Aula 1 - Operações unitárias, definição, classificação e princípios PDF

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Summary

O resumo desta aula engloba os conceitos e explicações introdutórias acerca do que será abordado durante o desenvolvimento da disciplina. São eles, a definição de operações unitárias, suas classificações, exemplos e aplicações de cada classificação e os princípios fundamentais de conservação de mass...

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PQI0409 Operações Unitárias da Indústria Química IV - 2018 O que são operações unitárias? Conceito introduzido pelo engenheiro químico Arthur Dehon Little que indica cada etapa sequencial numa linha de produção; operações físicas que independem do que está sendo processado, mas que, eventualmente, podem envolver reações químicas; operações físicas necessárias à viabilização econômica de um processo químico. Exemplos: transferência de massa, transporte de sólidos e líquidos, destilação, cristalização, evaporação, secagem etc. Seu estudo permite ao engenheiro químico: - Escolher ou criar equipamentos que o processo precisa; - Dimensionar equipamentos para novas instalações; - Verificar capacidades e condições de operação de equipamentos existentes quando submetidos a novas condições de processo; - Especificar esses equipamentos, quanto a materiais, sentidos de fluxo, detalhes internos, meios de controle, localização na planta, etc; - Realizar avaliação econômica do processo selecionado.

As técnicas de projeto de operações unitárias são baseadas em princípios, teóricos e empíricos, de transferência de massa, transferência de calor, transferência de quantidade de movimento, termodinâmica, biotecnologia e cinética química. As operações unitárias dividem-se e 5 classes: 1. Processos de escoamento de fluidos, como transporte de fluido, filtração, fluidização sólida; 2. Transferência de calor, como evaporação, condensação; 3. Transferência de massa, como o transporte em tubos, mas também absorção gasosa, destilação, extração, adsorção, secagem;

4. Procesos termodinâmicos, como liquefação gasosa, refrigeração; 5. Processos mecânicos, como transporte de sólidos, triturar, peneiramento e separação.

OPERAÇÕES UNITÁRIAS DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA São as operações que envolvem a separação de líquidos miscíveis. • Propriedades das soluções → principalmente as diferenças entre os pontos de ebulição. • Principais Operações de Transferência de Massa: - Destilação; - Absorção – soluções líquido-gás; - Adsorção; - Extração líquido-líquido; - Cristalização; - Troca iônica; - Secagem de sólidos.

OPERAÇÕES UNITÁRIAS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR São as operações de troca térmica entre fluidos. • Mecanismos de Troca de calor: - Condução: contato entre dois corpos fluidos - Convecção: mistura de fluidos - Radiação: ondas de calor • Principais Equipamentos para a realização da Transferência de Calor: trocadores de calor e evaporadores.

OPERAÇÕES UNITÁRIAS MECÂNICAS Transporte e armazenamento de fluidos: - Bombas: centrífugas (rotor) e de deslocamento positivo (pistão); - Válvulas (controle e bloqueio); - Linha de tubulações; - Medidores de vazão; - Vasos pressurizados. Separação de Fluidos: - Centrifugação; - Filtração. Operações Mecânicas envolvendo sistemas de sólidos granulares: - Fragmentação; - Transporte; - Peneiramento; - Mistura; - Armazenamento.

OPERAÇÕES UNITÁRIAS DE QUANTIDADE DE MOVIMENTO São as operações de transporte, separação e transporte de fluidos. Estas operações estudam os processos em que duas fases a velocidades diferentes estão em contato. • As operações incluídas nesta seção são geralmente divididos em três grupos: - Circulação interna de fluidos; - Circulação externa de fluidos;

- Movimento de sólidos dentro dos fluidos.

Circulação interna de fluidos Estudo do movimento de fluidos através do interior de uma tubulação. Também inclui o estudo de equipamentos usados para impulsionar os fluidos (bombas, compressores, sopradores e ventiladores) e os mecanismos utilizados para medir as propriedades dos fluidos (diafragmas, medidores de venturi, rotâmetros, etc). Circulação externa de fluidos O fluido circula pela parte externa de um sólido. Esta circulação inclui o fluxo de fluidos através de Leitos fluidizados e sistemas de transporte pneumáticos. Movimento de sólidos dentro dos fluidos É a base para a separação de sólidos de um fluido. Este tipo de separação inclui: sedimentação, filtração, ultrafiltração, entre outros.

Para o estudo das operações unitárias de transporte e de separação de fluidos, é importante o estudo da mecânica dos fluidos. Todos os fenômenos e conceitos mencionados anteriormente são baseados nas leis universais da conservação de massa e da conservação de energia.

BALANÇO DE MASSA PARA UM VOLUME DE CONTROLE A diferença das taxas temporais de fluxo de massa de entrada e de saída através do volume de controle definem um acúmulo positivo ou negativo de massa (ou igual a zero no caso de regime permanente):

𝑑𝑚𝑣𝑐 𝑑𝑡

=

𝑚

𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎

−

𝑚

𝑚

𝑠𝑎 í𝑑𝑎

𝑠𝑎 í𝑑𝑎

Em um regime permanente: 𝑚

𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎

=

BALANÇO DE ENERGIA PARA UM VOLUME DE CONTROLE É dado pela diferença das taxas líquidas de energia que está sendo transferida para dentro e para fora do volume de controle (calor e trabalho, respectivamente) somado à taxa líquida de energia transferida para o volume de controle devido ao fluxo de massa. 𝑑𝑚𝑣𝑐 𝑑𝑡

=𝑄

𝑣𝑐

−𝑊

𝑣𝑐

+

𝑚

+ 𝑔𝑧𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 2

𝑉𝑒 2 ℎ𝑒−+ 𝑚

𝑠𝑎í𝑑𝑎

2

𝑉𝑠 2 ℎ+𝑠 + 𝑔𝑧𝑠...