OPERAÇÕES UNITÁRIAS

1- Introdução às Operações Unitárias

Quaisquer que seja a indústria química existirão etapas semelhantes entre elas, que

podem ser estudadas à luz dos princípios físicos e químicos envolvidos, independentemente

do material que está sendo manufaturado. Estas várias operações que envolvem mudanças

físicas no material, independentemente do material que está sendo processado, são

chamadas de operações unitárias da indústria química. São tão importantes quanto as

reações químicas utilizadas para a obtenção do produto. (Parâmetros Físicos). Estas

operações unitárias podem ser agrupadas nas seguintes divisões que envolvem a engenharia

química:

Mecânica dos fluidos: é o primeiro assunto normalmente estudado nos cursos de operações

unitárias. Em toda planta industrial é necessário transportar reagentes e produtos para

diferentes pontos da planta. Na maioria dos casos, os materiais são fluidos (gases ou

líquidos) e há necessidade de determinar os tamanhos e os tipos de tubulações, acessórios e

bombas (ou compressores) para movimentá-los.

- Transmissão de calor: é o assunto normalmente estudado após a mecânica dos fluidos. A

maioria das reações químicas não ocorre a temperatura ambiente e, portanto, os reagentes e

produtos devem ser aquecidos ou resfriados. Algumas reações são exotérmicas, o calor

deve ser removido; outras são endotérmicas, o calor deve ser fornecido. São necessários

cálculos de taxas de calor envolvidas e dimensionar os equipamentos (trocadores de calor)

necessários.

Operações de agitação e mistura: são operações normais em plantas químicas para

homogeneizar a mistura formada por diferentes componentes (reagentes e produtos). São

operações importantes em reatores, partes essenciais em qualquer processo. São utilizados

diferentes tipos, sempre levando em consideração o tipo de reação como, por exemplo,

processos em fase líquida ou gasosa, tipo de reagente (sólido, líquido ou gasoso), etc.

Operações de agitação são importantes em processos químicos, principalmente quando

estão envolvidos reagentes e produtos em fases diferentes (sólido, líquido ou gás), líquidos

imiscíveis, etc.

Operações de separação: com certeza é o maior grupo de operações unitárias aplicadas

nas indústrias químicas. Este grupo inclui: processos físicos em que se permite a separação

de duas fases (sólido-líquido e líquido-líquido), como filtração, decantação e centrifugação;

processos em que ocorrem transferências de massa de uma fase para outra, pela afinidade

do material para a segunda fase, como a absorção (do gás para o líquido), a extração (de

líquido para outro líquido), a adsorção (de uma mistura gasosa ou líquida para um sólido), a

secagem etc.; processos em que ocorrem as transferências de material de uma fase para

outra pela influência da troca de calor, como a evaporação, a destilação, a cristalização, etc.

Operações de separação são as que mais envolvem cálculos de balanço de massa, também

chamado de balanço material. Em alguns casos, além do balanço material é necessário

realizar balanço de energia. Todas as operações de separação ocorrem no interior de um

equipamento especialmente projetado para se conseguir o efeito desejado. Com isso, torna-

se interessante apresentarmos para os alunos que estão iniciando o curso de Operações

Unitárias toda a sua abrangência relacionada com a Indústria Química.

2-Processos de Separação Térmicos Clássicos

Dentre os processos de separação térmicos clássicos podem ser destacados:

destilação, absorção gasosa, extração líquido-líquido, extração sólido-líquido,

adsorção/desorção, evaporação, cristalização e a secagem.

2.1- Destilação

A destilação é um processo de separação térmico controlado pelo equilíbrio

termodinâmico líquido-vapor utilizado na separação de misturas líquidas homogêneas,

baseado na diferença de volatilidade das espécies químicas, a volatilidade acontece através

da introdução de um agente de separação térmico (calor).

Na destilação, uma fase vapor entra em contato com uma fase líquida, e há

transferência de massa do líquido para o vapor e do vapor para o líquido. O líquido e o

vapor contêm, em geral, os mesmos componentes, mas em quantidades relativas diferentes.

O líquido está no seu ponto de bolha e o vapor em equilíbrio no seu ponto de orvalho. Há

transferência simultânea de massa do líquido pela vaporização, e do vapor pela

condensação. O efeito final é o aumento da concentração do componente mais volátil no

vapor e do menos volátil no líquido. A vaporização e a condensação envolvem os calores

latentes de vaporização dos componentes, e os efeitos térmicos devem, por isso, entrar nos

cálculos da destilação.

A destilação é amplamente usada para separar as misturas líquidas em componentes

mais ou menos puros. Em virtude de a destilação envolver a vaporização e a condensação

da mistura, são necessárias grandes quantidades de energias. Uma grande vantagem da

destilação está em que não se precisa adicionar nenhuma substancia para efetivar a

separação.

As aplicações da destilação têm a mais ampla diversidade. Pode ser dada como

exemplo de aplicação da destilação a obtenção do oxigênio puro, usado na fabricação do

aço, nos foguetes e nas aplicações médicas, é produzido pela destilação do ar que foi

previamente liquefeito. Outro exemplo é a destilação do petróleo cru que é separado

inicialmente em diversas frações (como os gases leves, anafta, a gasolina, o querosene, os

óleos combustíveis, os óleos lubrificantes e o asfalto).

2.2- Equipamento de Destilação

Na Figura 17,1 mostra uma planta para destilação contínua. Na caldeira é

alimentado continuamente com uma mistura líquida a ser destilado. O líquido é

parcialmente convertido em vapor pelo calor transferido do B. superfície de aquecimento O

vapor formado no cilindro é mais rica no componente mais volátil que iíquido unvaporized,

mas com excepção de que os dois componentes têm volatilidades diferentes, o vapor irá

conter quantidades substanciais de ambos os componentes, de modo que se condensa, o

condensado ser mais distante longe de ser um componente puro. Para aumentar a

concentração do componente mais volátil no vapor, a corrente de vapor a partir do re-

ebulidor é colocado, por sua vez em contacto com a corrente de ebulição líquido que flui

para baixo da coluna ou torre C.

Este líquido tem de ser mais rico no componente mais volátil, de modo a

transferência de massa ocorre componente mais volátil do líquido em que o vapor em cada

etapa da coluna. O líquido pode condensando o vapor obtido simplesmente cabeça e

retornando alguns líquido no topo da coluna. Este retorno líquido recebe refluxo nome. A

utilização de refluxo aumenta a pureza do produto de cabeça, mas sem qualquer custo

adicional, uma vez que o vapor gerado no refervedor deve proporcionar tanto a sobrecarga

como refluxo, eo custo de esta energia é uma parte importante do custo da separação

destilação.

O refluxo que entra no topo da coluna está com frequencia na temperatura de

ebulição, mas se ele está frio, é aquecida quase imediatamente até a sua temperatura de

ebulição através do contato com o vapor. No resto da coluna o líquido e de vapor estão nas

suas temperaturas de ebulição e de condensação, respectivamente, e temperatura aumenta

na medida que vao descendo pela coluna devido ao aumento da concentração de

componente menos volátil e, em alguns casos, por causa do aumento de pressão.

O enriquecimento da passagem de fluxo de vapor através da coluna em contacto

com o refluxo é chamado de retificação. Não importa de onde refluxo se origina desde que

a sua concentração no componente mais volátil é suficientemente grande para se obter o

produto desejado. A fonte usual de refluxo é o condensado que deixar o condensador D.

Parte do condensado é retirado como produto, enquanto o restante é retornado para o topo

da coluna. Às vezes o refluxo é gerado por condensação parcial da sobrecarga de vapor,

caso em que o refluxo tem uma composição diferente da do vapor que deixa como produto

de cabeça. Desde que não formam um azeótropo, o vapor atinge o condensador pode ter

uma pureza tão grande como desejado usando uma torre suficientemente elevado e um

refluxo elevada.

2.3- Métodos de destilação

Na prática, a destilação pode ser realizada de acordo com dois métodos principais.

O primeiro método baseia-se na produção de vapor por ebulição da mistura de líquido a ser

separada e condensação dos vapores sem permitir que o fluido retorne à caldeira, Isto é, não

há refluxo.

O segundo método é baseado no retorno de uma parte do condensado para a coluna,

em condições tais que os retornos líquidos define em contacto íntimo com os vapores

ascendentes para o condensador. Qualquer método pode ser realizado de forma continua ou

descontinua. Em nosso estudo veremos de forma sucita os processos de destilação contínua

em estado estacionário, incluindo a vaporização parcial em uma única etapa sem refluxo

(flash destilação) e destilação contínua com refluxo (retificação).

2.3.1- Destilação flash

A destilação flash consiste na vaporização de uma fração definida de líquido, de

uma maneira que o vapor formado esteja em equilíbrio com o líquido residual, a separação

de vapor do líquido, e condensação subsequente de vapor.

Figura 1 mostra os elementos de uma instalação de destilação flash. A alimentação é

feita através da boma a e através do aquecedor b, a alimentação tem sua pressão reduzida

na válvula c.

Uma mistura de vapor e líquido entra no separador d, no qual permanece tempo

suficiente para que ocorra a separação dos fluxos líquido e vapor. Devido ao contato grande

entre o líquido e o vapor antes da separação, as correntes que saem de ambos estão em

equilíbrio. O vapor sai através da linha j e o fluido sai através da linha g.

Considere 1 mol de uma mistura de dois componentes que são alimentados no

equipamento mostrado na Figura 18.1. Seja a concentração de alimentação xf, expressa

como a fração molar do componente mais volátil. Seja f a fração de moles da alimentação

que se vaporiza e que se retira continuamente como vapor. Portanto 1-f é a fração de moles

da alimentação que sai de forma continua como líquido. Sejam yd e yb as concentrações do

vapor e do líquido, respectivamente, a partir de um balanço de massa para o componente

mais volátil, baseado em 1 mol de alimentação, toda quantidade deste componente que

entra na alimentação tem que sair com os dois componentes.

Na Equação (18,1) existem duas incógnitas xb e y,. Para resolver a equação é

necessário ter uma relação entre as incógnitas. Esta relação é dada por

a curva de equilíbrio, onde Y e X são as coordenadas de um ponto do presente

curva. Se xb e y, são substituídas por X e Y, respectivamente, a Equação (18,1) pode

escrita como:

A fração f não é fixa, mas depende diretamente da entalpia de líquido quente de

entrada e da entalpia do líquido e vapor que deixam a camara de flash. Para uma dada

condição da alimentação, a fração f pode aumentar operando a uma pressão mais baixa.

A equação (18.2) é a equação de uma reta e que pode ser representada no diagrama

de equilíbrio. As coordenadas de interseção desta com a linha de equilíbrio são: x=xb e

y=yd. A interseção da linha do balanço de massa e da linha diagonal é adequado para

utilização como um ponto de linha de referencia. Tomando x = xf

Na equação (18.2), se obtem:

de onde y = xf = x. A linha do balanço de massa corta a diagonal em x = xf para todos os valores de f:

2.3.2- Destilação contínua com refluxo (retificação)

A destilação flash é essencialmente utilizada para a separação de componentes de

diferentes pontos de ebulição. Não é eficaz na separação de componentes com volatilidade

comparável, uma vez que tanto o vapor condensado como os componentes líquidos

residuais estão longe de serem puros. Usando muitas destilações sucessivas pode obter

pequenas quantidades de componentes quase puro, mas este método é muito pouco eficaz

para separações de destilação industriais onde são desejados que os componentes sejam

quase puros. Os métodos modernos, tanto no laboratório e na indústria, utilizando a base da

retificação.