo 
cruzado e (d) combinação fluxo cruzado com fluxo concorrente
Fontes: Shutterstock.com.
Em todo o sistema em que há troca de calor, é importante dizer que se 
deseja que a transferência de calor entre os fluidos deve ser máxima, 
ou seja, que haja aproveitamento total da troca térmica. Nos trocadores 
apresentados na Figura 1, ambos os fluidos apenas possuem contato 
com a superfície de transferência de calor, sem que haja mistura entre 
eles. No entanto, como dito, para melhorar a eficiência da troca térmica, 
o projeto de um trocador de calor pode ser alterado para um trocador 
de múltiplas passagens, também conhecido como trocador de calor tubo 
casco, onde um dos fluidos que está ao lado do casco, irá passar apenas 
uma vez, enquanto o fluido do lado do tubo passará duas vezes. A Figura 
2 apresenta o esquema o trocador de calor tubo casco.
51
Figura 2 – Trocador de calor do tipo casco e tubo
Fonte: Shutterstock.com.
É importante dizer que o fluido que passa pelo casco possui uma 
melhora na mistura devido à presença de chicanas, pois sem a presença 
desses elementos no casco, o fluido ficará em estagnação, ou seja, não 
circulará dentro do sistema, afetando o desempenho do processo de 
troca térmica. Em geral, duas passagens do trocador de calor pelo lado 
do casco são as mais utilizadas, podendo haver ainda modelos com uma 
passagem no casco e uma nos tubos (mais incomum) e outros arranjos 
como 1 a 2 ou mais passagens nos tubos.
Das aplicações existentes, suspensões sólido-líquido, soluções aquosas 
ou orgânicas e numerosos produtos alimentícios, como margarina e 
suco de laranja concentrado, são frequentemente resfriados e aquecidos 
em trocadores de calor que contêm vapor ou líquido de resfriamento e 
um sistema rotativo que é ajustado por meio de palhetas. No entanto, 
podem existir outros sistemas, tais como uma ou mais passagem pelos 
tubos.
Pelo fato da análise de eficiência de trocadores de calor ser um assunto 
bastante complexo, vamos enfatizar os trocadores de calor de estágio 
simples, com sistema de fluxo paralelo e contracorrente.
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3. Resistência térmica
Quando realizamos a análise de trocadores de fluxo paralelo ou 
contracorrente, o fluxo de calor que percorre pelas paredes de ambos os 
trocadores pode apresentar fatores que podem impactar na eficiência 
do projeto de tais trocadores. Por ter contato com fluidos, há o efeito 
da transferência de calor por convecção e, devido ao fluxo de calor que 
sai do fluido quente para o fluido frio, que em contato com a parede da 
tubulação, deve ser considerado o efeito de condução.
Devido às características do fluido e do material da parede do tubo, as 
característicasenvolvidas, tais como condutividade térmica do material 
da tubulação e suas dimensões, propriedades térmicas do fluido, 
como exemplos, afetam na transferência de calor, diretamente na 
transferência de calor por meio da resistência térmica.
Outros fatores que podem afetar também a transferência de calor por 
meio da resistência térmica são a formação de incrustações, superfícies 
aletadas, que possuem a função de melhorar a transferência de calor, 
são pontos de análise e discussão a ser realizada.
Para trocadores de calor de duplo tubo, em que a transferência de 
calor ocorre entre dois fluidos (quente e frio) e a parede da tubulação, 
envolvendo convecção e condução respectivamente. Dessa forma, a 
Equação 1 descreve a resistência térmica total da parede de um tubo, 
envolvida entre dois fluidos, sendo um quente e outro frio.
 Equação 1
Percebe-se que resistência térmica do tubo é dependente das 
dimensões do tubo, diâmetros internos — Di , consequentemente, 
— a área interna Ai , e externo (D0 , a qual tem-se a área externa, A0 ; 
e comprimento (L)), além de sua condutividade térmica, k. Devido ao 
contato com a superfície, tanto interna quanto externa ao tubo, a 
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transferência de calor dá-se pelo contato do fluido com tais superfícies. 
Dessa forma, a Figura 3 descreve o processo de transferência de calor 
entre dois fluidos pela parede da tubulação.
Figura 3 – Representação do sistema de transferência de 
calor pela parede de um tubo
Fonte: ÇENGEL; GHAJAR, 2012, p. 633
Pela Figura 3, percebe-se que a resistência térmica total, R, nesse caso é 
dada como descrito na Equação 2.
 Equação 2
As contribuições dos fluidos e da parede do tubo representam a 
resistência térmica total do sistema (R), porém, convém apontar que a 
resistência térmica é dependente do fluxo de calor (Q) e da variação da 
temperatura (ΔT) existente entre os fluidos quente e frio, como mostrado 
na Equação 3.
54
 Equação 3
A grandeza U apresentada na Equação 3 é o coeficiente global de 
transferência de calor, e As é a área da superfície de contato. O 
coeficiente global possui similaridade com o coeficiente de transferência 
de calor por convecção. Rearranjando a Equação 3, após cancelar ΔT, 
e relacionando o coeficiente global de transferência de calor com a 
resistência térmica total, tem-se a Equação 4.
 
1 1 1
parede
s i i o o
R
U A h A h A
= + +
⋅ ⋅ ⋅ Equação 4
No caso de áreas aletadas, nas quais a transferência de calor é 
aumentada, tem-se As como apresentado pela Equação 5.
 aletadas aleta nãoA A A= + Equação 5
Um aspecto que pode afetar tanto a superfície interna quanto a externa 
de um trocador de calor é o acúmulo de material nessas superfícies, 
conhecidas como incrustação, que é a formação e deposição de resíduos 
das reações químicas ou produtos de produção, por exemplo. Dessa 
forma, caso haja acúmulo tanto na parte interior (Rf,i) quanto exterior 
(Rf,o), tem-se o detalhamento mostrado na Equação 6.
 
, ,1 1 1f i f o
parede
s i i i o o o
R R
R
U A h A A A h A
= + + + +
⋅ ⋅ ⋅ Equação 6
3.1 Análise de trocadores de calor
Uma das atribuições do Engenheiro é a seleção do melhor trocador de 
calor, o qual deve atender as condições de escoamento e temperatura 
em uma condição de vazão mássica e determinar a área de troca 
térmica. Tais requisitos, podem ser atendidos de acordo com o método 
de análises: o da média logarítmica das temperaturas (LMTD) a qual 
é utilizada quando há mudança de uma temperatura específica no 
55
escoamento de uma vazão mássica conhecida e o da efetividade, que 
contempla as temperaturas de saída dos fluidos quente e frio em um 
trocador de calor.
Para o método do logarítmico das diferenças, considerando a taxa 
global de transferência de calor, descrita na Equação 7, ΔTm , é a variação 
média da temperatura, que poderá ser determinada conforme o tipo 
de trocador de calor e o fluxo de fluido (corrente ou contracorrente), 
no qual contempla-se o fluxo de calor q, o coeficiente global de 
transferência de calor, U, a área da superfície A
 mq U A T= ⋅ ⋅∆ Equação 7
No entanto, cada trocador de calor deve ser analisado quanto ao sentido 
da troca de calor envolvida, o que pode ser visto na Figura 4.
Figura 4 – Representação do sistema de entrada e saída de fluido 
quente (q) e fluido frio (f) de acordo com o escoamento do fluido 
paralelo e contracorrente
Fonte: Welty (2017, p. 448).
Dessa forma, o cálculo de ΔTm, pode ser determinado pela Equação 
8 para escoamento paralelo e pela Equação 11 para escoamento 
contracorrente.
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 Equação 8
Sendo que as diferenças de temperatura ΔT1 e ΔT2 são determinadas 
para as seguintes condições mostradas nas Equações 9 e 10.
 Equação 9
 Equação 10
De forma análoga, a Equação 11, como citado anteriormente, aplica-se 
ao método contracorrente, como mostrado nas Equações de 11 a 13.
 Equação 11
 Equação 12
 Equação 13
Por sua vez, o método da efetividade, evidencia a capacidade térmica 
tanto para o fluido frio (Cf) quanto para o fluido quente (Cq), o qual 
para o fluxo de calor gerado deve ser levado em consideração a maior 
diferença de temperatura e o menor valor de capacidade térmica dos 
dois fluidos envolvidos no trocador de calor. Ressalta-se que a maior 
diferença de calor é conhecida: é a diferença da temperatura de entrada 
do fluido quente (Tq entrada) e a entrada do fluido frio (Tf entrada). Assim 
sendo, constitui o valor máximo de fluxo calor, como mostrado na 
Equação 14.
 Equação 14
A efetividade do sistema é dada pela Equação 15, a qual relaciona o 
fluxo máximo de calor, considerando que o fluxo de calor do fluido 
quente e do fluido frio é a mesmo.
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 max
q
q
ε ≡ Equação 15
Dessa forma, o número de unidades de transferência (NUT), utilizado 
na análise de trocadores de calor, é determinado como apresentado na 
Equação 16.
 min
U ANUT
C
⋅
= Equação 16
De acordo com o tipo de trocadores de calor, há formas diferentes de se 
determinar o valor de NUT, como demonstrado na Figura 5.
Figura 5 – Relações de efetividade de trocadores de calor
Fonte: Çengel; Ghajar (2012, p. 656).
Na Figura 5 aparece uma constante c que é conhecida como razão de 
capacidade que é igual a Cmin/Cmax. De forma gráfica, pode-se relacionar a 
efetividade com o número de unidades de transferência, como na Figura 
6.
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Figura 6 – Curvas de efetividade para os tipos de trocadores de calor
Fonte: Çengel; Ghajar (2012, p. 657).
Percebe-se que o tema abordado, relacionado aos trocadores de calor, 
deve priorizar em conhecer como é realizada a forma da transferência 
de calor, porém, a eficiência devido à forma que tal transferência 
é realizada além das condições dos fluidos e dimensionamento da 
tubulação a ser utilizada.
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Referências
ÇENGEL, Yunus A.; GHAJAR, Afshin J. Transferência de Calor e Massa. Porto Alegre: 
AMGH editora, 2012.
WELTY, James R. et al. Fundamentos de transferência de momento, calor e 
massa. Rio de Janeiro: LTC, 2015
BERGMAN, Theodore L.; LAVINE, Adrienne S. INCROPERA Fundamentos de 
Transferência de Calor e de Massa. 8ª ed. São Paulo: Grupo GEN, 2019.
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	Sumário
	Apresentação da disciplina 05 
	Apresentação da disciplina
	Definição de fluxograma na indústria
	Objetivos
	1.Introdução 
	2. Operações unitárias nos processos industriais químicos
	3. Fluxograma 
	Referências 
	Balanços de massa e energia aplicados em operações unitárias
	Objetivos
	1.Introdução: definição de processos 
	2. Balanço de massa aplicado em operações unitárias
	3. Balanço de energia aplicado em operações unitárias
	Referências 
	Conceituação do processo de separação em misturas
	Objetivos
	1.Introdução
	2. Decantação
	3. Filtração
	4. Centrifugação 
	5. Evaporação 
	6. Destilação 
	7. Extração 
	Referências 
	Trocadores de calor 
	Objetivos
	1.Introdução 
	2. Trocadores de calor 
	3. Resistência térmica 
	Referências