Operacoes Unitarias Operacoes mecanicas

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Operações Unitárias na Indústria de Alimentos – OP34A
Operações Unitárias de Transferência de Quantidade de Movimento
Peneiramento
O peneiramento é um tipo de separação mecânica. As separações mecânicas são feitas por diferença entre as partículas, como tamanho, forma ou densidade. Industrialmente os sólidos são jogados sobre a malha de uma peneira e os sólidos mais finos que os espaços da malha passam através da peneira e os sólidos mais grossos são retidos. As peneiras podem ser colocadas em série conforme a separação que se queira fazer. A malha das peneiras pode ser feita de fio tecido, plástico, metal e até seda. 
Tipos de peneiras e aplicações:
- Peneira estática: separação de sólidos muito grosseiros de partículas muito finas (entopem com facilidade).
- Peneira agitada: classificação de grãos, ervilhas, etc (maior eficiência para materiais com tamanho maior que 1 cm).
- Peneira vibratória: sólidos finos como farinha, açúcar, sal, etc.
- Peneira vibratória circular: idem.
- Peneira rotatória: construção civil, separação de pedriscos (de 4 a 10 m comprimento e levemente inclinada).
*Todas operam de forma contínua.
Eficiência da peneira:
Uma peneira ideal deveria separar as frações de forma que o diâmetro da menor partícula da fração grossa fosse ligeiramente maior que a maior partícula da fração fina. O diâmetro que separa essas duas frações, ou seja, o tamanho do furo da peneira é chamado de diâmetro de corte. Quanto mais irregular for o formato das partículas (menor a esfericidade) maior é o desvio da idealidade. Ex: arroz, dependendo da forma como cai na peneira passa ou fica retido. Além disso, se o material a ser peneirado for muito higroscópico, pode ocorrer aglomeração e as partículas finas ficam retidas na parte superior. Outro problema encontrado é a passagem de grossos para a parte inferior, ocasionada por perfurações na malha da peneira.
Análise granulométrica:
Serve de base para o controle de classificação bem como da produção de partículas finas nos processos de fragmentação.
	
	
Centrifugação
A centrifugação aumenta fortemente o grau das forças que atuam sobre as partículas. Dessa forma, partículas que sedimentariam muito lentamente são separadas com eficiência do líquido pela centrifugação. Emulsões apresentam forças de associação que mantêm os componentes fortemente juntos, como é o caso do leite na separação do creme de leite. Por centrifugação essa separação ocorre quase que imediatamente, quanto que se fosse feita por gravidade seriam necessárias muitas e muitas horas.
A força centrífuga depende então do raio da velocidade de rotação e da massa da partícula. Se o raio de rotação e a velocidade estão fixados o fator que irá controlar é o peso da partícula, desta forma quanto mais pesada ela é maior será a força sobre ela exercida. No caso de dois líquidos diferentes o que controla é a densidade dos mesmos.
Tipos de centrífugas e aplicações:
- Centrífuga tubular: separação líquido-líquido (ex. creme de leite-leite), 
- Centrifuga a discos: idem (concentração de uma das fases e não separação total de duas fases), clarificação de bebidas, etc.
*ambas são interessantes na substituição de filtros no caso de sólidos gelatinosos que poderiam entupir facilmente os mesmos.
- Centrifuga Decanter: separação de lodos ativados e partículas grosseiras.
- Centrífuga de cesto: sólidos grosseiros (obsoleta).
*Com exceção da de cesto todas operam de forma contínua.
Filtração
É a separação de sólidos de uma suspensão pela passagem da mesma através de um meio filtrante, no qual os sólidos são depositados. 
Tipos de filtros e aplicações:
Filtros de torta: operam com grandes quantidades de sólidos, antes da membrana de filtração pressão atm e após a membrana sob vácuo. Há necessidade de remoção periódica da torta, pois a resistência à filtração aumenta conforme a espessura da torta aumenta. Dependendo da aplicação, é feita a lavagem da torta. As telas de filtração são em geral feitas de metal, algodão, juta e polímeros.
- Filtro prensa: fabricação de farinha de mandioca (descontínuo).
- Filtro de folhas: idem (opera com maior pressão negativa, descontínuo).
- Filtro rotativo a vácuo: (contínuo).
- Filtro rotativo de discos: opera de forma semelhante ao rotativo de tambor, porém apresentam maior área disponível para filtração, aumentando a eficiência da operação.
- Filtros horizontais: idem.
Filtros de meio poroso (clarificadores): operam com suspensões mais diluídas, o meio filtrante em geral tem poros maiores que o tamanho das partículas a serem retidas. As partículas ficam retidas por atração física. São necessárias grandes áreas de filtração devido à baixa vazão de operação. Usados em tratamento de água e clarificação de bebidas. Após determinado período é necessário que se faça uma retro-lavagem, para remoção dos sólidos. Deve-se tomar cuidado para não fluidizar o leito.
- Meios filtrantes: 
- Terra diatomácea: esqueletos fossilizados de algas pré-históricas ou diatomitas.
- Silicato de alumínio.
- Carvão ativado.
Filtros de fluxo cruzado: Ultrafiltração.
Bombeamento
As bombas deslocam líquidos por escoamento, transformando trabalho mecânico que recebe de um motor em energia hidráulica sob as formas que o líquido pode absorver, isto é, energia potencial de pressão e energia cinética. 
O que se encontra antes da bomba é chamado de sucção e após a bomba de recalque.
É comum a classificar as bombas segundo o modo pelo qual é realizada a transformação do trabalho mecânico em energia hidráulica, assim como o modo de cedê-la ao líquido, aumentado a pressão e (ou) sua velocidade. 
Em geral, há duas exigências básicas que sempre têm que ser satisfeitas para se ter uma operação livre de dificuldades e uma vida útil mais longa para bombas centrífugas. 
1. A primeira exigência é que nenhuma cavitação ocorra ao longo da grande faixa operacional da bomba.
2. A segunda exigência é que um fluxo contínuo mínimo seja sempre mantido, durante a operação.
Tipos de bombas:
- Bomba centrífuga: no saneamento básico, na irrigação de lavouras, nos edifícios residenciais, na indústria em geral, elevando, pressurizando ou transferindo líquidos de um local para outro. A energia transferida pela bomba centrífuga ao fluido é função do diâmetro do rotor, da rotação de acionamento e do projeto do rotor. Utilizada no transporte de líquidos em geral (baixas viscosidades e suspensões diluídas com sólidos pequenos).
- Bomba helicoidal: utilizada para bombear produtos altamente viscosos, com pouca umidade ou sem fluidez. 
- Bomba de diafragma: funcionam pela ação de um diafragma acionado a ar comprimido. Este tipo de bomba oferece a vantagem de não haver contato entre o produto que está sendo bombeado e o sistema de acionamento, o que elimina o risco de vazamento e incorporação de ar no produto. A desvantagem é que a sua capacidade manométrica é limitada não atingindo grande altura na elevação do produto. Mesmo assim é bastante utilizada no transporte de produtos com viscosidade não muito elevada como: maionese, xaropes de açúcar, molhos de tomate, cremes, polpas de frutas.
- Bomba tipo pistão: aplicada para fluidos de alta viscosidade e suspensões com partículas grandes.
Agitação e Mistura
Líquidos:
Muitos processos dependem da eficiência da agitação e mistura de fluidos. A agitação refere-se ao movimento induzido do material em determinada direção. Mistura refere-se à distribuição aleatória de uma fase dentro da outra. A agitação tem os seguintes propósitos:
- Suspender partículas sólidas.
- Misturar líquidos miscíveis.
- Dispersar gases em líquidos (bolhas).
- Dispersar um líquido imiscível em outro.
- Promover a transferência de calor entre o líquido e uma serpentina ou jaqueta.
Em geral um agitador serve para múltiplos propósitos como no caso da hidrogenação catalítica, onde o catalisador é suspenso no líquido, hidrogênio gasoso é dispersono líquido e há troca de calor com a camisa do tanque. 
Equipamentos de agitação:
O tanque apresenta fundo redondo para evitar pontos mortos na mistura. Em geral são dotados de termopares e outros acessórios de determinação de pH, pressão, etc. Se é necessário que haja troca de calor do tanque apresenta camisa ou serpentina. O motor impulsiona o impelidor que permite que o material seja agitado e/ou misturado. Dificultores (ou chicanas) são acoplados no interior do tanque para evitar a formação de vórtice.
Tipos de impelidores:
Propulsores: as pás fazem um ângulo menor que 90° com o eixo do impelidor. São impelidores de alta velocidade para líquidos de baixa viscosidade. O movimento do líquido continua a partir do impelidor até que defletir no encontro com o fundo ou paredes do tanque. Ex: Pás inclinadas e hélices.
Pás: as pás são paralelas ao eixo do impelidor. A agitação é lenta e o movimento gerado no líquido é radial, tanto que para tanques profundos há necessidade de colocação de diversas pás ao longo do eixo permitindo que haja movimentação vertical do líquido. Ex: âncoras e pás. As âncoras são indicadas para fluidos de alta viscosidade. 
Turbinas: são agitadores de pás com múltiplas lâminas, o diâmetro do agitador é menor do que no caso dos agitadores tipo pás. Além disso, as lâminas são curvadas, horizontais ou inclinadas. Efetivos em uma ampla faixa de viscosidades. Produzem turbulência elevada devido ao movimento radial e tangencial aplicado ao fluido. 
Formação do vórtice:
O escoamento dependerá do tipo de fluido, tipo de impelidor, além de tamanho e proporções do impelidor, tanque e dificultores. Em tanques sem dificultores o movimento circular do líquido é induzido por todos os tipos de impelidores. Geralmente nos líquidos de baixa viscosidade, com agitação central, ocorre a formação de vórtice. Caso o vórtice seja profundo e alcance o impelidor, o ar é disperso na mistura, o que normalmente não é desejado.
Maneiras de evitar o vórtice:
- descentralizar o agitador.
- inclinar o agitador de 15° em relação ao centro do tanque.
- colocar o agitador na horizontal.
- usar dificultores.
Sólidos:
Existem duas propriedades essenciais que devem ser conhecidas para que um misturador de sólidos opere de forma satisfatória: primeiro, o misturador deve aplicar gradientes de velocidade em toda a massa de sólidos dentro do equipamento. Segundo, o misturador não deve permitir que os sólidos segreguem enquanto estão no interior do equipamento. 
Propriedades dos sólidos:
- Densidade: segregação devido a força gravitacional.
- Tamanho: A coesão ocorre quando se trabalha com pós muito finos ou quando existe a presença de “ligantes”. A segregação ocorre quando se trabalha com diferentes tamanhos de partícula. 
- Formato: afeta a fluidez.
- Proporção.
- Conteúdo de umidade.
Em materiais com tendência a agregação é possível reduzir seu efeito com o uso de excipientes. 
Mecanismos de mistura de sólidos:
- Difusão (revolvimento, tombamento): as partículas são reorientadas umas em relação às outras devido à modificação de suas posições relativas aos conjuntos de partículas (todo). Ex: misturadores em V, cones duplos, misturadores de tambores. Ideal para sólidos com tendência a coesão.
- Convecção (revolvimento): Grupos de partículas movem-se de um ponto a outro do sólido granular, como na convecção fluida, originando a mistura convectiva. Utilizados para sólidos e pastas. Ex: misturadores de fitas, misturadores amassadores, misturadores helicoidais, etc. Ideal para sólidos com tendência a segregação.
- Corte: tensões de cisalhamento (corte) dão origem a zonas de deslizamento e de mistura onde ocorre a troca de partículas entre as camadas.
Moagem
É a operação unitária que tem por objetivo a redução de tamanho dos fragmentos de determinado material. Para que a redução de tamanho seja feita é necessário que se aplique uma ação mecânica que desenvolva força sobre o material, até que a energia aplicada supere um determinado valor (dependente da estrutura de cada material, dureza, tamanho e outros fatores) e faça com que o material se frature. A redução de tamanho provoca um aumento na área superficial do material. Há grande geração de calor na operação devido ao atrito do material com o equipamento.
A redução de tamanho na indústria de alimentos serve para:
- Aumentar as superfícies: (Reações químicas; Extração; Secagem).
- Diminuir o tamanho para separar dois ou mais constituintes (ex. casca dos grão).
- Modificar propriedades de um material: Cor (intensidade) e especificação de produtos comerciais. 
- Mistura mais íntima entre dois sólidos: produtos para formulação de bolo.
- Auxiliar em outras etapas de utilização da industrialização do produto.
Propriedades dos sólidos a serem moídos:
- Dureza: afeta o consumo de energia e o desgaste da máquina. Com materiais duros e abrasivos é preciso usar máquina de baixa velocidade e proteger os apoios da poeiras abrasivas formadas.
- Estrutura: os materiais granulares normais, como carvão, minérios e rochas podem triturar-se eficientemente com o uso das forças normais de compressão, impacto, etc. Para materiais fibrosos é necessário efetuar uma ação de rompimento (corte ou rompimento).
- Conteúdo de umidade: verifica-se que os materiais não fluem bem se contiverem de 5 a 50% de umidade; nestas condições, os materiais tendem a se aglutinarem formando bolas. A moagem pode ser satisfatória fora destes limites.
- Resistência ao Esmagamento: a potência necessária para o esmagamento é quase que diretamente proporcional à resistência do material ao esmagamento.
Mecanismos de moagem:
Os equipamentos podem funcionar empregando um ou mais tipos de atuação da força simultaneamente.
1. Compressão;
2. Impacto;
3. Atrito (abrasão);
4. Corte e/ou dilaceramento.
Tipos de equipamentos:
- Britadores: a moagem ocorre por impacto. Utilizado para materiais de grande tamanho e que apresentam elevada dureza, em geral outro moinho deve ser utilizado na sequência.
- Moinho de rolos ou cilindros: são moinhos secundários, utilizam força de compressão e atrito, o diâmetro final depende da distância entre os rolos. São utilizadas diferentes superfícies nos rolos. Utilização: moagem de cereais, amido, café, sementes (ex. mostarda) e moagem de cana para extração do caldo.
- Moinho de martelos: utilizam força de impacto e atrito. Produzem um material mais fino que o moinho de rolos. Possuem peneiras para classificação interna. Aplicados nos mesmos casos que o moinho de rolos.
- Moinhos de discos: são usados para materiais de tamanho inicial intermediário e fino. A moagem pode ser seca ou úmida e ocorre por abrasão e compressão. O material resultante tem granulometria muito fina.
- Moinhos de facas: quando os materiais apresentam tenacidade elevada (energia necessária para que o impacto leve o material à ruptura) os moinhos de faca apresentam bons resultados. A moagem ocorre por corte/dilaceramento. Ex. folhas, materiais fibrosos, tubérculos, couro, etc.
- Moinho de bolas: a moagem ocorre por impacto e fricção. Utilizado para materiais de alta dureza (ex. ossos, sementes, vidro, cerâmica, etc).