Aula 8 - Operações Unitárias

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ENG07730-INTRODUÇÃO À ENGENHARIA 
QUÍMICA
Porto Alegre, 14 de Maio de 2019
Operações Unitárias na Engenharia Química
“Operação Unitária é toda a unidade do processo onde 
os materiais sofrem alterações no seu estado físico ou 
químico e que pode ser projetada com base em 
princípios físico/químicos comuns.”
Operações Unitárias na Engenharia Química
Matéria 
Prima
Reação Separação
Produto 
Final
Processos de separação
As operações unitárias são pertinentes aos processos
separativos que dependem apenas das diferenças das
propriedades físicas e não do comportamento químico.
• Tamanho do grão
• Solubilidade
• Permeabilidade
• Carga elétrica
• Massa específica
• Densidade
• Pressão de Vapor
A escolha do processo deve considerar:
• Diferenças de propriedades dos constituintes da mistura
• Exigências energéticas
• Custo e disponibilidade dos materiais de processo e de 
construção
• Integração das etapas no processo químico global
Produção de Amônia
Refino do petróleo
• Operações baseadas em Transferência da Quantidade de Movimento (por
exemplo Sedimentação, Ciclonagem, Moagem, etc.);
• Operações baseadas em Transferência de Massa (por exemplo Destilação,
Extração, Absorção, Adsorção, etc.);
• Operações baseadas em Transferência de Calor (por exemplo os
Permutadores de Calor);
• Operações baseadas simultaneamente em Transferência de calor e Massa
(por exemplo Evaporação, Cristalização, etc.).
Grupos de operações unitárias levando em
conta os princípios físico-químicos subjacentes
Operações baseadas em Transferência da Quantidade de
Movimento (Processos de separação mecânico-físicos)
• Utilização de forças mecânico-físicas
que estarão atuando sobre partículas,
líquidos ou misturas de partículas e
líquidos.
• A separação das partículas ocorre
devido aos diferentes efeitos
produzidos sobre elas pelas forças
gravitacionais, centrífugas, mecânicas
e cinéticas.
As partículas sólidas suspensas num
fluido líquido ou gasoso são removidas
fisicamente ou mecanicamente, através
da utilização de um meio poroso que
retém as partículas em fase separada ou
na forma de torta e o filtrado passa
límpido.
• Filtração a vácuo
• Filtração com utilização de pressão
Filtração (Separação sólido-Fluído)
Filtro tambor rotativo
Filtro prensa
Decantação e Sedimentação (Separação partícula-fluido)
• A decantação e a sedimentação são
processos de separação de misturas
heterogêneas, que apresentam mais
de uma fase (por exemplo, água
misturada com areia).
• Nesses processos, as partículas são
separadas do fluido através de forças
gravitacionais que agem sobre elas.
Variáveis de projeto
• Altura e comprimento do 
tanque
• Vazão máxima de 
Alimentação e remoção
• Sistema de aeração
• É utilizada para acelerar a
decantação ou sedimentação.
• A centrífuga, que gira em alta
velocidade, faz com que a
substância mais densa seja
“forçada” a sedimentar (decantar)
devido à ação da força centrífuga.
Centrifugação
Redução mecânica 
de tamanho e 
separação
• Neste 
processo, as 
partículas 
sólidas são 
quebradas 
mecanicamente 
em partículas 
menores e 
separadas de 
acordo com o 
tamanho.
Moinho de martelos
Moinho de rolos
Métodos de redução
• Compressão ou esmagamento
• Impacto
• Atrito ou fricção
• Corte (tamanhos definidos)
Operações baseadas em Transferência de Massa
• Destilação
• Extração
• Absorção
• Adsorção
Destilação (ou fracionamento)
• Ao fornecer calor a uma mistura
líquida, se promovermos a sua
vaporização parcial, obtemos duas
fases, uma líquida e outra de
vapor, que têm composições
diferentes
• A Destilação leva ao aumento da
concentração do componente mais
volátil no vapor e do componente
menos volátil no líquido
• Vantagem: Não precisa adicionar
nenhuma substância para efetivar
a separação.
Esquema de uma coluna de destilação fracionada
Dispositivos de contato no 
Interior da Coluna
Na prática, o contato entre
fases em cada andar em equilíbrio é
promovido fisicamente através dos
chamados “pratos” da coluna de
destilação (coluna de pratos) ou
através de uma dada altura de
enchimento (coluna de enchimento).
Absorção
• A absorção de gases é um processo com o qual se pretende
remover preferencialmente um ou mais componentes de uma
mistura gasosa por contato com uma corrente líquida onde
esses componentes se dissolvem.
• Operação inversa chama-se desabsorção. Do líquido para gás.
• O componente transferido de uma fase para outra é designado
por Soluto, a corrente gasosa é composta pelo gás soluto e o
Gás de Transporte (ou inerte), e a corrente líquida é constituída
pelo Solvente e o soluto.
Aplicações dos processos de Absorção
• Produção, separação e purificação de misturas gasosas e
concentração de gases
• Produção de ácidos (sulfúrico, clorídrico, nítrico e fosfórico), de
amoníaco, de amônia, de formaldeído, de carbonato de sódio
• Tratamento de gases de combustão do carvão e de refinarias
do petróleo
• Remoção de compostos tóxicos ou de odor desagradável
(como o gás H2S)
• Purificação de gases industriais
• Separação de hidrocarbonetos gasosos.
Equipamento de Absorção
Equipamento de Absorção
Extração líquido-líquido
• Baseia-se no Equilíbrio Líquido/Líquido. A remoção do componente da
mistura que se pretende separar (soluto) é induzida pela adição de um
novo composto ao sistema (solvente), o qual tem mais afinidade para o
soluto do que o diluente onde este estava inicialmente dissolvido
(alimentação).
• O solvente adicionado deve ser tão imiscível quanto possível com o
diluente da alimentação. É esta diferença de solubilidade que o soluto
seja retirado da alimentação.
• Quanto maior a diferença de solubilidades mais fácil é a separação. As
correntes que deixam cada unidade do extrator supõem-se em
equilíbrio.
Algumas aplicações do Processo de Extração
• Recuperação do ácido acético de
efluentes aquosos;
• Remoção do fenol na produção de
policarbonato;
• Produção de essências para o
fabrico de perfumes ou aditivos
alimentares;
• Produção de piridina para fins
farmacêuticos, etc.
Equipamento de Extração
Misturadores-Decantadores
Adsorção e Troca Iônica
• A adsorção e a troca iônica são processos de separação baseados na
velocidade de transferência de massa, na presença ou não de reação
química, implicando no contato íntimo entre duas fases (sólido-líquido ou
sólido-gás) entre as quais os constituintes se distribuem indiferentemente.
• O objetivo destas operações pode ser purificar correntes (tratamento de
efluentes líquidos ou gasosos) ou separar componentes de uma mistura
(análises cromatográficas).
Adsorção
• Neste processo um 
componente é removido de 
uma corrente gasosa ou líquida 
e adsorvido em um adsorvente 
sólido.
• Adsorventes comerciais e eles 
caracterizam-se por uma 
grande área superficial de 100 
até 2000 m2/g. Os principais 
são:
• Carvão ativado
• Sílica gel
• Alumina ativada
• Peneiras moleculares 
(zeólitas)
• Polímeros ou resinas 
sintéticas
• Trocadores de calor:
troca de calor entre dois
fluidos que estão em
diferentes temperaturas e
separados por uma
parede sólida.
Operações baseadas em
Transferência de Calor
Operações baseadas simultaneamente em Transferência de 
Calor e Massa
•Evaporação
•Secagem
•Cristalização
Evaporação
• Esse processo consiste basicamente
na evaporação de um solvente volátil
de um soluto não-volátil
• O vapor da solução líquida em ebulição
é removidoe a solução mais
concentrada permanece
• Exemplo: concentração de suco de
laranja, sal.
Tipos de evaporadores
Tipos de evaporadores: (a) tubo-horizontal, (b) tubo-vertical, (c) longo tubo-vertical, (d) circulação forçada 
Secagem
• Nesta operação líquidos voláteis,
normalmente água, são removidos
de materiais sólidos
• A secagem envolve a remoção de
quantidades
• relativamente pequenas de água de
um material
Tray Dryer (Secador de Bandejas)
Continuous Tunnel Dryers (Secadores de Túnel contínuos)
Drum Dryers (Secadores de tambor)
Spary Dryers (Secadores de pulverização)
Cristalização
• A cristalização é um processo no qual as partículas sólidas são formadas a
partir de uma fase homogênea, em que ocorre transferência de massa de um
soluto a partir da solução líquida para uma fase sólida cristalina pura.
• Este processo pode ocorrer no congelamento da água para formar gelo, na
formação de partículas de neve a partir de um vapor, na formação de
partículas sólidas a partir de uma massa fundida líquida, ou na formação de
cristais sólidos a partir de uma solução líquida.
• O processo de cristalização a partir de uma solução, é o mais
importante comercialmente.
• Nesse processo a solução é concentrada e arrefecida geralmente
até que a concentração de soluto torna-se maior do que a sua
solubilidade a essa temperatura. Em seguida, o soluto sai da
solução, formando cristais aproximadamente puros.
• As etapas da cristalização são:
• Nucleação primária
• Nucleação secundária
• Crescimento dos cristais
Cristalização
Tipos de Cristalização
A forma de atingir a sobressaturação 
num cristalizador, partindo de uma 
solução saturada do componente a 
separar, pode ser diversa:
• Arrefecimento da solução saturada; 
• Evaporação do diluente da solução 
saturada; 
• Adição de um segundo solvente que 
reduz a solubilidade do soluto;
• Promoção de uma reação química 
que leva à precipitação do soluto; 
• Alteração do pH do meio. 
• Fabricação de pigmentos
• Produção de sal de cozinha e açúcar
• Fabricação de sulfato de sódio e de amônia para a produção de fertilizantes
• Produção de carbonato de cálcio para as indústrias de pasta e papel,
cerâmica e plásticos
• Fabricação de ácido bórico e outros compostos para a indústria de inseticidas
e farmacêutica, entre muitos outros processos industriais.
Algumas aplicações
Processo de separação por membranas
• Neste processo de separação, a membrana atua como uma
barreira semipermeável e separação ocorre pelo controle,
através da membrana, da velocidade de circulação de várias
moléculas entre duas fases líquidas, duas fases gás, ou uma
fase líquida e outra gasosa.
• As duas fases fluidas são geralmente miscíveis e a membrana
impede o fluxo hidrodinâmico real, ordinário.
Principais tipos de separação por membrana
• Difusão de gás em sólido poroso
• Permeação líquida ou diálise
• Permeação de gás
• Osmose reversa
• Processo de Ultrafiltração
• Processo de Microfiltração
• Cromatografia de permeação em gel
Processo de Osmose Reversa na purificação de águas
Esse processo é capaz de rejeitar macromoléculas e substâncias
dissolvidas, como mostrado a seguir.
Obrigado!
Lucas.g4briel@gmail.com