Aula1 introducao operut

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LOQ4085
OPERAÇÕES UNITÁRIAS I
PROFª. LÍVIA CHAGURI E CARVALHO
E-mail: lchaguri@usp.br 1
UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
DEPTO. ENGENHARIA QUÍMICA
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LOQ4085 – Operações Unitárias I
Turmas:
20161Q2 – quinta-feira 14:00 ás 18:00
20161B1 – sexta-feira 08:00 ás 12:00
http://disciplinas.stoa.usp.br/
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4http://disciplinas.stoa.usp.br/
5http://disciplinas.stoa.usp.br/
INTRODUÇÃO
• Processos químicos são muito diversificados
– estudá-los é um desafio.
• Processos diferentes e complexos: divididos
em um pequeno número de operações
básicas.
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Operações Unitárias: operação básica em
um processo.
Processo: conjunto de OPs que partindo de
determinada MP resulta em um produto.
INTRODUÇÃO
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Independente de sua natureza, TODA
operação unitária obedece a 2 princípios:
- Leis da conservação de massa
- Leis da conservação de energia
OP
anterior
OP OP
posterior
Matérias
primas
Capital
Energia Trabalho Controle
Energia
perdida
Produtos
Subprodutos
Perdas energia
DIAGRAMAS DE PROCESSO
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Leite pasteurizado
- Troca de calor: OP mais importante
- OP requer 2 sistemas auxiliares:
- 1) Suprimento água quente – pasteurizar leite
- 2) Suprimento de água gelada para resfriar o leite (estocado refrigerado)
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Leite pasteurizado
- Diagrama considerando as correntes e características do processo
- Equacionamento dos balanços de massa e energia
- Dimensionamento adequado dos equipamentos
- Correção de problemas operacionais
DIAGRAMAS DE PROCESSO
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FLUXOGRAMA DE PROCESSO
- Descrição mais detalhada do processo
- Identificação de tanques, bombas, trocadores, colunas, filtros
Suco concentrado de laranja
- Suco extraído das frutas é centrifugado para clarificação
- Tratamento térmico - pasteurização
- Concentração do suco – evaporadores a placas
- Resfriamento – recuperação do aroma da laranja
PROCESSOS DESCONTÍNUOS, CONTÍNUOS
E SEMICONTÍNUOS
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 Identificar tipo de processo sob estudo para
equacionar BM e BE;
 Batelada – MPs processadas por lotes;
 Condições de operação (T, P e composição) – variam
com tempo;
 Processo com duração definida – depois de
finalizado um novo ciclo se inicia (novo lote);
 Requer menor investimento de capital;
 Custeio operacional maior (tempo ocioso dos
equipamentos para carga e descarga);
 Adequado para produções de pequena escala;
 Adequado para produtos de composição diferente:
 Batelada mistura de massa para pão branco e integral
– mesmo agitador e misturador.
PROCESSOS DESCONTÍNUOS, CONTÍNUOS
E SEMICONTÍNUOS
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Processo de mistura em batelada para produção de fórmula de
leite para bebês com necessidades específicas
Tanque 
encamisado 
com 
agitador
Alimentador 
tipo Hopper
Bomba 
centrífuga
Dispositivo 
Venturi
PROCESSOS DESCONTÍNUOS, CONTÍNUOS
E SEMICONTÍNUOS
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 Processos contínuos:
 Materiais passam sem interrupção através do
sistema, sem separação de porções do material em
relação ao todo;
 Ocorrem em regime estacionário na maior parte do
tempo;
 Alto investimento;
 Melhor utilização da capacidade produtiva;
 Custos operacionais mais baixos;
 Linhas de produção em larga escala.
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Óleo de palma
- Operação contínua;
- Várias Ops envolvidas;
- Óleo obtido por prensagem;
- Várias etapas de clarificação
PROCESSOS DESCONTÍNUOS, CONTÍNUOS
E SEMICONTÍNUOS
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PROCESSOS DESCONTÍNUOS, CONTÍNUOS
E SEMICONTÍNUOS
 Processos semicontínuos:
 Caracterizado pela carga e descarga de materiais de
etapas intermediárias de um processo contínuo;
 Presença de operações em batelada e fluxo contínuo
no processo.
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PROCESSOS DESCONTÍNUOS, CONTÍNUOS
E SEMICONTÍNUOS
II Processo Contínuo
I Processo Batelada
 Fluxograma fabricação de iogurte
Tanque de
fermentação
Tanque
pulmão
Tanque
polpa de fruta
Misturador
Embaladora
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CLASSIFICAÇÃO DAS OPERAÇÕES 
UNITÁRIAS
 Existem diferentes operações unitárias: segundo
natureza das transformações que ocorrem;
 Físicas, químicas e bioquímicas;
 Transformações caracterizadas por separação de
uma ou mais substâncias presentes em uma mistura;
 Transformações caracterizadas pela mudança de
uma propriedade decorrente de um gradiente;
 OPs podem ser classificadas segundo a grandeza
(massa, energia ou velocidade) do objeto da
transferência.
Agitação: objetiva-se a transferência da quantidade de
movimento. Simultaneamente ocorre a TM ou TC.
Operações de transferência de massa, calor ou de
quantidade de movimento. Simultâneas (TC e TM)
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OPERAÇÕES DE QUANTIDADE DE 
MOVIMENTO
 Operações em que 2 fases em diferentes velocidades
são colocadas em contato;
 Divididas em 3 grupos:
1. Circulação interna de fluidos: estudo do movimento
de fluidos através de tubulações e dispositivos para
medir as propriedades dos fluidos (bombas).
2. Circulação externa de fluidos: fluido circula pela
parte externa de um sólido (fluidização).
3. Movimentação dos sólidos dentro de fluidos:
separação de sólidos em um meio fluido (filtração).
Bombas
Decantador Ciclone de separação
Centrífuga
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OPERAÇÕES DE TRANSFERÊNCIA DE 
CALOR
 São controladas pelo gradiente de temperatura e
dependem do mecanismo pelo qual o calor é
transferido.
1. Operações de transferência de calor (secagem,
evaporação).
2. Tratamentos térmicos: pela elevação da
temperatura, pasteurização e esterilização.
3. Resfriamento e congelamento: com e sem mudança
de fase da água para o gelo.
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OPERAÇÕES DE TRANSFERÊNCIA DE 
CALOR
Evaporador
Trocador
Secador
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OPERAÇÕES DE TRANSFERÊNCIA DE 
MASSA
 São controladas pela difusão de um componente
dentro de uma mistura:
1. Extração: dissolução da mistura em solvente
2. Separação por membranas: transporte convectivo e difusivo
3. Cristalização: formação de partículas sólidas de estrutura
regular a partir de fase líquida homogênea
4. Destilação: separação de um ou mais componentes a partir
da diferença de volatilidade
5. Adsorção: eliminação de um ou mais componentes de um
fluido pela retenção sobre uma superfície sólida
6. Absorção: componente de uma mistura gasosa é absorvido
por um líquido de acordo com sua solubilidade nesse líquido
Destilação Separação por membranas
Cristalização 23
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OPERAÇÕES COMPLEMENTARES
 Série de operações que não estão incluídas na
classificação abordada;
 Não são governadas por quaisquer fenômenos de
transportes citados
1. Redução de tamanho: moagem e homogeneização
2. Peneiramento
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OPERAÇÕES COMPLEMENTARES
Moagem
Peneiramento
Objetivos da disciplina
 Capacitar o aluno a resolver problemas de
dimensionamento de equipamentos (exceto
aqueles envolvendo transporte de calor e
massa).
 Estudar as operações unitárias de transporte,
mistura, separação e redução de tamanho de
partículas de fluidos e sólidos.
 Possibilitar que o aluno discuta criticamente
as operações unitárias estudadas.
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Introdução
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1.Dimensionamento da instalação industrial:
desenho, dimensionamento e construção.
2.Operação: supervisão, manutenção e otimização.
3.Administração: logística, vendas e planejamento.
4.Pesquisa: básica ou aplicada para o
desenvolvimento de produtos e processos.
Engenheiro atua geralmente em 4 campos:
O que o engenheiro faz?
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• Seleciona o tipo de equipamento adequado
• Dimensiona os equipamentos
• Calcula o tempo de processamento
• Elabora os balanços de massa e energia da 
operação
• Calcula os custos do investimento necessário 
• Calcula os custos operacionais
• Avalia o desempenhodo processo
Aplicação da Física e da Química
•Estrutura física da matéria
•Composição química dos materiais
•Leis da mecânica
•Transferência de massa e energia
•Modelagem matemática e simulação dos 
fenômenos físicos
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Projetos x Experimentação
•Testar modelos (escala laboratorial) e 
protótipos (escala maior) até chegar na escala 
industrial.
•Regular o funcionamento de sistemas
•Medir variáveis físicas em processos
30ºC
atm
Qualidades do profissional de 
engenharia
•Formação básica multidisciplinar
•Raciocínio analítico
•Estudo continuado
•Conhecimento sistêmico
•Conhecimentos gerais
•Participação social
•Capacidade de síntese
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Relações humanas
•O Engenheiro emprega boa parte do tempo se
relacionando com pessoas.
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Trabalho em equipe 
Aperfeiçoamento contínuo
•Atualização: livros, revistas técnicas e científicas, 
seminários, congressos, feiras industriais
•Diploma = ponto de partida
• Especializações e pós-graduação lato sensu
•Pós-graduação stricto sensu: Mestrado e Doutorado
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A industrialização dos produtos tem como
objetivo:
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• Facilitar o manuseio e o transporte
• Aumentar a vida de prateleira
• Melhorar algumas qualidades:
toxicidade, sabor, textura, aparência e 
valor nutritivo
• Agregar valor ao produto
• Desenvolver novos produtos
Três enfoques para o estudo dos
processamentos industriais
1. Estudar a tecnologia de um certo tipo de indústria, por 
exemplo: indústria cervejeira, laticínios, indústria 
açucareira, pastifícios, entre outros.
2. Estudar as operações usuais a muitos tipos de 
indústria, por exemplo: evaporação, refrigeração, 
extrusão, extração, centrifugação, etc.
3. Estudar os fenômenos de transferência de quantidade 
de momentum, calor e massa.
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As operações unitárias e os princípios de 
transferência
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Força ou 
fluxo por 
unidade de 
superfície
=
Coeficiente 
de 
transferência
Gradiente 
de 
potencial
x
FluxoGradiente
MomentumVelocidade
Calor
Massa
Temperatura
Concentração, potencial químico
Tecnologia 
produtos
=
Processos 
químicos
Operações 
unitárias
+
Tendo em vista a imensa quantidade de
equipamentos industriais existentes no mercado e
sua equivalência funcional, a única maneira possível
de entender o funcionamento dos mesmos é pelo
critério de operações unitárias.
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EngenhariaCiência
Mudanças 
químicas, 
biológicas e 
microbiológicas
Mudanças físicas
Objetivo
Materiais
Transporte Mistura Separação
Modificação 
de tamanho
Fluidos 
(líquidos e 
gases)
Bombeamento
Ventilação
Compressão
Agitação 
Mistura
Centrifugação
(L-L)
Atomização
Fluidos e 
sólidos
Transporte
Pneumático
Transporte 
hidráulico
Perda de 
pressão em 
leitos 
empacotados
Fluidização
Suspensão de 
sólidos em 
líquidos
(agitação)
Filtração 
(L-S)
Centrifugação 
(L-S)
Sedimentação 
(L-S)
Separação
pneumática
(G-S)
Prensagem
Sólidos
Transporte 
Mecânico de 
sólidos
Misturadores 
de sólidos
Peneiragem Moagem
Operações unitárias de quantidade de movimento
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O estudo das operações unitárias permite 
predizer o comportamento de sistemas. 
Usam-se as seguintes ferramentas:
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a) Princípios ou leis da conservação de massa, 
quantidade de movimento e entalpia
b) Equações constitutivas ou descritivas do 
fenômeno de transferência
c) Equações de estado (gases ideais, Van der 
Walls, etc.)
d) Condições de contorno
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EMENTA – LOQ4085
OPERAÇÕES UNITÁRIAS I
Programa Resumido
1) Transporte de fluidos
2) Agitação e mistura
3) Caracterização e dinâmica de partículas
4) Separação de partículas por ação gravitacional e 
centrífuga
5) Interação sólido – fluido
6) Filtração
7) Sedimentação
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EMENTA – LOQ4085
OPERAÇÕES UNITÁRIAS I
Programa
1) Transporte de fluidos: Tipos de bombas e compressores. Curva 
característica. Cavitação e altura de sucção disponível (NPSH). Cálculo da 
potencia de bombas.
2) Agitação e mistura: Tipos de equipamentos e impelidores. Mistura de 
líquidos. Cálculos de potência de agitadores e misturadores.
3) Caracterização e dinâmica de partículas: Características físicas de 
partícula isolada. Tamanho de partículas. Peneiramento. Análise 
granulométrica. Velocidade terminal.
4) Separação de partículas por ação gravitacional e centrífuga: Elutriação. 
Câmara de poeira. Ciclones e centrífugas.
5) Interação sólido – fluido: Escoamento em meio poroso. Fluidização.
6) Filtração: Tipos de equipamentos. Filtração a pressão e vazão constante. 
Tortas compressíveis e incompressíveis.
7) Sedimentação: Tipos de equipamentos. Cálculo da área e altura de 
sedimentadores
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EMENTA – LOQ4085
OPERAÇÕES UNITÁRIAS I
1) COULSON, J. M.; RICHARDSON; J.F. Chemical Engineering. v. 2: Particle
Technology e Separation Processes. 5ed. Amsterdan: Butterworth Heinemann, 
1229p. 2005;
2) COULSON & Richardson's Chemical Engineering: chemical engineering design 
by R.K. Sinnott. 6ed. Amsterdam: Elsevier Butterworth Heinemann, 895p. 2004;
3) COUPER, J. R.; PENNEY, W. R.; FAIR, J. R.; W.; Stanley. M. Chemical
Process Equipment: Selection and Design. 2ed. Amsterdam: Elsevier, 814p. 
2005;
4) FOUST, A. S.; WENZEL, L. A.; CLUMP, C. W.; MAUS, L.; ANDERSEN, L. B. 
2ed. Princípios das operações unitárias. Rio de Janeiro: Guanabara Dois/LTC, 
670p. 2008;
5) GEANKOPLIS, C. J. Transport Processes and Separation Process Principles. 
4ed. New York: Prentice Hall, 1026p. 2010;
6) MCCABE, W. L.; SMITH, J. C.; HARRIOT, P. Unit operations of chemical
engineering. 7ed. Boston: McGraw-Hill, 1140 p. 2005;
7) PERRY's chemical engineers handbook. Editor in Chief Don W. Green; Late 
Editor Robert H. Perry New York: McGraw-Hill, 2008.
Bibliografia
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EMENTA – LOQ4085
OPERAÇÕES UNITÁRIAS I
Bibliografia complementar
1. Çengel, Y.A.; Cimbala, J.M. Mecânica dos fluidos. Fundamentos e
aplicações. Editora Mcgrawhill.
2. Cremasco, M.A. 2012. Operações unitárias em sistemas particulados
e fluidomecânicos. 1ª Ed. São Paulo. Editora Blucher.
3. Tadini, C.C.; Telis, V.R.N.; Meirelles, A.J.A.; Pessoa Filho, P.A. 2016.
Operações Unitárias na indústria de alimentos. 1ª Ed. Rio de Janeiro.
Editora LTC.
4. Terron, L.R. 2012. Operações unitárias para químicos, farmacêuticos
e engenheiros. 1ª Ed. Rio de janeiro. Editora LTC.
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CRONOGRAMA – LOQ4085
OPERAÇÕES UNITÁRIAS I – 20161Q2
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CRONOGRAMA – LOQ4085
OPERAÇÕES UNITÁRIAS I – 20161Q2
23/jun
14/jul
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CRONOGRAMA – LOQ4085
OPERAÇÕES UNITÁRIAS I – 20161B1
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CRONOGRAMA – LOQ4085
OPERAÇÕES UNITÁRIAS I – 20161B1
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CRONOGRAMA – LOQ4085
OPERAÇÕES UNITÁRIAS I – 20161B1
CRONOGRAMA – LOQ4085
OPERAÇÕES UNITÁRIAS I – 20161Q2
Prova 1 – 28 de abril
Prova 2 – 23 de junho
Exame - 14 de julho
Prova 1 – 29 de abril
Prova 2 – 24 de junho
Exame - 15 de julho
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OBRIGADA!
BOM SEMESTRE!