LOQ4085OPERAÇÕES UNITÁRIAS I

PROFª. LÍVIA CHAGURI E CARVALHOE-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

7

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

posteriorMatérias

primas

CapitalEnergia 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

15

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

19

20

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

24

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.26

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 desempenho do 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 serelacionando 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 comoobjetivo:

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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 dosprocessamentos 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.

35

As operações unitárias e os princípios de transferência

36

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 deequipamentos industriais existentes no mercado esua equivalência funcional, a única maneira possívelde entender o funcionamento dos mesmos é pelocritério de operações unitárias.

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EngenhariaCiência

Mudanças

químicas,

biológicas e

microbiológicas

Mudanças físicas

ObjetivoMateriais

Transporte Mistura SeparaçãoModificação

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

SólidosTransporte

Mecânico de

sólidos

Misturadores

de sólidosPeneiragem Moagem

Operações unitárias de quantidade de movimento

38

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

46

CRONOGRAMA – LOQ4085

OPERAÇÕES UNITÁRIAS I – 20161B1

47

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!