AULA 11 OPERAÇÕES UNITÁRIAS I

Esta é uma pré-visualização de arquivo. Entre para ver o arquivo original

“ASSOCIAÇÃO EDUCACIONAL FANUEL”
GUARDA MIRIM DE TELÊMACO BORBA
AULA 11:
OPERAÇÕES UNITÁRIAS I
Ricardo Assis dos Santos
Disciplina: PROJETOS E PROCESSOS
Módulo: 5° MÓDULO
Data: 24/11/2017
1
Operações Unitárias
	
2
Em 1915, Arthur Little estabeleceu o conceito de “Operação Unitária”, segundo o qual um Processo Industrial seria dividido em uma série de etapas que podem incluir:
Operações por TRANSFERÊNCIA DE QUANTIDADE DE MOVIMENTO DE FLUÍDOS;
Operações por TRANSFERÊNCIA DE CALOR;
Operações por TRANSFERÊNCIA DE MASSA.
Operações Unitárias
	
3
Cada uma das etapas sequenciais numa linha de produção industrial é, portanto, uma Operação Unitária.
O conjunto de todas as etapas, compõe um 
PROCESSO UNITÁRIO.
Portanto:
Operações Unitárias são sequências de operações físicas necessárias à viabilização econômica de um processo químico.
3
As operações unitárias e os princípios de transferência
Força ou fluxo por unidade de superfície
=
Coeficiente de transferência
Gradiente de potencial
x
Fluxo
Gradiente
Momentum
Velocidade
Calor
Massa
Temperatura
Concentração, potencial químico
4
4
Tecnologia de alimentos
=
Processos unitários
Mudanças químicas, biológicas e microbiológicas
Operações unitárias
Mudanças físicas
+
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.
Engenharia
Ciência
5
5
6
Operações Unitárias por transferência de Quantidade de movimento (fluídos)
Fluido é um meio que se deforma continuamente quando sujeito a uma tensão. 
Uma camada de fluido desliza sobre a outra. Existe atrito entre as camadas de fluido. A razão entre a tensão aplicada e a taxa de deformação é a viscosidade do fluido.
7
7
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
8
8
Sedimentação e Decantação
	
9
	Quando a queda da partícula não é afetada pela proximidade com a parede do recipiente e com outras partículas, o processo é chamado Decantação Livre. Aplica-se a modelagem simples do movimento de partículas em fluídos.
	A decantação livre ocorre quando as concentrações volumétricas de partículas são menores que 0,2% (de 0,2% a 40% tem-se Decantação Influenciada).
	A sedimentação ocorre quando a concentração volumétrica das partículas é maior que 40% 
9
Sedimentação e Decantação
	
10
	Pode-se calcular a concentração de sólidos a cada instante e plotar. A concentração de sólidos em suspensão (C) seria obtida pela equação abaixo:
10
Cálculo de Sedimentação e Decantação
11
Um lodo biológico de tratamento de rejeitos, possui concentração inicial de 200 gramas de rejeitos por litro. Diante a tabela de dados a seguir, estipule a concentração em 3, 16 e 25 minutos após a solução entrar no decantador.
11
12
13
Conforme o Tempo aumenta a concentração também aumenta, inversamente proporcional à interface do Processo de Sedimentação, ou seja, quando a interface aumenta a concentração diminui.
14
Filtração
	
15
	Nas indústrias de alimentos e bebidas, a filtração aparece na produção de suco de frutas, óleos vegetais, leite e derivados, entre outros produtos. Os sistemas de filtração pode ser:
Sólido-líquido (sucos de frutas)
Sólido-gás (chaminés);
Gás-líquido (ar comprimido)
Ar (grau farmaceutico)
Basicamente é processo de separar um sólido particulado de um fluido, fazendo com que o sólido fique retido num meio poroso, e o fluido passe através desse meio.
15
Filtração
	
16
	
Filtrado
Alimentação
Meio poroso
Torta
16
Filtração
	
17
A força motriz do processo é uma diferença de pressão (P), através desse meio.
Os filtros podem funcionar: 
por ação da gravidade, o líquido flui devido a existência de uma coluna hidrostática; 
por ação de força centrífuga;
por meio da aplicação de pressão ou vácuo para aumentar a taxa de fluxo. 
17
Filtração
18
O princípio da filtração industrial e o do equipamento de laboratório é o mesmo, apenas muda a quantidade de material a ser filtrado. 
O aparelho de filtração de laboratório mais comum é denominado filtro de Büchner. 
O líquido é colocado por cima e flui por ação da gravidade e no seu percurso encontra um tecido poroso (um filtro de papel). 
Como a resistência à passagem pelo meio poroso aumenta no decorrer do tempo, usa-se um vaso Kitasato conectado a uma bomba de vácuo.
Bomba de vácuo
Filtro de Papel
18
Filtração
19
19
Cálculo de Filtração
20
20
Cálculo de Filtração
21
21
Cálculo de Filtração
22
22
Cálculo de Filtração
23
A equação de Poiseuille explica o fluxo de um fluido em regime laminar dentro de um tubo, que usando o sistema internacional de unidades (SI) pode ser descrito como:
Onde:
∆p é a pressão (N/m2)
v é a velocidade no tubo (m/s) 
D é o diâmetro (m)
L é o comprimento (m)
µ é a viscosidade (Pa.s)
23
Centrifugação
	
24
	A centrifugação é uma operação unitária amplamente utilizada nas áreas industriais e em bioquímica, biotecnologia, biologia celular, molecular, com a principal finalidade de separação de frações ou a concentração das moléculas de interesse. Pode ser realizada com o objetivo de separar sólidos de líquidos ou mesmo uma mistura de líquidos. Uma partícula em movimento linear continuará em velocidade constante e uniforme se não for influenciada por forças externas.
	Quando uma partícula é submetida a uma força centrífuga (g) para isolar partículas suspensas em seu meio, seja da forma em lotes ou fluxo contínuo, esta sedimentação é forçada
24
Centrifugação
	
25
25
Peneiramento
	
26
	O peneiramento é um método de separação de partículas que leva em consideração apenas o tamanho. No peneiramento industrial, os sólidos são colocados sobre uma superfície com um determinado tamanho de abertura. As partículas menores, ou finas, passam através das aberturas da peneira; as partículas maiores não. 
A necessidade de separar sólidos está associada a duas finalidades: 
1 – dividir o sólido granular em frações homogêneas, e; 
2 – obter frações com partículas de mesmo tamanho. 
	No entanto é difícil se conseguir os dois objetivos simultaneamente.
Princípio do Peneiramento: O sólido alimentado (A) é movimentado sobre a peneira; as partículas que passam pelas aberturas constituem os finos (F) e as que ficam retidas são os grossos (G) (Figura). O objetivo da operação é indicado pelo seu próprio nome: eliminação de finos, separação de grossos ou “corte” do material visando sua posterior concentração.
26
Peneiramento
	
27
	Uma peneira separa apenas duas frações que são chamadas não classificadas porque se conhece apenas as medida extrema de cada fração (a da maior partícula da fração fina e a menor da fração grossa). Com mais é possível obter frações classificadas; neste caso, não é mais um simples peneiramento, mas uma classificação granulométrica.
27
Peneiramento
	
28
	Uma peneira separa apenas duas frações que são chamadas não classificadas porque se conhece apenas as medida extrema de cada fração (a da maior partícula da fração fina e a menor da fração grossa). Com mais é possível obter frações classificadas; neste caso, não é mais um simples peneiramento, mas uma classificação granulométrica.
Balanço de Massa
28
Cálculo de Peneiramento
	
29
50 kg
19 kg
?
29
Ciclonagem
	
30
Ciclones
separam partículas sólidas de gás. 
 Utilizado para a separação de pequenas partículas sólidas ou névoa de gases.
 É formado por um cilindro vertical com um fundo cônico onde a mistura de partícula sólida de gás entra por uma entrada tangencial.
30
Ciclonagem
	
31
 Na entrada, o ar no ciclone flui para baixo em uma espiral adjacente à parede. Quando chega perto do fundo do cone, ele move-se em espiral para cima em uma espiral menor no centro do cone e do cilindro. 
 As partículas são lançadas em direção à parede e caem para baixo, deixando o fundo do cone.
31
Ciclonagem – Equação de Velocidade
	
32
Para o movimento centrífugo, a velocidade radial terminal vtR é dada Equação, com vtR sendo usado para vt:
A equação empírica apresentada a seguir é muitas vezes utilizada
onde b1 e n são constantes empíricas 
32
Separação Pneumática
	
33
	Quando a vazão da fase fluida excede a velocidade de sedimentação livre das partículas, o leito fluidizado perde a sua identidade, pois as partículas sólidas são transportadas pela corrente do fluido.
	O Transporte Pneumático se refere ao movimento de partículas sólidas em um fluxo de gás através de tubos horizontais e/ou verticais. Os transportadores pneumáticos podem ser usados para partículas que variam de pós finos a pelotas, com densidades aparentes de 16 a 3200 kg/m3.
	Os materiais tipicamente transportados são:
Alumina
Óxido de alumínio
Alimento para bebês
Argila
Barita
Bauxita
Bentonita
Bórax
Carbonato de cálcio
Areia
Gesso
Óxido de ferro
Caulim
Calcário
Magnésio
Leite em pó
Amendoim
Resina de PVC
Açúcar
E muito mais!
Cloreto de cálcio
Negro de fumo
Cimento
Café (cru, torrado, moído)
Detergente
Feldspato
Carvão
Farinha
Cinza
Fluorita
33
Separação Pneumática
	
34
O transporte pneumático em fase densa (alta pressão; >43psi) pode ser o método mais confiável e eficiente para a manipulação de uma grande variedade de sólidos secos a granel. A definição de transporte pneumático em fase densa significa uma pequena quantidade de ar para movimentar uma grande quantidade de sólidos a granel de forma pulsante em porções através da linha de transporte. Baixas velocidades são utilizadas (0,2-5,0 m/s).
http://www.youtube.com/watch?v=qSe1gWfEyIw&feature=related
Video fase densa:
http://www.youtube.com/watch?v=rIqCkrCFSB0&feature=related
Video compressor:
34
Separação Pneumática
	
35
Os sistemas pneumáticos em fase diluída (baixa pressão; 14psi) utilizam grande quantidade de ar para remover quantidades relativamente pequenas de material em uma suspensão a altas velocidades (10-30 m/s). Utilizam sopradores e/ou ventiladores.
A baixa velocidade de transporte resulta em uma manipulação mais delicada dos sólidos altamente abrasivos que não toleram degradação. Para muitos materiais frágeis, granulares ou cristalinos, não existe processo mais adequado.
http://www.youtube.com/watch?v=9Q5uwubweqo&feature=fvst
Video ventilador centrífugo:
35
	
36
Operações unitárias de transferência de impulso
Bombeamento de líquidos
Escoamento gravitatório de líquidos
Ventilação (gases)
Compressão (gases)
Decantação 
Centrifugação
Agitação de líquido
Mistura de líquidos e líquido-gás
Atomização líquido-gás (aspersão)
Atomização líquido-líquido (homogeneização)
Movimentação de fluidos através de sólidos porosos
36
	
37
Operações unitárias de transferência de Quantidade de Movimento
Fluidização
Transporte pneumático
Transporte hidráulico
Decantação de sólidos
Filtração
Ultra-filtração
Centrifugação sólido-líquido
Ciclonagem
Mistura líquido-sólido
Prensagem
Fluxo a granel (sólidos particulados)
37
	
38
Operações unitárias de transferência de Quantidade de Movimento
Peneiramento
Decantação sólido-sólido
Mistura sólido-sólido
Moagem, trituração, desfibração de sólidos
Compactação de sólidos
Aglomeração de partículas sólidas
38
Bombas
Decantador
Ciclone de separação
Centrífuga
39
39
40
Operações Unitárias por transferência de Calor
Cozimento | Digestão | Fritura | Extrusão
	
41
	Trata-se de um processo termomecânico e contínuo que combina as operações unitárias como misturar, amassar e modelar, com aquecimento (cozimento) ou não, para ampliar as possibilidades de elaboração de alimentos básicos ou alternativos, em alimentos de distinta forma, textura, cor e aroma. desnaturação da proteína presente no alimento.
	Seu princípio básico é a conversão de um material sólido em massa fluída pela combinação de umidade, calor, compressão e tensão de cisalhamento, e forçar sua passagem através de uma matriz para formar um produto com características físicas e geométricas pré-determinadas, obtendo-se, assim, a gelatinização do amido e/ou a 
desnaturação da proteína presente no alimento.
41
Cozimento | Digestão | Fritura | Extrusão
	
42
Alimentação do digestor: 
Cavacos de madeira 
Produtos químicos 
 
No processo Kraft, os produtos químicos utilizados são: licor branco e licor negro 
Licor Branco: Hidróxido de sódio + sulfeto de sódio + outros tipos de sais de sódio em pequenas quantidades. 
Licor Negro: Licor do cozimento anterior, contendo constituintes de madeiras dissolvidos, bem como reagentes não consumidos. Este licor é usado como diluente para assegurar uma boa circulação da carga, sem introduzir uma quantidade extra de água.
42
	
43
	O branqueamento é um processo térmico de curto tempo de aplicação, com características de pré-tratamento, pois precede o início de outros processos de elaboração industrial.
	O branqueamento consiste em aquecer um alimento rapidamente a uma temperatura pré determinada, mantido durante um tempo estabelecido e rapidamente resfriado a temperaturas próximas à ambiente. 
Branqueamento
43
	
44
	É a purificação da celulose, pois dependendo do grau de cozimento efetuado a pasta pode conter até 5% de lignina. O teor de lignina presente é responsável pela tonalidade da polpa, que pode variar do marrom ao cinza. A remoção da lignina é necessária não só para se obter uma celulose pura, mas também para dar um aspecto de alvura elevado, característica fundamental para proporcionar alta qualidade ao produto final. 
	Branquear a celulose é levar a fibra ao seu estado natural de alvura que é branco. Em função do grau de alvura desejado, a eliminação da lignina se faz em vários estágios, tanto por razões técnicas como econômicas. 
Branqueamento
Branqueamento na Fabricação de Celulose e Papel
44
	
45
Branqueamento
Da esq. para a dir.: bagaço da cana-de-açúcar, polpa, celulose e fibra
Depuração consiste na separação das impureza da madeira e dos pedaços de cavaco que não foram cozidos. Depois é removida a lignina, uma substância que une as células da celulose. No branqueamento, a celulose é peneirada para remover impurezas e suas propriedades (alvura, limpeza e pureza química) são melhoradas.
45
	
46
	O processo de esterilização de alimentos (leite, queijo, iogurte, cerveja ou vinho) que consiste em expô-los a uma temperatura inferior a seu ponto de ebulição e submetê-los em seguida a resfriamento súbito, a fim de eliminar certos microrganismos nocivos. Já que a pasteurização não elimina todos os microrganismos existentes nos alimentos, este processo geralmente é empregado com outros meios de preservação para que o alimento tenha uma vida de prateleira estável. Dentre esses meios de preservação estão incluídos: a refrigeração, aditivos químicos, embalagens herméticas e, para se evitar recontaminação, adiciona-se concentrações altas de açúcar. A pasteurização é indicada para:
Produtos em que altas temperaturas possam causar danos a qualidade nutricional do alimento;
Destruir microrganismos patogênicos de baixa resistência ao calor; Ex: Leite.
Para produtos que contêm microrganismos deterioradores sensíveis ao calor, Ex: sucos de frutas,creme de leite;
Produtos em que microrganismos sobreviventes possam ser
inibidos por outro método preservativo posterior, Ex: refrigeração, adição de aditivos;
Para líquidos ácidos que tem pH<4,5 tais como: vinhos, sucos de frutas, refrigerantes, cerveja,
Pasteurização
46
	
47
Pasteurização
47
	
48
Pasteurização
48
	
49
	A operação unitária de esterilização de é aplicada geralmente após o alimento estar embalados em embalagens hermeticamente fechadas. O tratamento de calor pela esterilização tem como principal objetivo a eliminação de microorganismos patogênicos e o principal deles que é o Clostridium botulinum. Para definir o tempo e a temperatura do processo de esterilização de um alimento, é necessário ter as informação sobre a resistência térmica do microorganismos que se deseja eliminar no processo, para aplicar a correta penetração de calor no alimento que está dentro da embalagem.
	Alimentos esterilizados são preservados por longos meses à temperatura ambiente sem sofrerem deterioração. Os equipamentos adequados para este processo são mostrados na a seguir.
Esterilização
49
	
50
Esterilização
(A)-Autoclave Hidrostática; (B)-Autoclave Fixa Vertical
50