TA631 - Resumo

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PARTÍCULAS SÓLIDAS: CARACTERIZAÇÃO
Propriedades dos sólidos particulados
Propriedades intrínsecas das partículas: forma, tamanho, deformabilidade e densidade
Propriedades do conjunto de partículas: densidade aparente (“bulk”), área específica, permeabilidade, porosidade, distribuição de tamanho
Densidades das partículas:
Densidade real: 
Densidade aparente: o volume inclui os poros
Densidade de “Bulk”: densidade de um conjunto de partículas. É importante em várias operações unitárias como fluidização e filtração.
Tamanho de partícula:
Diâmetro da esfera equivalente: baseada em propriedades da esfera como área, volume, diâmetro na peneiragem, etc.
Diâmetro do círculo equivalente: baseado em propriedades do círculo como diâmetro da área projetada
Diâmetros estatísticos: baseados em alguma medida linear da partícula (medida direta)
Diâmetro de Feret: distância entre as tangentes das partes extremas
Diâmetro de Martin: linha que secciona a partícula em duas áreas iguais
Máxima e mínima distância linear
Peneiragem:
Separação mecânica baseada somente no tamanho das partículas
O mesh mede quantos fios unidade de área apresenta a malha. Quando maior o número, menor é a abertura da malha.
Pesar as massas retidas em cada peneira
Determinar a fração mássica retida em cada peneira (xi=mi/M)
Cada peneira corresponde a um diâmetro médio
Diâmetro médio:
Diâmetro da média aritmética: uso muito limitado
Diâmetro médio baseado no volume: utilizado em situações que o volume é importante (ex: transporte pneumático ou hidráulico)
Diâmetro de Sauter: usado quando a área superficial oé parte fundamental do processo (ex: secagem, adsorção, filtração, etc)
Esfericidade:
Mede o afastameto da forma esférica
φ = 1 partícula esférica
0 ≤ φ < 1 qualquer outra forma
Mistura de partículas:
Número total de partículas: 
Área total das partículas: 
MOVIMENTO DE PARTÍCULAS EM FLUÍDOS
Forças que agem sobre uma partícula em movimento em relação ao fluido:
Fe = força externa (gravitatória: peso, centrífuga, campo elétrico, etc): 
Fa = força de arraste (atrito): 
Ff = força de flutuação: 
Fluidização:
A fluidização ocorre quando um fluxo de fluido ascendente através de um leito de partículas adquire velocidade suficiente para suportar as partículas, sem arrastá-las junto com o fluido. 
O leito assume então o aspecto de um líquido em ebulição e devido a isso surgiu o termo fluidizado. 
O fluido responsável pela fluidização pode ser um gás ou um líquido. A escolha irá conferir diferentes propriedades ao sistema fluidizado.
Leito fixo: Utilizando-se baixas vazões, que é o caso mais simples, o fluido passa pelo material simplesmente percolando pelos vazios entre as partículas estacionárias
Leito fluidizado: Com o aumento contínuo na vazão atinge-se um ponto na qual a força de fricção entre as partículas e o fluido equilibra o peso efetivo do leito, com os sólidos ficando suspensos no gás ou líquido ascendente.
Velocidade mínima de fluidização (Vmf): é a mínima velocidade requerida para suportar o leito. O leito que se encontra com esta velocidade, pode ser descrito como sendo um leito com fluidização incipiente
Comparado com outros métodos de contato fluido-sólido, o leito fluidizado apresenta altas taxas de transferência de calor e massa, característica que é útil nos processos de secagem.
Uso limitado a partículas relativamente pequenas e uniformes. No caso de partículas maiores, a técnica mais recomendada para promover um contato fluido-sólido é um leito de jorro.
Usos: secagem, mistura, revestimento de partículas, aglomeração de pós, aquecimento e resfriamento de sólidos, congelamento
Vantagens:
Elevados coeficientes de trasnferência de calor e massa
Boa mistura dos sólidos
Área superficial das partículas sólidas completamente disponíveis para a transferência
Tipos de Fluidização
Fluidização Particulada
O leito estabelecido é homogêneo, com uma distribuição espacial uniforme das partículas sólidas. Com o crescimento da velocidade do líquido a distância interparticular continua crescendo desde a situação do leito fixo até que ocorra o transporte hidráulico
Fluidização Particulada
Aparece em sistemas que envolvem gás-sólido. Quando a velocidade do gás cresce, uma fração do gás passa através do leito na forma de bolhas. Como resultado, a distribuição de partículas no interior do leito não é muito homogênea e existe uma porosidade importante no volume.
A velocidade na qual se forma a primeira bolha é conhecida como velocidade mínima de borbulhamento ( Vmb ). O conhecimento da velocidade mínima de fluidização e de mínimo borbulhamento pode ajudar a categorizar os diferentes tipos de partículas presentes em sistemas gás-sólido, que representam as características de fluidização
Classificação:
GRUPO A
Neste caso o leito expande-se consideravelmente quando a velocidade está acima da velocidade mínima de fluidização e antes de se iniciar a formação de bolhas. O leito colapsará rapidamente antes de se expandir novamente com o acréscimo da vazão do gás.
Entre a velocidade mínima de fluidização e a velocidade mínima de borbulhamento, o leito apresenta-se com fluidização particulada, a velocidade mínima de borbulhamento marca o limite entre a fluidização particulada e a fluidização agregada.
Encontram-se neste grupo sólidos com pequenos tamanhos médios e / ou com baixas densidades de partículas (menos que 1,4 103 kg / m3 ).
GRUPO B
Neste grupo as bolhas iniciam-se imediatamente após atingir a velocidade mínima de fluidização. A expansão do leito é muito pequena. 
A densidade da partícula fica na faixa de 1,4 103 até 4,0 103 kg / m3 e o tamanho médio dos sólidos na faixa de 40 até 500 μm. 
A areia é um exemplo típico do grupo B.
GRUPO C
Partículas com forças coesivas encaixam-se neste grupo. 
A obtenção de fluidização com estas partículas é bastante difícil. Em leitos com diâmetros pequenos o leito pode levantar-se como um pistão. A formação do pistão ocorre porque as forças interparticulares são maiores que a força que o fluido exerce sobre a partícula. 
São exemplos deste grupo, partículas que são muito pequenas ou que se encontram muito úmidas ou pegajosas. 
Para que ocorra fluidização neste sistema pode-se utilizar agitadores mecânicos ou induzir vibrações no interior do leito.
GRUPO D
Este grupo contém um grande número de partículas densas, como grãos e sementes.
As bolhas sobem mais vagarosamente que o gás intersticial no leito. A vazão de ar ao redor da partícula é turbulenta. Isto pode causar atrito entre as partículas e produzir finos, que rapidamente são arrastados para fora do leito. 
Este grupo pode ser utilizado em leitos de jorro, secadores amplamente utilizados na secagem de produtos agrícolas.
Projeto de leito fluidizado:
Determinação do intervalo de velocidades em um leito fluidizado
Calcular a velocidade minima de fluidização (Vmf), utilizando o dp médio, através da equação:
Com Vmf , encontrar o Reynolds, utilizando o dp médio
Calcular a velocidade terminal (Vt), utilizando o dp mínimo, através das fórmulas:
Rep ≤ 0,4:
Rep ≥ 500:
Com Vf, encontrar Reynolds, utilizando o dp mínimo
Verificar se o valor de Reynolds condiz com o as condições impostas nas equações utilizadas
O intervalo de velocidades é: Vmf < v < Vt
EQUIPAMENTOS PARA IMPULSIONAR GÁS
Princípios de operação:
De ação cinética:
Elemento móvel rotor ou impulsor (provido de pás)
Elemento fixo carcaça
Impulsor girando a alta velocidade no seio de um fluido
Zona de vácuo (centro)
Zona de alta pressão (periferia)
De deslocamento positivo:
Energia fornecida mediante superfícies sólidas móveis
Dispositivo mecânico em cada ciclo espaço vazio obriga as moléculas a escoar e ocupá-lo
Ao final do ciclo redução do espaço aumento da [] de moléculas fluido comprimido
Pelo momento transferido por outro fluido
Necessário uma câmara de forma especial sem partes móveis
Fluido que escoe rapidamente conversão dentro do difusor de energia cinética em energia de pressão
Arraste do gás pelo fluido motriz
Ventiladores:
VentiladoresAxiais:
O ar que passa através do ventilador não muda de direção e escoa paralelamente ao eixo da máquina
Normalmente usados quando os requisitos de vazão são altos e a demanda dee pressão é baixa
As pás em geral têm sua selçai transversal na forma de aerofólio
Mudar ângulo da pá, ou passo, é uma das principais vantagens de um ventilador axial. Pequenos ângulos de pá produzem vazões menores enquanto o aumento do passa aumenta a vazão.
Ventiladores Radiais:
Ventiladores centrífugos
O fluido muda de direção entra axialmente e é projetado radialmente contra uma carcaça que possui um orifício de saída tangencial
Fornece menor vazão, porém com maior pressão.
É o tipo de ventilador mais utilizado para introduzir ar em silos, máquinas de secagem, chaminés de fornos, sistema de eliminação de pós, etc
As pás do elemento impulsor podem ter inclinação para frente, planas ou inclinadas para trás curva de desempenhos diferentes
Ventiladores de lâminas planas:
Rotores de diâmetro grande
Poucas lâminas radiais (5 a 12)
Operam em velocidades relativamente baixas
Usados em trabalhos de exasutão, quando os refugos são carregados na corrente de ar
Ventiladores de lâminas curvadas para frente
Possuem muitas lâminas (75 ou +)
Rotores de diâmetro pequeno
Operam em velocidades maiores que o de lâminas planas
Servem somente para gases limpos
Ventiladores de lâminas curvadas para trás
Possuem maior eficiência mecânina e são mais versáteis
Possuem número intermediáro de lâminas (10 a 50)
As pás podem ter forma de aerofóbio ou não
Sopradores:
Parecidos com ventiladores
Foram projetados para produzir um fluxo de gás com maior pressão
Tem forma mais aerodinâmica, construção mais sólida e mais estabilidade no eixo, que gira a alta velocidade
São fabricados em vários desenhos:
Soprador de passo simples
Soprador de dois passos
Soprador de multipasso ou soprador centrífugo multiestágio
Soprador de turbina
Compressores:
São equivalentes às bombas de deslocamento positivo
Velocidade de rotação é razoavelmente baixa
Compressores dinâmicos:
Centrífugos: são adequados a gases venenosos, inflamáveis, em que se precisa comprimir uma grande quantidade de gás a uma alta pressão
Axiais: são adequados a gases mais perigosos, em grande vazões e de cuja pressão de descarga não é tão alta (até 30 bar)
Critérios na escolha de equipamentos de impulsão de gases:
Os fatores principais são: vazão de gás, pressão de entrada e saída, propriedades do gás, consumo de potência, custo do equipamento, disponibilidade de assistência técnica, limpeza do gás, nível de ruído
PROCESSOS DE SEPARAÇÃO FÍSICO-MECÂNICOS
SEDIMENTAÇÃO / DECANTAÇÃO: as partículas são separados do fluido pela ação das forças gravitacionais em um ambiente sem agitação
CENTRIFUGAÇÃO: as partículas são separadas do fluido pela ação das forças centrífugas
FILTRAÇÃO CENTRÍFUGA: o filtro bloqueia a passagem das partículas sólidas e se utiliza a força centrífuga para impulsionar a mistura
FILTRAÇÃO: o filtro (meio poroso) bloqueia a passagem das partículas sólidas e permite o fluxo de fluido, separando as partículas da mistura original
MOAGEM E PENEIRAGEM: redução mecânica de tamanho e peneiragem
1. DECANTAÇÃO
Para separação ou classificação de partículas ou para clarificar fluidos
Aplicações de Decantação:
Retirada de sólidos de resíduos líquidos
Separação de cristais de um licor-mãe
Separação da mistura líquido-líquido obtida da extração com solvente
Decantação de partículas sólidas de alimento de um alimento líquido
Decantação de lodos obtidos em diversos processos (tratamento de águas residuais)
As partículas podem ser partículas sólidas ou gotas de líquido, e o fluido pode ser um líquido ou um gás e pode estar em repouso ou em movimento lento
Decantação Livre quando a distância das paredes do recipiente e de outras partículas for suficiente para a queda da partícula não seja afetada por eles.
Decantação Impedida quando existe interferência entre as partículas, a taxa de sedimentação é mais baixa
Sedimentação a operação de separação de um lodo diluído ou de uma suspensão pela ação da gravidade, gerando um fluido claro e um lodo de alto teor de sólidos.
Movimento Browniano esse movimento ocorre se as partículas forem bastante pequenas. É um movimento aleatório que gera coalisões entre as moléculas do fluido que rodeia as partículas e entre elas mesmo. Este movimento em direções aleatórias tende a reduzir o efeito da gravidade. Nesse caso a sedimentação ocorre mais lentamento ou pode, na prática, não ocorrer (caso das emulsões).
Decantação diferencial por densidade:
Na decantação diferencial utiliza-se um líquido de densidade intermediária entre o material de alta densidade e o material de baixa densidade. Neste líquido, as partículas pesadas decantarão, enquanto as partículas leves flutuarão.
O método é independente dos tamanhos das partículas, depende só das densidades relativas dos dois materiais
Separação por tamanho e densidade através da decantação de um mesmo material ou de sólidos diferentes:
É a separação de partículas em várias frações de tamanho com base na velocidade de decantação de cada fração de partículas em um determinados meio
A densidade do meio deve ser menor do que a de qualquer uma das duas frações ou substâncias a serem separadas.
Todos os materiais decantam no meio
Um desvantagem desse método é que se os materiais leves e pesados tiverem uma grande variação de tamanho de partícula, as menores partículas mais densas podem sedimentar na mesma velocidade terminal que as maiores particulas de menor densaidade
Classificação por tamanho através da decantação de um mesmo material sólido:
É a separação de partículas em várias frações de tamanho com base na velocidade de decantação de cada tamanho e um determinado meio.
A densidade do meio deve ser menor do que a das partículas
2. CENTRIFUGAÇÃO
Na sedimentação, as partículas são separadas de um fluido por ação de forças gravitacionais. A separação gravitacional pode ser muito lenta devido àproximidade entre as densidades das partículas e do fluido, ou por causa de forças associativas que mantém componentes ligados, como em emulsões.
O uso de dentrífugas aumenta muitas vezes a força que atua sobre o centro de gravidade das partículas, facilitando a separação e diminuindo o tempo de residência.
A centrifugação é um processo mecânico que tem por função a separação ou clarificação de uma mistura, onde seus componentes possuam densidades diferentes.
Faz uso de princípio de que um volume girando a alta velocidade sobre um eixo, a uma certa distância radial, sofre a ação da força centrífuga que age radialmente.
As separações líquido-líquido nas quais os líquidos são imiscíveis mas finamento dispersos como uma emulsão são comuns na indústria de alimento. Exemplo: emulsão de leite separada em leite desnatado e creme (nata)
3. FILTRAÇÃO CENTRÍFUGA
A filtração centrífuga é mas complicada do que a filtragem simples, que usa diferença de pressão, porque a área de escoamento e a força motriz aumenta com a distância do eixo e a resistência específica da torta pode modificar-se acentuadamente
Centrífugas para filtração são geralmente selecionadas a partir de protótipos de laboratório por semelhança e utilizando as misturas a serem filtrados nos testes
4. FILTRAÇÃO
Na filtração, as partículas sólidas suspensas em um fluido são retiradas usando um meio poroso que separa as particulas em uma fase sólida (“torta”) e permite o escoamento de um fluido claro (“filtrado”)
O fluido pode ser um gás ou um líquido
O produto pode ser tanto o fluido clarificado quanto a torta de partículas sólidas
Os filtros podem funcionar:
Por ação da gravidade, o líquido flui devido a existência de uma coluna hidrostátiva
Por meio da aplicação de pressão ou vácuo para aumentar a taxa de fluxo
Tipos de Filtros:
Filtros de leito fixo: é o tipo de filtro mais simples. É útil na clarificação de água quando há quantidades pequenas de sólidos a ser separados de grandes volumes de líquido. Muitas vezes a camada de fundo é composta de cascalho grosso quedescansa em uma placa perfurada ou com ranhuras. Acima do cascalho é colocada areia fina que atua realmente como filtro.
Filtro prensa e armação: um dos tipos mais importantes é o filtro prensa de placas e armação. Estes filtros compõem-se de placas e armações reunidos alternadamente. Utiliza-se tecido para cobrir ambos lados das placas. 
Filtro de “folhas”: Foi projetado para grandes volumes de líquido e para ter uma lavagem eficiente. Cada folha é uma armação de metal oca coberta por um filtro de tecido. Elas são suspensas em um tanque fechado. A alimentação é introduzida no tanque e passa pelo tecido a baixa pressão, a torta se deposita no exterior da folha. O filtrado flui para dentro da armação oca. O líquido de lavagem segue o mesmo caminho que a alimentação. A torta é retirada por uma abertura do casco. 
Filtro de tambor à vácuo rotativo: Filtra, lava e descarrega a torta de forma contínua. O tambor é recoberto com um meio de filtração conveniente. Uma válvula automática no centro do tambor ativa o ciclo de filtração, secagem, lavagem e descarga da torta. O filtrado sai pelo eixo de rotação. Existem passagens separadas para o filtrado e para o líquido de lavagem. Há uma conexão com ar comprimido que se utiliza para ajudar a raspadeira de facas na retirada da torta. 
Filtro de disco rotativo contínuo: Compõe-se de discos verticais concêntricos montados em um eixo de rotação horizontal. Funciona como o filtro de tambor rotativo a vácuo. Cada disco é oco e coberto com um tecido e é em parte submerso na alimentação. A torta é lavada, secada, e raspada quando o disco está na metade superior da sua rotação.
Filtro horizontal rotativo contínuo: É um filtro horizontal giratório a vácuo com uma superfície de filtração anular rotatória dividida em setores. A alimentação é filtrada, lavada, secada e raspada. É usado em processos de extração de minério, lavagem de polpa e outros processos de grande capacidade.
Meios de Filtração: o meio para filtração industrial deve:
Retirar o sólido a ser filtrado da alimentação e gerar um filtrado claro. 
Permitir que a torta com filtro seja removida de forma fácil e limpa. 
Ser forte o suficiente para não rasgar e ser quimicamente resistente às soluções usadas. 
Os poros não devem ser obstruídos para que a taxa da filtração não fique muito lenta. 
Auxiliares de Filtração:
Certos compostos podem ser usados para ajudar a filtração, como a terra diatomácea que é formada principalmente de sílica. Também são empregados a celulose de madeira e outros sólidos porosos inertes. 
Esses compostos podem ser usados de vários modos:
Como pré-cobertura antes da filtração: O auxiliar de filtração prevenirá os sólidos gelatinosos de entupir o filtro e também permitirá um filtrado mais claro. 
Acrescentados à alimentação antes da filtração: Aumenta a porosidade da torta e reduz a resistência da torta durante a filtração. 
Em um filtro rotativo, o auxiliar de filtração pode ser aplicado como uma pré-cobertura: Posteriormente, as fatias finas desta camada são cortadas junto com a torta.