aula 03

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PROCESSOS QUÍMICOS 
INDUSTRIAIS 
AULA 3 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Profa. Thaís Helena Curi Braga 
 
 
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CONVERSA INICIAL 
Nos processos industriais, matérias-primas são transformadas e 
separadas em produtos úteis. O Engenheiro de Produção deve conhecer os 
processos e equipamentos usados. Apesar da grande variedade e complexidade 
das plantas modernas, qualquer processo pode ser dividido em uma série de 
etapas chamadas operações unitárias. Estas operações individuais têm 
técnicas comuns e são baseadas nos mesmos princípios científicos. 
Figura 1- fluxograma de produção de vinho tinto. 
 
 
Fonte: aquimicadovinho.xpg.uol.com.br 
 
Na maioria dos processos, sólidos e fluidos devem se mover, calor e 
outras formas de energia devem ser transferidos de uma substância para outra, 
tarefas como secagem, redução de tamanho, destilação e evaporação devem 
ser realizadas. O conceito de operação unitária prevê estudar sistematicamente 
as operações individuais a fim de unificar e simplificar o tratamento dos 
processos como um todo. As figuras 1 e 2 trazem, respectivamente, o fluxograma 
de processo e o diagrama de blocos de uma unidade de produção de vinho. As 
etapas identificadas como desengace, esmagamento, separação, prensagem, 
fermentação, são exemplos de operações unitárias. 
 
 
 
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Figura 2- diagrama de blocos da fabricação de vinho. 
 
Fonte: pt.slideshare.com 
 
Os aspectos estritamente químicos do processamento são estudados na 
cinética de reação e cálculo de reatores, mas as operações unitárias estão 
presentes tanto nos processos físicos como nos processos químicos. Por 
exemplo, no processo de regeneração do ácido sulfúrico, os reatores estão 
indicados no fluxograma como fornalha e conversor catalítico. Exceto estes dois, 
todos os outros equipamentos são exemplos de operações unitárias, como 
mistura, aquecimento, resfriamento, precipitação eletrostática, secagem e 
absorção. 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Figura 3- fluxograma da regeneração do ácido sulfúrico. 
 
Fonte: https://sites.google.com/site/scientiaestpotentiaplus/acido-sulfurico/acido-
sulfurico-producao 
 
A extração industrial do café solúvel lembra muito o processo doméstico 
de preparo do nosso querido “cafezinho”. Os grãos de café, após serem torrados 
e moídos, alimentam um extrator onde o café em pó é percolado por água quente 
para extração dos sólidos solúveis do café. Este extrato segue para um 
evaporador para ser concentrado. O extrato concentrado de café alimenta um 
secador para obtenção do café em pó, como encontrado no supermercado para 
comercialização. No tema 1, falaremos sobre o evaporador e a operação unitária 
evaporação. No tema 2, falaremos sobre o secador e a operação unitária 
secagem. No tema 3, falaremos sobre o extrator e a operação unitária extração. 
 
 
 
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TEMA 1 - EVAPORAÇÃO 
O objetivo da evaporação é concentrar uma solução formada por um 
soluto não volátil e um solvente volátil. Na grande maioria das evaporações, o 
solvente é água. Normalmente, na evaporação, o produto de interesse é a 
solução concentrada, e o vapor desprendido durante o processo é condensado 
e descartado ou reaproveitado. Em uma situação específica, contudo, acontece 
o inverso. Água mineral frequentemente é evaporada para fornecer um produto 
livre de sólidos para determinados usos. Este produto é normalmente 
denominado água destilada, mas tecnicamente ela é evaporada. 
 
Um evaporador é essencialmente um trocador de calor acoplado a um 
vaso separador de fases. Há uma superfície de transferência de calor separando 
a solução em ebulição do fluido de aquecimento, normalmente vapor de água 
saturado. Devido às características corrosivas de soluções concentradas, a 
facilidade de limpeza é fator determinante no projeto de evaporadores. Espera-
se que a solução em ebulição seja devidamente misturada a fim de que a solução 
de saída tenha a mesma composição da solução no interior do evaporador. 
Figura 5- evaporador à vácuo em uma usina de açúcar. 
 
 
 
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Existem muitos tipos de evaporadores: horizontais, verticais de tubos 
curtos ou longos, circulação natural ou forçada, evaporadores tipo filme de fluxo 
descendente e ascendente. Eles estão ilustrados no anexo 1. Para qualquer 
destes tipos, a representação dos evaporadores em um fluxograma de processo 
deverá fornecer apenas as informações sobre correntes de processo e entradas 
e saídas de energia, temperatura e pressão de operação, sem a necessidade de 
que descrevam internamente o equipamento. 
A pressão de vapor de soluções aquosas é menor que a da água pura na 
mesma temperatura. Consequentemente, para uma dada pressão, o ponto de 
ebulição das soluções é mais alto que o da água pura. Este aumento é chamado 
elevação do ponto de ebulição. Ele é pequeno em soluções diluídas e soluções 
de coloides orgânicos, mas pode atingir valores tão altos quanto 80oC em 
soluções concentradas de sais inorgânicos. A Regra de Duhring estabelece que 
o ponto de ebulição de uma solução varia linearmente com o ponto de ebulição 
da água pura na mesma pressão. Essa regra pode ser plotada nos chamados 
Diagramas de Duhring. 
Evaporadores múltiplo efeito 
 O processo de evaporação gera uma corrente de topo de solvente 
evaporado. Em um evaporador de simples efeito, o vapor de topo é condensado 
para ser retirado do sistema, mas ele tem uma condição de temperatura e 
energia que está sendo desperdiçada. Então, por que não aproveitá-lo, 
conectando-se mais um evaporador em sequência, de modo que este evaporado 
seja usado como vapor de aquecimento do próximo efeito? Esta é, de longe, a 
melhor maneira de se otimizar a operação de um evaporador. Pode-se conectar 
dois, três, quatro, múltiplos evaporadores em série, e a solução concentrada que 
sai do primeiro evaporador será a alimentação do próximo e, assim, 
sucessivamente. Para isso, é necessário que a pressão de operação dos efeitos 
diminua do primeiro até o último efeito. Assim, a temperatura de ebulição 
também será decrescente no mesmo sentido de operação. O primeiro efeito é 
sempre aquele que recebe a corrente de vapor de aquecimento fresco 
proveniente de uma caldeira. 
 
 
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 Observe o fluxograma de um evaporador de cinco efeitos. Ele deve 
concentrar uma solução de açúcar inicialmente com 15% em massa de sólidos, 
devendo alcançar 60% na saída do quinto efeito. A linha horizontal inferior, 
indicada por balões vermelhos, representa todas as correntes de entrada e saída 
das soluções de açúcar (correntes ml). As correntes de solvente evaporado 
geradas em cada efeito (correntes mv) atravessam o trocador de calor do 
próximo efeito, representado simplificadamente como uma linha em ziguezague. 
Todas as informações acerca do efeito 1 são simbolizadas pelo uso do índice 1, 
e assim sucessivamente para os efeitos 2, 3, 4 e 5. Note que os valores de 
pressão de operação e temperatura de ebulição são decrescentes do primeiro 
até o quinto efeito. 
Figura 6- evaporador múltiplo efeito. 
 
Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=Cw7RM0HG52M 
 
Configuração de escoamento 
 Existem duas configurações de escoamento mais comuns: 
● Escoamento paralelo ou alimentação para frente: a alimentação entra 
no primeiro efeito e segue paralelamente ao fluxo de vapor de 
aquecimento. Existe vácuo no último efeito e de efeito para efeito, então 
o escoamento acontece sem bombeamento. 
 
 
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● Escoamento contracorrente ou para trás: a alimentação entra no último 
efeito e segue contracorrente ao fluxo de vapor de aquecimento. Como 
ela entrano efeito de menor pressão e segue para efeitos sempre de 
pressões mais elevadas, há necessidade de bombeamento, aumentando 
o custo operacional. 
 
No escoamento contracorrente, a solução mais concentrada está no efeito 
de maior temperatura, o que aumenta a eficiência da evaporação, fazendo com 
que o aumento do custo operacional seja compensado pelo consumo menor de 
vapor de aquecimento. 
Acesse o site a seguir para visualizar animações de funcionamento de 
evaporadores: 
http://rpaulsingh.com/animations/evap_falling.html 
 
TEMA 2 - SECAGEM 
No tema 1, vimos que, na concentração de uma solução por ebulição, a 
fase líquida está em contato com vapor de solvente puro. Na secagem, o produto 
a ser secado está em contato com uma mistura de vapor e um gás não 
condensável. Tipicamente, a secagem é a remoção de um líquido volátil, 
normalmente água, de um sólido poroso. O projeto detalhado dos secadores 
varia muito, devido à grande quantidade de materiais que podem ser secados. 
Contudo eles podem ser analisados em termos de um túnel de secagem, que é 
a unidade através da qual o material passa, fazendo contato com uma corrente 
de gás em um fluxo concorrente, contracorrente ou uma combinação de ambos. 
O sistema de secagem como um todo prevê equipamento para aquecimento do 
gás de secagem. 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Figura 7- fluxograma de uma unidade de secagem completa. 
 
Fonte: www.lippel.com.br 
O esquema acima ilustra um fluxograma típico de secagem, com um 
sistema de preaquecimento do ar de secagem, seguido do secador tipo tambor 
rotativo e um sistema de separação do produto seco e retenção de material 
particulado do ar de secagem. 
O secador pode ser simplificadamente representado pelo mesmo modelo 
usado para um evaporador simples, com uma corrente de entrada e duas 
correntes de saída - o produto seco e a água evaporada para secá-lo. 
 
No entanto, o modelo mais adequado para efeitos de balanço é aquele 
que considera duas correntes de entrada - a alimentação e o ar de secagem de 
entrada - e duas correntes de saída - o produto seco e o ar de secagem de saída. 
O que diferencia as correntes de entrada e saída do ar de secagem é o teor de 
umidade, expresso em termos de umidade absoluta (kg água/kg ar seco), que 
aumenta ao longo do secador porque incorpora a corrente de água evaporada 
durante a secagem. O ar de secagem na saída é chamado de ar de exaustão ou 
 
 
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ar exausto, visto que já cumpriu a sua função dentro do processo. Em muitos 
casos, ele é recirculado em parte para a entrada do secador, a fim de ser 
misturado com ar fresco e ter a sua parcela de energia ainda aproveitada. 
 
Carta psicrométrica: relaciona graficamente dados de temperatura de 
bulbo seco, temperatura de bulbo úmido, umidade relativa, umidade absoluta e 
entalpia de saturação para a mistura ar seco-água. Os dados de composição do 
ar de secagem na entrada e na saída do secador são lidos na carta psicrométrica 
a partir de informações simples como temperatura ambiente e umidade relativa. 
Figura 8- carta psicrométrica. 
 
Fonte: softpicks.net 
 
 
 
 
 
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Critérios de seleção 
A primeira consideração ao selecionar um secador é a sua capacidade de 
produzir o produto desejado da forma esperada a uma taxa eficiente. Apesar da 
grande variedade de secadores comerciais oferecidos no mercado, os tipos são 
mais complementares que competitivos entre si e a natureza do problema de 
secagem determina o tipo de secador que deve ser usado ou, no mínimo, limita 
as opções de escolha a talvez duas ou três possibilidades. A escolha final é feita 
com base nos custos fixos e operacionais. Enquanto secadores em batelada 
oferecem taxas de produção em torno de 200 kg/h de produto sólido, os 
secadores contínuos produzem taxas acima de 1 a 2 ton/h. Materiais sensíveis 
ao calor devem ser secados em baixas temperaturas sob vácuo, ou muito 
rapidamente em um secador atomizador. Cristais frágeis devem ser 
manuseados em um secador de tela ou parafuso rolantes. Os secadores devem 
operar com segurança e economia, atendendo às questões ambientais. 
Curvas de secagem 
 Existem dois tipos de curvas de secagem: 
 Curva de umidade representa a diminuição da umidade do produto (kg 
água/kg massa seca) ao longo do tempo. 
 Curva de velocidade de secagem representa a velocidade ou taxa de 
secagem do produto pelo tempo (dX/dt versus t), ou seja, é a curva obtida 
diferenciando-se a curva de umidade. 
As curvas de secagem podem ser plotadas para dados experimentais a 
fim de definir as condições de operação do secador, com temperatura e tempo 
de secagem. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Figura 9- curvas de secagem 
 
Fonte: www.scielo.com.br 
 
TEMA 3 - EXTRAÇÃO 
Equilíbrio de fases 
Um limite para a transferência de massa é atingido se as duas fases 
envolvidas alcançam o equilíbrio e a transferência de material é interrompida. 
Para um processo prático, que deve ter uma taxa de transferência razoável, o 
equilíbrio deve ser evitado e a taxa de transferência de massa em qualquer ponto 
é proporcional à força motriz, medida pelo desvio da condição de equilíbrio. Para 
as duas fases envolvidas, todas as combinações dos estados físicos sólido, 
líquido e gasoso são possíveis, exceto que as duas fases sejam sólidas. As 
variáveis controladas são propriedades intensivas de temperatura, pressão e 
concentrações. Dados de equilíbrio podem ser apresentados como tabelas, 
equações ou gráficos. A forma mais usual é a gráfica. Vamos mostrar mais 
adiante algumas curvas de equilíbrio para duas ou mais fases. Mas você já 
conhece a curva de equilíbrio para substância pura, que é a curva de saturação 
ou curva de pressão de vapor. 
Extração sólida ou lixiviação 
As fases envolvidas são sólidas e líquidas e o objetivo é remover um 
componente da fase sólida fazendo percolar através dele um líquido, 
denominado solvente, no qual este componente é mais solúvel. O exemplo 
clássico é a extração de óleos de sementes como soja e milho com solvente 
 
 
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hexano. O óleo é denominado soluto e o extrato é uma mistura óleo-hexano 
(soluto-solvente), posteriormente separado por destilação. Outro exemplo é a 
extração de café ou chá com água quente para produção de bebida solúvel. O 
café passado é o extrato que, após concentração por evaporação e secagem, 
fornece a bebida em pó ou granulado solúvel. Operações em série são comuns 
e denominadas baterias de extração. 
 
Este é o extrator rotativo Rotocel (marca registrada) usado na indústria de 
óleos comestíveis. Ele é dividido em compartimentos que recebem os grãos, 
previamente preparados a fim de otimizar o processo de extração, os quais são 
lavados por duchas de solvente num fluxo contracorrente. É um processo 
contínuo com reaproveitamento quase completo do solvente. 
Figura 10- estrator tipo Rotocel. 
 
Fonte: http://www.htoilmachine.com 
 
 
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Extração líquida 
É uma alternativa à destilação, quando a mistura a ser separada é 
termossensível ou apresenta pontos de ebulição muito próximos. Por exemplo, 
penicilina é recuperada do caldo fermentativo por extração com acetato butílico. 
O solvente é então tratado com uma solução-tampão de fosfato para extrair a 
penicilina do solvente e resultar numa solução aquosa purificada. Os 
equipamentos normalmente usados incluem torres spray e torres recheadas. A 
coluna de extração em contracorrente com refluxo é muito similar 
operacionalmente a uma coluna de destilação, apresentada no tema 5, com 
seções de enriquecimento do extrato na parte superior e esgotamentodo 
rafinado na parte inferior. 
 
TEMA 4 - ABSORÇÃO 
Absorção de gases 
Operação unitária que tem como objetivo separar um gás solúvel de uma 
corrente gasosa inerte através do contato com uma corrente líquida na qual o 
soluto é mais solúvel. A lavagem de amônia de uma mistura de amônia e ar por 
meio de água líquida é um exemplo típico. Na sequência, o soluto é recuperado 
do líquido por destilação e a água pode ser descartada ou reutilizada. Quando 
um soluto é transferido do solvente líquido para a fase gasosa, a operação é 
conhecida como dessorção ou esgotamento. A configuração de escoamento 
pode ser concorrente ou contracorrente, mas a segunda é mais usual. Como a 
gravidade atua mais fortemente sobre uma fase líquida, é natural representar a 
corrente líquida descendente e a corrente gasosa ascendente. 
O fluxo contracorrente assegura que o gás de exaustão deixando a coluna 
de absorção encontre líquido fresco com grande capacidade de absorção 
entrando na mesma. Na extremidade inferior da coluna, o líquido já contém muito 
gás dissolvido, mas encontra a corrente gasosa fresca e ainda é possível 
transferência de massa. As torres de pratos perfurados e as torres recheadas 
são muito usadas para esta operação. As torres recheadas consistem de uma 
 
 
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coluna cilíndrica, ou torre, e um recheio constituído de formas sólidas inertes 
suportadas por uma tela. 
Figura 11- Diagrama de blocos de uma coluna de absorção com escoamento 
contracorrente. 
 
Fonte: a autora. 
O líquido de entrada pode ser um solvente puro ou uma solução diluída 
de soluto no solvente, chamado licor ou solução fraca, distribuído no topo da 
torre e que uniformemente molha as superfícies do recheio. O gás contendo o 
soluto, denominado gás rico, entra no fundo da torre e flui para cima através dos 
interstícios do recheio, em um fluxo contracorrente. O recheio oferece uma 
grande área de contato entre as fases, favorecendo o contato íntimo entre as 
mesmas. O soluto no gás rico é absorvido pelo líquido fresco, e um gás diluído 
ou pobre deixa a coluna no topo. O líquido é enriquecido em soluto ao longo de 
seu fluxo descendente, e licor concentrado ou forte deixa a coluna pelo fundo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Figura 12- coluna com recheio e coluna com pratos perfurados. 
 
Fonte: http://labvirtual.eq.uc.pt 
 
TEMA 5 - DESTILAÇÃO 
Vamos começar falando de dois exemplos clássicos de destilação. O 
primeiro é o alambique, usado desde tempos remotos para produção de 
aguardente. Nele, o bagaço diluído é aquecido em uma caldeira, desprendendo 
vapores alcoólicos que seguem por uma serpentina e são resfriados em um 
tanque onde circula água fria para que ocorra a condensação. 
Figura 13- Almabique 
 
Fonte: https://sistemasdeproducao.cnptia.embrapa.br 
 
 
 
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O segundo é a destilação do petróleo na coluna de destilação, separando 
as frações de óleo lubrificante, óleo diesel, querosene, gasolina e gás. Enquanto 
o alambique ilustra um processo de destilação simples, a coluna de destilação 
do petróleo é um exemplo de destilação fracionada. Tendo estes modelos como 
referência, vamos apresentar os tipos de destilação em termos industriais. 
Figura 14- refinamento do petróleo 
 
Fonte: http://brasilescola.uol.com.br 
 
Destilação Flash Produção de vapor pela ebulição de uma mistura 
líquida, que é, na sequência, condensado sem retorno do líquido para o 
processo, ou seja, sem refluxo. Uma fração definida do líquido é vaporizada, de 
modo que o vapor desprendido está em equilíbrio com o líquido residual. As 
fases são separadas e o vapor é condensado. O sistema inclui uma bomba de 
alimentação, um aquecedor (P-1), uma válvula de redução de pressão (P-2) que 
gera uma mistura líquido-vapor, a qual é separada por diferença de densidade 
entre as fases em uma coluna (P-3). O vapor sai no topo e é chamado corrente 
de topo (V) e o líquido sai no fundo da coluna como corrente de fundo (L). 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Figura 15- diagrama de blocos de uma destilação flash. 
 
Fonte: http://labvirtual.eq.uc.pt/ 
 
Destilação contínua com refluxo 
A destilação flash é aplicada a misturas com grandes diferenças no ponto 
de ebulição dos componentes. Quando a volatilidade é parecida, deve-se usar a 
destilação contínua com refluxo. O exemplo mais simples é a destilação de 
misturas binárias. Ela consiste em uma coluna de pratos ou de recheio, como as 
colunas de absorção, com um condensador de vapor no topo, uma corrente de 
refluxo do condensado e um refervedor no fundo, vaporizando o líquido. A 
corrente de alimentação divide a coluna em dois setores: a seção de retificação, 
acima da alimentação, e a seção de esgotamento abaixo da mesma. 
Analogamente à absorção, existe uma corrente gasosa (V) ascendente em 
contracorrente com uma corrente líquida descendente (L). Mas, na destilação, 
ambas são misturas de dois componentes. 
Figura 16- coluna de destilação fracionada. 
 
Fonte: http://labvirtual.eq.uc.pt 
 
 
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A operação pode ser descrita como uma sequência de vaporizações e 
condensações parciais, acontecendo prato a prato. O prato representa um 
estágio de equilíbrio. Durante a operação plena da coluna, cada prato retém uma 
quantidade de líquido. Perfurações no prato permitem que a corrente ascendente 
de vapor borbulhe nesse líquido retido, condensando parcialmente e cedendo o 
calor de condensação para a evaporação parcial do líquido. Mas, devido à 
diferença de volatilidade, há uma tendência maior do componente mais volátil 
vaporizar, enquanto o menos volátil irá condensar preferencialmente, fazendo 
com que a corrente de vapor vá ficando cada vez mais rica no componente mais 
leve enquanto a corrente líquida enriquece no componente mais pesado. Como 
resultado deste processo, após um certo tempo, obtém-se uma corrente de topo 
mais concentrada no componente mais volátil e uma corrente de fundo mais 
concentrada no componente menos volátil. 
Cada prato representa um estágio ideal e os fundamentos de equilíbrio e 
balanço de massa permitem desenhar um gráfico, onde a curva de equilíbrio em 
conjunto com as retas de operação das seções de retificação e esgotamento 
fornecem o número de estágios ideais necessário. A partir deste estudo, pode-
se calcular a altura, o diâmetro da coluna e a quantidade de recheio, no caso de 
colunas recheadas. 
Figura 17- traçado dos estágios teóricos de uma coluna de destilação. 
 
Fonte: http://labvirtual.eq.uc.pt 
 
 
 
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NA PRÁTICA 
Os grãos de café são torrados e moídos antes de alimentar uma bateria 
de extração. Após a extração, o extrato de café solúvel deve ser concentrado 
antes de seguir para a etapa de secagem. A concentração pode ser feita em 
evaporadores de triplo efeito, evaporadores termo-centrífugos ou crio-
concentradores. Este extrato concentrado alimenta um secador tipo atomizador 
para obtenção do café solúvel em pó, que pode seguir para uma etapa posterior 
de aglomeração ou ser comercializado na forma de pó não aglomerado. Nesta 
linha de produção, temos exemplos de três operações unitárias vistas na aula: 
extração, evaporação e secagem. 
Figura 18- fluxograma de produção de café solúvel. 
 
Fonte: Cia. Iguaçu de Café Solúvel, Cornélio Procópio. 
 
 
 
 
 
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Alguns destes equipamentos serão apresentados a seguir. 
Figura 19 - Bateria de extração. 
 
Fonte: Cia. Iguaçu de Café Solúvel, Cornélio Procópio. 
 
Figura 20- Evaporador de múltiplo efeito. 
 
Fonte: Cia. Iguaçu de Café Solúvel, Cornélio Procópio.22 
Figura 21- Secador. 
 
Fonte: Cia. Iguaçu de Café Solúvel, Cornélio Procópio. 
 
 
SÍNTESE 
A terceira aula de Processos Químicos Industriais apresenta para o aluno 
de Engenharia de Produção algumas Operações Unitárias com transferência de 
calor e massa. Agora, você conhece os fundamentos da evaporação e secagem, 
tipos de equipamentos e descrições básicas de balanço de massa e energia. 
Também está familiarizado com as operações unitárias que, além de fenômenos 
de transferência de calor e massa, envolvem conceitos de equilíbrio de fases. 
Procuramos enfatizar os conceitos comuns a esses temas tão amplos e variados. 
Expanda seus conhecimentos lendo os anexos das rotas de aprendizagem e 
pesquisando o assunto na bibliografia. 
 
REFERÊNCIAS 
FOUST, A. S. et al. Princípios das Operações Unitárias. Rio de Janeiro, Ed. 
Guanabara Dois, 1982. 
 
BLACKADDER, D. A. & NEDDERMAN, R. M. Manual de Operações Unitárias. 
2a ed. São Paulo, Ed. Hemus, 2008.