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  • 1. INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLÓGIA DE MATO GROSSO. CAMPUS FRONTEIRA OESTE/PONTES E LACERDA – PONTES E LACERDA – MT DEPARTAMENTO DE ENSINO. CURSO DE TÉCNICO INTEGRADO EM QUÍMICA.APOSTILA DE OPERAÇÕES ÚNITARIAS PROFESSOR: ADNALDO BRILHANTE PONTES E LACERDA – 2012. 1
  • 2.  INTRODUÇÃO A disciplina de Operações Unitárias é aquela que classifica e estuda, separadamente,os principais processos físico-químicos utilizados na indústria química. Os processos maiscomuns encontrados nas indústrias químicas são a Destilação Atmosférica e a Vácuo, osprocessos de Absorção e Adsorção, a Extração Líquido-Líquido e Líquido-Gás, oprocesso de Filtração, Transporte de Sólidos, Trituração, Separação, Evaporação,Resfriamento, Secagem, Cristalização, etc. De uma forma geral, uma operação unitária é aquela etapa física de um processoindustrial e que, portanto, não envolve a ocorrência de transformações químicas.@ Tipos de Operações Unitárias- Mecânicas - Transferência de Massa - Transferência de Calor. OPERAÇÕES UNITÁRIAS MECÂNICAS São as operações de transporte, separação e transporte de fluidos. Definição de Fluidos: A matéria se apresenta basicamente em três fases de agregação: sólida, líquida egasosa. As fases líquida e gasosa são chamadas de fluidas, pois apresentam a propriedade dese deformarem continuamente quando é aplicada sobre elas uma força tangencial,denominada “tensão de cisalhamento”. Em outras palavras, um material fluido é aquele queapresenta a propriedade de escoar. Conceito Básico de Mecânica dos Fluidos: Para o estudo das Operações Unitárias de transporte e de separação de fluidos, éimportante o estudo da Mecânica dos Fluidos, ou seja, o estudo do comportamento dessesfluidos quando submetidos à ação de uma força.As características mais importantes para o dimensionamento de equipamentos de processossão a viscosidade e a pressão do fluido. Transporte e Armazenamento de Fluidos: São realizados por:- Bombas: centrífugas (rotor) e de deslocamento positivo ( pistão )- Válvulas (controle e bloqueio)- Linha de tubulações- Medidores de vazão- Vasos pressurizados. Separação de Fluidos: Realizada por: - Centrifugação - Filtração. 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. OPERAÇÕES UNITÁRIAS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR São as operações de troca térmica entre fluidos:. Mecanismos de Troca de calor: 2
  • 3. - 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- Evaporadores CONCEITOS FUNDAMENTAIS Alguns conhecimentos são fundamentais para que se possa estudar de formaadequada à disciplina denominada Operações Unitárias, como conhecimentos sobreconversão de unidades, unidades que podem ser medidas lineares, de área, de volume, demassa, de pressão, de temperatura, de energia, de potência. Outro conceito-base para“Operações Unitárias” é o de Balanço, tanto Material quanto Energético.• Conversão de Unidades É necessário conhecer as correlações existentes entre medidas muito utilizadas naIndústria Química, como é o caso das medidas de temperatura, de pressão, de energia, demassa, de área, de volume, de potência e outras que estão sempre sendo correlacionadas. Grandeza Unidade Símbolo Comprimento Metro M Massa Grama G Corrente Elétrica Ampère ATemperatura termodinâmica Kelvin K Quantidade de matéria Mol Mol Intensidade luminosa Candela CdAlguns exemplos de correlações entre medidas lineares1 ft (pé) =12 in (polegada). 1 in =2,54 cm 1 m =3,28 ft 1 m =100 cm = 1000 mm1 milha =1,61 km 1 milha =5.280 ft 1 km =1.000 mAlguns exemplos de correlações entre áreas1 ft2 = 144 in2 1 m2 = 10,76 ft2 1 alqueire = 24.200 m2 1 km2 = 103 m2Alguns exemplos de correlações entre volumes1 ft3 = 28,32 L 1 ft3 = 7,481 gal (galão). 1 gal = 3,785 L 1 bbl = 42 gal1 m3 = 35,31 ft3 1 bbl = 0,159 1 m3Alguns exemplos de correlações entre massas1 kg = 2,2 lb 1 lb = 454 g 1 kg = 1.000 g 1 t = 1.000 kgAlguns exemplos de correlações entre pressões1 atm = 1,033 kg.f/cm2 1 atm = 14,7 psi (lb.f/in2) 1 atm = 30 in Hg 1 atm = 10,3 m H2O1 atm = 760 mm Hg 1 atm = 34 ft H2O 1 Kpa = 10–2 kgf/cm2Algumas observações sobre medições de pressão:– Pressão Absoluta = Pressão Relativa + Pressão Atmosférica– Pressão Barométrica = Pressão Atmosférica– Pressão Manométrica = Pressão Relativa 3
  • 4. Alguns exemplos de correlações entre temperaturastºC = (5/9)(tºF – 32) tºC = (9/5)(tºC) + 32 tK = tºC + 273tR = tºF + 460 (temperaturas absolutas)Algumas observações sobre medições de temperatura:Zero absoluto = – 273ºC ou – 460ºFEntre 778 e 782 ft.lb.f (pés-libra-força).Alguns exemplos de correlações entre potências1 HP = 1,014 CV 1 HP = 42,44 BTU/min 1KW = 1,341 HP 1 HP = 550 ft.lbf/s1KW = 1 KJ/s 1 KWh = 3.600 J 1KW = 1.248 KVA (kilovoltampere)(unidades não oficiais como cavalo-vapor, cv (735,5W), horse power, hp (746,6W) e outrasunidades híbridas)Alguns exemplos de correlações de energia1 Kcal = 3,97 BTU 1BTU = 252 cal 1BTU = 778 ft.lb.f 1Kcal = 3,088 ft.lb.f1Kcal = 4,1868 KJ 1 cal = 4,18 J• Noção de Balanço Material e Balanço Energético- Balanço Material: se baseia na Lei de Lavoisier da Conservação das Massas: na naturezanada se destrói e nada se cria, tudo se transforma. Igual Massa que entra → PROCESSO → Massa que sai.- Balanço Energético: se baseia nas Leis Termodinâmicas da Conservação de Energia. Igual Energia que entra → PROCESSO → Energia que sai ELEMENTOS DE MECÂNICA DOS FLUIDOS• NOÇÕES DE HIDROSTÁTICA Hidrostática é o ramo da Física que estuda a força exercida por e sobre líquidos emrepouso. Este nome faz referência ao primeiro fluido estudado, a água, é por isso que, porrazões históricas, mantém-se esse nome. Fluido é uma substância que pode escoar facilmente,não tem forma própria e tem a capacidade de mudar de forma ao ser submetido à ação depequenas forças. Lembrando que a palavra “fluido” pode designar tanto líquidos como gases.ELEMENTOS DE HIDROSTÁTICA# Massa específica ou densidade absoluta (µ) A massa específica é uma característica da substância que constitui o corpo e é obtidapelo quociente entre a massa e o volume do corpo, quando este é maciço e homogêneo. Aunidade de massa específica no SI é o kg/m3, mas também é muito utilizada a unidade g/cm3.1 g/cm3 = 1000 kg/m3.Importante 4
  • 5. Densidade e densidade absoluta são grandezas físicas diferentes. Observe quepodemos obter qualquer uma das duas grandezas utilizando a fórmula acima, porém, sóteremos a densidade absoluta ou massa específica se o corpo em questão for maciço ehomogêneo, de outra forma, o que estaremos obtendo é uma característica do corpo chamadadensidade. - Massa específica ou densidade absoluta: característica da substância que compõeo corpo. - Densidade: característica do corpo. # Pressão Pressão é uma grandeza física obtida pelo quociente entre a intensidade da força (F) e a área (S) em que a força se distribui. No caso mais simples a força (F) é perpendicular à superfície (S) e a equação fica simplificada:A unidade de pressão no SI é o N/m2, também chamado de Pascal.Relação entre unidades muito usadas:1 atm = 760 mmHg = 101 N/m2.. Pressão de uma coluna de líquido A pressão que um líquido de massa específica m, altura h, num local onde a aceleraçãoda gravidade é g exerce sobre o fundo de um recipiente é chamada de pressão hidrostática e édada pela expressão: Se houver dois ou mais líquidos não miscíveis, teremos: Teorema de Stevin 5
  • 6. A diferença de pressão entre dois pontos, situados em alturas diferentes, no interior deum líquido homogêneo em equilíbrio, é a pressão hidrostática exercida pela coluna líquidaentre os dois pontos. Uma consequência imediata do teorema de Stevin é que pontos situadosnum mesmo plano horizontal, no interior de um mesmo líquido homogêneo em equilíbrio,apresentam a mesma pressão.Se o ponto A estiver na superfície do líquido, a pressão neste ponto será igual à pressãoatmosférica. Então a pressão P em uma profundidade h é dada pela expressão:Princípio de PascalA pressão aplicada a um líquido em equilíbrio se transmite integralmente a todos os pontos dolíquido e das paredes do recipiente que o contém.Prensa hidráulica:. EmpuxoEmpuxo é uma força vertical, orientada de baixo para cima, cuja intensidade é igual ao pesodo volume de fluido deslocado por um corpo total ouparcialmente imerso. .Na Esfera A: E > P A esfera A está em repouso, flutuando na superfície do líquido. Isto acontece quando a densidade do corpo é menor que a densidade absoluta do líquido e, neste caso, o empuxo recebido pelo corpo é maior que seu peso.Na Esfera B: E = P A esfera B está em repouso e totalmente imersa no líquido. Isto acontece quando adensidade do corpo é igual à densidade absoluta do líquido e, neste caso, o empuxo recebidopelo corpo é igual ao seu peso.Na Esfera: E + N = P A esfera C está em repouso, apoiada pelo fundo do recipiente. Isto acontece quando adensidade do corpo é maior que a densidade absoluta do líquido e, neste caso, o empuxo émenor que o peso do corpo. 6
  • 7. . Peso aparente É a diferença entre o peso do corpo e o empuxo que ele sofreria quando imerso nofluido.. Sistema de vasos comunicantes Para entender esse sistema, é importante pensar em um recipiente que possui algunsramos que são capazes de se comunicar entre si: Como podemos observar na figura acima, o recipiente está cheio com apenas um líquido em equilíbrio, portanto podemos concluir que: 1- A superfície que estiver sem líquido, será horizontal e irá atingir a mesma altura de h. 2-Quando os pontos do líquido estiverem na mesma altura z, a pressão do mesmo será igual.Portanto: Com isso pode-se concluir que esses fatos são denominados princípio dos vasos comunicantes.As duas propriedades acima (1 e 2), “percorrem” a Lei deStevin.Um outro exemplo, porém agora com dois líquidos homogêneos, representados por A e B eque não podem se misturar (imiscíveis): Se o sistema estiver em total equilíbrio e sob a ação da gravidade, conseguiremos igualar as pressões tanto no ponto 1 como no ponto 2 da figura acima, pois eles pertencem ao mesmo líquido, no caso pertencem ao líquido A, e consequentemente pertencem também ao mesmo plano horizontal.Portanto: Com isso pode- se concluir que as duas 7
  • 8. alturas líquidas da figura acima, que são medidas partindo de uma superfície de separação,são inversamente proporcionais ás próprias densidades.• NOÇÕES DE HIDRODINÂMICA A hidrodinâmica é o estudo de fluidos em movimento. É um dos ramos maiscomplexos da Mecânica dos Fluidos, como se pode ver nos exemplos mais corriqueiros defluxo, como um rio que transborda, uma barragem rompida, o vazamento de petróleo e até afumaça retorcida que sai da ponta acesa de um cigarro. Embora cada gota dágua ou partículade fumaça tenha o seu movimento determinado pelas leis de Newton, as equações resultantespodem ser complicadas demais. Felizmente, muitas situações de importância prática podemser representadas por modelos idealizados, suficientemente simples para permitir uma análisedetalhada e fácil compreensão.# ELEMENTOS DE HIDRODINÃMICAViscosidade É a propriedade dos fluidos que está associada à maior ou menor resistência que elesoferecem ao seu próprio escoamento. Esta resistência se explica pelo atrito interno que ocorreentre as moléculas que compõe o fluido, movimentando-se umas contras as outras, e por atritodessas moléculas com as paredes do recipiente que as contém. Os fluidos com alta viscosidade como o melado ou mel, fluem mais lentamente queaqueles com baixa viscosidade como a água. Todos os fluidos, líquidos e gases, têm certograu de viscosidade. Alguns materiais, como o piche, que parecem sólidos, são na realidadealtamente viscosos e fluem muito lentamente. O grau de viscosidade é importante em muitasaplicações. Por exemplo, a viscosidade do óleo do motor determina o quanto ele podeefetivamente lubrificar as partes de um motor de automóvel.Um escoamento simples está mostrado na figura abaixo para ilustrar a definição deviscosidade. ← τ F1 → escoamento →F1: força aplicada sobre a placa superior a favor do sentido de escoamento do fluido. F τ : força ou tensão de cisalhamento; τ = A dVV: velocidade de escoamento do fluido; V = dx• Lei de Newton para a viscosidade F dV F dV α => =κ . Ou τ α V => τ = κ . V (Lei de A dx A dxNewton)TIPOS DE VISCOSIDADE Viscosidade Dinâmica (κ)Está relacionada com a Lei de Newton, onde a constante ou coeficiente de proporcionalidade 8
  • 9. “τ” é denominada VISCOSIDADE ABSOLUTA ou VISCOSIDADE DINÂMICA. τ = κ·. V, onde κ → VISCOSIDADE ABSOLUTA ou VISCOSIDADE DINÂMICA. Os fluidos que obedecem a Lei de Newton para a Viscosidade, são denominados de“FLUIDOS NEWTONIANOS”. São fluidos que apresentam viscosidade constante.São exemplos de fluidos newtonianos: água, ar, óleo, glicerina, etc. Já os fluidos que nãoobedecem a Lei de Newton para a Viscosidade, são chamados de “FLUIDOS NÃONEWTONIANOS”. São fluidos que apresentam viscosidade variável. São exemplos defluidos não newtonianos: Ketchup, amido + água. Viscosidade Cinemática (η) k É aquela que se obtém quando se relaciona a viscosidade dinâmica (κ) com a massa específica (µ) do fluido: η= µ • Unidades de Viscosidade A unidade física de viscosidade no Sistema Internacional de Unidades é o pascal-segundo (Pa·s), que corresponde exatamente a 1 N·s/m² ou 1 kg/(m·s). Na França intentou-seestabelecer o poiseuille (Pl) como nome para o Pa·s, sem êxito internacional. Deve-se prestaratenção em não confundir o poiseuille com o poise, chamado assim pela mesma pessoa.Viscosidade Dinâmica A unidade no Sistema CGS de unidades para a viscosidade dinâmica é o poise (p),cujo nome homenageia a Jean Louis Marie Poiseuille. Sói ser mais usado o seu submúltiplo: ocentipoise (cp). O centipoise é mais usado devido a que a água tem uma viscosidade de1,0020 cp a 20 °C 1 poise = 100 centipoise = 1 g/(cm·s) = 0,1 Pa·s. 1 centipoise = 1 mPa·s.Viscosidade cinemática Obtém-se com o cociente da viscosidade dinâmica (ou absoluta) e a densidade. Aunidade no SI é o (m²/s). A unidade física da viscosidade cinemática no Sistema CGS é ostokes (abreviado S ou St), cujo nome provém de George Gabriel Stokes. Às vezes seexpressa em termos de centistokes (cS o cSt). 1 stokes = 100 centistokes = 1 cm²/s = 0,0001m²/s.Tabelas ilustrativas de Viscosidade: A tabela abaixo mostra os coeficientes de viscosidadede alguns líquidos (em poise). Glicerina (20oC) 8,3 o Água (0 C) 0,0179 Água (100oC) 0,0028 o Éter (20 C) 0,0124 Mercúrio (20oC) 0,0154 A tabela abaixo mostra os coeficientes de viscosidade de alguns gases (em poise). Ar (0oC) 0,000171 Ar (20oC) 0,000181 o Ar (100 C) 0,000218 Água (100oC) 0,000132 o CO2 (15 C) 0,000145Tabela para viscosidades cinemáticas aproximadas a 20ºC de alguns líquidos. Em centistokes(= 10−2 St = 10−6 m2/s).Líquido Água Leite Óleo Óleo Óleo Óleo Glicerina Óleo Mel Óleo 9
  • 10. SAE-1 SAE-3 SAE-5 combustível vegetal SAE-70 0 0 0ν (cSt) 1 4 16 43 110 440 650 1735 2200 19600• Medida ou determinação da viscosidade de um fluido Na prática, a determinação da viscosidade de um fluido, é feita através de uminstrumento denominado viscosímetro. Um viscosímetro, também designado porviscosímetro, consiste num instrumento usado para medição da viscosidade de um fluido. Existem diversos tipos de viscosímetros, de entre os quais se destacam pela suaimportância e aplicação industrial, o viscosímetro capilar ou viscosímetro de Ostwald, oviscosímetro de esfera em queda ou viscosímetro de bola e o viscosímetro rotativo. No que diz respeito ao primeiro, o viscosímetro capilar ou de Ostwald, é utilizado paralíquidos e baseia-se na determinação de alguns dos parâmetros relacionados com a fricçãodesenvolvida por um líquido quando este escoa no interior de um capilar. Este tipo de viscosímetro é essencialmente um tubo em U, sendo que um dos seusramos é um tubo capilar fino ligado a um reservatório superior. O tubo é mantido na vertical ecoloca-se uma quantidade conhecida de um líquido no reservatório, deixando-se escoar sob aação da gravidade através do capilar. A medida da viscosidade é o tempo que a superfície delíquido no reservatório demora a percorrer o espaço entre duas marcas gravadas sobre omesmo. O viscosímetro de esfera em queda ou de bola possibilita a medição da velocidade dequeda de uma esfera no seio de uma amostra de fluído, cuja viscosidade se pretendedeterminar. Este tipo de viscosímetro é baseado na lei de Stokes, enunciada pelo físico ematemático irlandês George Gabriel Stokes, que nasceu em Skreen a 13 de Agosto de 1819 eque faleceu em Cambridge a 1 de fevereiro de 1903. Este método consiste em diversos tubos contendo líquidos padrões de viscosidadesconhecidas, com uma bola de aço em cada um deles. O tempo que a bola leva A descer ocomprimento do tubo depende da viscosidade do líquido. Colocando-se a amostra num tubosemelhante, pode determinar-se aproximadamente a sua viscosidade por comparação com osoutros tubos. Finalmente, o viscosímetro rotativo é o mais usado na indústria e mede a forçade fricção de um motor que gira, devido a um sistema de pesos e roldanas, no seio de umfluído que se pretende estudar. . Imagens de Viscosímetros # Regimes de Escoamentos de Fluidos Inicialmente, vamosconsiderar apenas o que é chamado fluido ideal, isto é, um fluido incompressível e que nãotem força interna de atrito ou viscosidade. A hipótese de incompressibilidade é válida comboa aproximação quando se trata de líquidos; porém, para os gases, só é válida quando oescoamento é tal que as diferenças de pressão não são muito grandes. O caminho percorrido por um elemento de um fluido em movimento é chamado linha 10
  • 11. de escoamento. Em geral, a velocidade do elemento varia em módulo e direção, ao longo desua linha de escoamento. Se cada elemento que passa por um ponto tiver a mesma linha deescoamento dos precedentes, o escoamento é denominado estável ou estacionário.No início de qualquer escoamento, o mesmo é instável, mas, na maioria dos casos, passa a serestacionário depois de certo período de tempo. A velocidade em cada ponto do espaço, noescoamento estacionário, permanece constante em relação ao tempo, embora a velocidade deuma determinada partícula do fluido possa variar ao longo da linha de escoamento. Linha de corrente é definida como uma curva tangente, em qualquer ponto, que estána direção do vetor velocidade do fluido naquele ponto. No fluxo estacionário, as linhas decorrente coincidem com as de escoamento.# Tipos de Escoamento O movimento de fluidos pode se processar,fundamentalmente, de duas maneiras diferentes: – escoamentolaminar (ou lamelar); – escoamento turbulento.O escoamento laminar caracteriza-se pelo movimentoordenado das moléculas do fluido, e todas as moléculas que passam num dado ponto devempossuir a mesma velocidade. O movimento do fluido pode, em qualquer ponto, sercompletamente previsto. O escoamento turbulento é o contrário de o escoamento laminar. O movimento das moléculas do fluido é completamente desordenado; moléculas que passam pelo mesmo ponto, em geral, não têm a mesma velocidade e torna-se difícil fazer previsões sobre o comportamento do fluido. O escoamento turbulento não é interessante devido às desvantagens e perigos que sua presença pode acarretar. Quando um corpo se move através de um fluido, de modo a provocarturbulência, a resistência ao seu movimento é bastante grande. Por esta razão, aviões, carros elocomotivas são projetados de forma a evitar turbulência.#Vazão. Conceitos Básicos de Vazão O conceito de vazão é fundamental praticamente para todos os estudos dos fluidos,seja para uma instalação hidráulica de abastecimento, seja para o estudo de drenagem, sejapara o estudo de geração de energia através de turbina,para todos estes estudos o parâmetro inicial a serconhecido é a vazão.Conceito de Vazão em Volume ou SimplesmenteVazão (Q) Vazão é a quantidade em volume de fluidoque atravessa uma dada seção do escoamento porunidade de tempo. Nota: A determinação da vazãopode ser direta ou indireta; considera-se forma direta sempre que para a sua determinaçãorecorremos à equação de vazão é forma indireta quando recorremos a algum aparelho, comopor exemplo, Venturi, onde: , sendo a variação de pressão entre duas seções do aparelho,respectivamente uma de área máxima e uma de área mínima.Conceito de Vazão em Massa (Qm) 11
  • 12. Vazão em massa é a quantidade em massa do fluido que atravessa uma dada seção do escoamento por unidade de tempo. Nota: O conceito de vazão em massa é fundamental para o estudo de escoamentos onde a variação de temperatura não é desprezível.Conceito de Vazão em Peso (QG) Vazão em peso é a quantidade de peso dofluido que atravessa uma dada seção do escoamentopor unidade de tempo.Relação entre Vazão em Peso (QG), Vazão em Massa (Qm) e Vazão em Volume (Q) Para obtenção desta relação, evocamos os conceitos de peso específico (γ = G/V) emassa específica (ρ = m/v), através dos mesmos, obtemos a relação deseja. . Unidades de QG, Qm e Q Para que possamos evocar as suas principais unidades, introduzimos inicialmente assuas equações dimensionais.Conhecendo-se as equações dimensionais, podemos estabelecer as suas principais unidades,por exemplo: .Cálculos da vazão São ainda muito usadas as unidades litro por segundo e metro cúbico por hora (m 3/h).Se tivermos num condutor um fluido em escoamento uniforme, isto é, o fluido escoando comvelocidade constante, a vazão poderá ser calculada multiplicando-se a velocidade (v) dofluido, em dada seção do condutor, pela área (A) da seção considerada, ou seja: Q = A .vPara demonstrar, suponha-se um condutor de seção constante: O volume escoado entre as seções (1) e (2) de área A é igual : V = A . L , onde : L = v.t (movimento uniforme), e daí tem-se que: V = A .v.t 12
  • 13. VComo Q = , tem-se : Q = A . v t. Exemplos práticos1) Um condutor de 20 cm2 de área de secção reta despeja gasolina num reservatório. Avelocidade de saída da água é de 60 cm3/s. Qual a vazãodo fluido escoado?Resolução:Sabemos que a vazão Q é dada por Q = V/T ou Q = AvNeste caso, torna-se evidente que devemos usar a relaçãoQ = Av, porque conhecemos a velocidade do fluido e aárea da secção reta do condutor.V = 60 cm3/s A = 20 cm2 Q = A.v Q = 20 x 60Q = 1.200 cm3/s. Suponha que, no exemplo, o reservatório tenha 1.200.000 cm3 decapacidade. Qual o tempo necessário para enchê-lo?Resolução:Temos V = 1.200.000 cm3 Q = 1.200 cm3/s T = ?Aplicando a relação Q = V/ t, tiramos t = V/Q t = 1.200.000/1.200 t = 1.000 segundos.t = 16 minutos 40 s 2) Uma bomba transfere óleo diesel em um reservatório à razão de 20 m3/h. Qual é o volume do reservatório, sabendo- se que ele está completamente cheio após 3 horas de funcionamento de bomba ? Resolução: Temos que Q = 20 m3/h t = 3 h V = ? Q = V/ t => V = Q x t V = 20 x 3 V = 60 m3Equação da continuidade nos escoamentosDizemos que um fluido encontra-se escoando em regime permanente quando a velocidade,num dado ponto, não varia com o tempo. Assim, considerando vários pontos quaisquer no interior de um fluido, estes estarão em regime permanente, desde que toda partícula que chegue a cada um desses pontos, passe com a mesma velocidade e na mesma direção. Porém não há obrigação que as velocidades sejam iguais em todos os pontos. O importante é que toda partícula que passe por cada um deles isoladamente tenha a mesma velocidade.Se unirmos os pontos da figura acima, teremos trajetória de qualquer partícula que tenhapassado pelo ponto mais baixo da curva. Esta trajetória é conhecida pelo nome de Linha de Corrente. Suponha-se, agora, um fluido qualquer escoando em regime permanente no interior de um condutor de secção reta variável. A velocidade do fluido no ponto A1 é V1, e no ponto A2 é V2. A1 e A2 são áreas da secção reta do tubo nos dois pontos considerados. Já foi visto que Q = V/ t e Q = Av, portanto pode-se escrever que: V/ t = Av V = A v t 13
  • 14. Sabe-se, ainda, que a massa específica é definida pela relação:μ = m/V m = μV m = μAvtPode-se, então, dizer tendo em vista esta última equação, que a massa de fluido passandoatravés da secção A1 por segundo é m = μ1A1v1; e que a massa de fluido que atravessa asecção A2, em cada segundo é igual a m = μ2A2v2. Está sendo supondo aqui que a massaespecífica do fluido varia ponto a ponto no interior do tubo. A massa de fluido, porém,permanece constante, desde que nenhuma partícula fluida possa atravessar as paredes docondutor.Portanto, é possível escrever: μ1.A1.v1 = μ2.A2.v2 Esta é a Equação da Continuidade nos escoamentos em regime permanente. Se ofluido for incompressível, não haverá variação de volume e, portanto, μ1 = μ2 e a Equação daContinuidade toma uma forma mais simples, qual seja A1.v1 = A2.v2 ou Q1 = Q2.Esta relação mostra que onde a área da secção do condutor for maior, a velocidade deescoamento da massa fluida é menor e vice-versa.Exemplos práticos1) Um duto de secção retangular possui um estreitamento cuja área de secção é de 100 cm2.Certo líquido flui no duto à razão de 90 litros/min. Calcular a velocidade do líquido noestreitamento. Resolução: O problema fornece vazão do líquido no interior do duto em suaparte mais larga. Sabe-se que:Q1 = Q2Q1 = A2 v2 Logo, v2 = Q1/A2 Deve-se estar atentos para as unidades.Trabalhemos no sistema CGS.Q1 = 90 l/ min = 90 dm3/60s = 90.000 cm3/60sQ1 = 1.500 cm3/s v2 = Q1/A2V2 = 1.500/100V2 = 15 cm/s2) Calcular a velocidade do fluido na parte mais larga do condutor mostrado na figura abaixo:v1 = 5 ,0 cm/s v2 = ? A1 = 40 cm2 A2 = 150 cm2 Aplica-se a Equação da Continuidade: A1.v1 A1. V1 = A2. V2 => v2 = A2 40x5 200 => v2 = => v2 = = 1,3 cm / s 150 150Número de Reynolds (NR) Quando a velocidade de um fluido que escoa em um tubo excede certo valor crítico,o regime de escoamento passa de lamelar para turbulento, exceto em uma camadaextremamente fina junto à parede do tubo, chamada camada limite, onde o escoamentopermanece laminar. Além da camada limite, onde o escoamento é turbulento, o movimento dofluido é altamente irregular, caracterizado por vórtices locais e um grande aumento naresistência ao escoamento. O regime de escoamento, se lamelar ou turbulento, é determinadopela seguinte quantidade adimensional, chamada Número de Reynolds: NR = r D v / κOnde r é a densidade do fluido, κ, seu coeficiente de viscosidade, v, o módulo da suavelocidade média de escoamento para frente e D, o diâmetro do tubo. Esta velocidade média é definida como a velocidade uniforme em toda a seção retado tubo que produz a mesma vazão. Verifica-se experimentalmente que o escoamento de umfluido qualquer é:• Lamelar se NR < 2.000 14
  • 15. • Turbulento se NR > 3.000• Instável, isto é, mudando de um regime para outro, se 2.000 < NR < 3.000 Por exemplo, a 20oC, κ = 1 x 10-2 poise para a água. Em um tubo de 1 cm dediâmetro, o módulo da velocidade média máxima de escoamento laminar é v = 20 cm/s. E oescoamento é turbulento para velocidades médias de escoamento acima de 30 cm/s. Para o ar a 20oC, κ = 1,81 x 10-4 poise. Em um tubo de 1 cm de diâmetro, o móduloda velocidade média máxima de escoamento laminar é v = 278 cm/s. E o escoamento éturbulento para velocidades médias de escoamento acima de 420 cm/s. Com a Lei de Stokes viu-se que a força resistiva sobre uma esfera que se move emum fluido viscoso com uma velocidade não muito grande é proporcional ao módulo destavelocidade. Por outro lado, a força resistiva sobre qualquer objeto sólido que se move em umfluido viscoso com velocidades maiores é aproximadamente proporcional ao módulo davelocidade ao quadrado. Reynolds, estudando a causa destas duas diferentes leis de atrito nosfluidos, descobriu que a mudança da lei de primeira potência para a de segunda potência nãoera gradual, mas sim, brusca, e ocorria, para qualquer fluido dado e qualquer aparato demedida, sempre na mesma velocidade crítica. Reynolds mostrou experimentalmente que estamudança acontecia simultaneamente com a mudança no regime do escoamento do fluido noaparato de medida, de laminar para turbulento. O experimento consistia em introduzir um fio de líquido colorido no centro de umtubo através do qual o mesmo líquido, sem corante, escoava com uma velocidade controlada. As baixas velocidades de escoamento, o fio de líquido colorido permanecia reto e contínuo pelo comprimento do tubo e quando certa velocidade crítica era atingida, a linha colorida era violentamente agitada e sua continuidade destruída por curvas e vórtices, revelando assim fluxo turbulento. Exatamente nesta velocidade crítica é que a lei de atritono fluido passava de uma lei de primeira potência para uma de segunda potência.# Perda de Carga$ Conceito Quando um líquido escoa de um ponto para outro no interior de um tubo, ocorrerásempre uma perda de energia, denominada perda de pressão (Sistemas de ventilação ouexaustão) ou perda de carga (Sistemas de bombeamento de líquidos). Esta perda de energia édevida principalmente ao atrito do fluído com uma camada estacionária aderida à paredeinterna do tubo. O emprego de tubulações no transporte de fluídos pode ser realizado de duasformas: tubos fechados e canais abertos. Em suma, perda de carga é a energia perdida pelaunidade de peso do fluido quando este escoa. No cotidiano a perda de carga é muito utilizada,principalmente em instalações hidráulicas. Por exemplo, quanto maior as perdas de cargas emuma instalação de bombeamento, maior será o consumo de energia da bomba. Para estimar oconsumo real de energia é necessário que o cálculo das perdas seja o mais preciso possível. No caso de escoamentos reais, a preocupação principal são os efeitos do atrito. Estesprovocam a queda da pressão, causando uma "perda", quando comparado com o caso ideal,sem atrito. Para simplificar a análise, a "perda" será dividida e distribuída (devidas ao atritoem porções de área constante do sistema) e localizadas (devidas ao atrito através de válvulas,tês, cotovelos e outras porções do sistema de área não constante). Como os dutos de seçãocircular são os mais comuns nas aplicações de engenharia, a análise básica será feita para 15
  • 16. geometria circular. Os resultados podem ser estendidos a outras formas pela introdução dodiâmetro hidráulico. A perda de carga total (Hp) é considerada como a soma das perdasdistribuídas (hf) devidas aos efeitos de atrito no escoamento completamente desenvolvido emtubos de seção constante, com as perdas localizadas (hs) devidas a entradas, acessórios,mudanças de área etc. Consequentemente, consideram-se as perdas distribuídas e localizadasem separado.Em resumo: A Perca de Carga pode ser definida como sendo a perda de energia que o fluido sofredurante o escoamento em uma tubulação. É o atrito entre o fluido (no nosso caso a água) e atubulação, quando o fluido está em movimento. É a resistência ao escoamento devido ao atrito entre o fluido e a tubulação, mas quepode ser maior ou menor devido a outros fatores tais como o tipo de fluido (viscosidade dofluido), ao tipo de material do tubo (um tubo com paredes rugosas causa maior turbulência), odiâmetro do tubo e a quantidade de conexões, registros, etc. existentes no trecho analisado.Variáveis Hidráulicas que influem na Perda de CargaI. Comprimento da tubulação (l)Quanto maior o comprimento da tubulação,maior a perda de carga. O comprimento édiretamente proporcional à perda de carga. Ocomprimento é identificado pela letra l (do inglêslength, comprimento). II. Diâmetro da tubulação (d) Quanto maior o diâmetro, menor a perda de carga. O diâmetro é inversamente proporcional à perda de carga. III. Velocidade (v): Quanto maior a velocidade do fluido, maior a perda de carga.IV. Outras variáveis: fator (f)a) Rugosidade: A rugosidade depende do material do tubo. Existem tabelas onde encontramosesses valores em função da natureza do material do tubo.b) Tempo de uso: O tempo de uso, ou seja, a idade do tubo também é uma variável a serconsiderada, devido principalmente ao tipo de material que for utilizado (ferro fundido, açogalvanizado, aço soldado com revestimento, etc.). O envelhecimento de um tubo provocaincrustações ou corrosões que poderão alterar desde o fator de rugosidade ou até o diâmetrointerno do tubo. 16
  • 17. c) Viscosidade do fluido A viscosidade, ou seja, o atrito intermolecular do fluido também influencia a perdade carga em um sistema. Líquidos com viscosidades diferentes vão possuir perdas de cargasdistintas ao passar dentro de uma mesma tubulação.#Expressões da Perda de Carga (J) I. Método Racional ou Moderno Em função das variáveis hidráulicas apresentadas e utilizando o chamado método moderno ou racional, Darcy e Weisbach chegaram à expressão geral da perda de carga válida para qualquer líquido onde: J = Perda de Carga / l = comprimento / d = diâmetro / f = fator - viscosidade, rugosidade, idade do tubo, etc.II. Método Empírico Esse método consiste em aplicar uma fórmula empírica criada para água em umatubulação feita com determinado material. Dentre as várias fórmulas criadas com essemétodo, muitas vezes se adota a fórmula de Fair-Whipple-Hsiao (FWH), pois é a que melhorse adapta a muitos projetos, como os para tubulações em PVC de até 100 mm de diâmetro. J = 8,69 x 106 x Q x 101,75 x d -4,75#Tipos de Perda de CargaAs perdas de carga podem ser de dois tipos: I. Normais As perdas de cargas normais ocorrem ao longo deum trecho de tubulação retilíneo, com diâmetro constante.Se houver mudança de diâmetro, muda-se o valor da perdade carga.II. Acidentais ou localizadas As perdas de carga acidentais ou localizadas são as perdas que ocorrem nas conexões(curvas, derivações), válvulas (registros de gaveta, registros de pressão, válvulas de descarga)e nas saídas de reservatórios. Essas peças causam turbulência, alteram a velocidade do fluido,aumentam o atrito e provocam choques das partículas líquidas. O método que será utilizado para calcular as perdas de carga localizadas é o método dos comprimentos equivalentes ou virtuais. Em uma tabela já existem todas as conexões e válvulas nos mais diversos diâmetros e a comparação com a perda de carga normal em uma tubulação de mesmos diâmetros. Por exemplo: A perda de carga existente em um registro de gaveta aberto 17
  • 18. de 20 mm equivale à perda de carga existente em um tubo de PVC de 20 mm (mesmodiâmetro) com 0,20 m de comprimento: Princípio de Bernoulli ouEquação de Bernoulli O Princípio de Bernoulli, também denominado Equação de Bernoulliou Trinômio de Bernoulli, ou ainda Teorema de Bernoulli descreve o comportamento deum fluido movendo-se ao longo de uma linha de corrente e traduz para os fluidos o principioda conservação da energia. Foi exposto por Daniel Bernoulli em sua obra Hidrodinâmica (1738) e expressa quenum fluido ideal (sem viscosidade nem atrito) em régime de circulação por um condutofechado, a energia que possui o fluido permanece constante ao longo de seu percurso. Aenergia de um fluido em qualquer momento consta de três componentes:1 – Cinética: é a energia devida à velocidade que possua o fluido.2 – Potencial gravitacional: é a energia devida à altitude que um fluido possua.3 – Energia de fluxo: é a energia que um fluido contém devido à pressão que possui.A seguinte equação conhecida como “Equação de Bernoulli” (Trinômio de Bernoulli)consta destes mesmos termos. Onde: * V = velocidade do fluido na seção considerada. * g = aceleração gravitacional* z = altura na direção da gravidade desde uma cota de referência. *P = pressão ao longo dalinha de corrente. ρ = densidade do fluido.Para aplicar a equação deve-se realizar as seguintes suposições:* Viscosidade (atrito interno) = 0, ou seja, se considera que a linha de corrente sobre a qual seaplica se encontra em uma zona ‘não viscosa’ do fluido.* Caudal constante * Fluxo incompressível, onde ρ é constante.* A equação se aplica ao longo de uma linha de corrente ou em um fluxo irrotacional.Sob determinadas condições, é possível fazer a simplificação da Equação de Bernoulli,chegando-se a Equação de Torricelli, aplicada ao escoamento de fluidos através de pequenosorifícios: v = 2 gHEXERCÍCIOS RESOLVIDOS DE APLICAÇÃO – Hidrostática / Hidrodinâmica; vazãoe perda de carga.1) Qual a pressão manométrica dentro de uma tubulação onde circula ar se o desnível do nível do mercúrio observado no manômetro de coluna é de 4 mm? Considere: densidade do Mercúrio = ρhg = 13600 kg/m3 e aceleração gravitacional g = 9,81 m/s2 Resolução: 18
  • 19. Observando o Princípio de Stevin, calculamos a pressão manométrica da tubulaçãoatravés da seguinte equação:pmanométrica = ρhg . g . h = 13600 x 9,81 x 0,004 = 533,6 PaA pressão absoluta é a soma dessa pressão com a pressão atmosférica (101325 Pascals).2 ) Qual a vazão de água (em litros por segundo) circulando através de um tubo de 32 mm dediâmetro, considerando a velocidade da água como sendo 4 m/s? Lembre-se que 1 m3 = 1000litros. Resolução: Primeiramente, calcula- se a área da secção transversal do tubo: Agora, pode-se determi- nar a vazão no tubo:Vazão = V. A = 4 x 0,000803 = 0,0032 m3 /s x 1000 = 3,2 L/s3 ) Qual a velocidade da água que escoa em um duto de 25 mm se a vazão é de 2 litros/s?Solução: Vazão = V. ALogo: V = Vazão / ALogo, V = 0,002/0,00049 = V = 4,08 m/s4 ) Qual a velocidade da água através de um furona lateral de um tanque, se o desnível entre ofuro e a superfície livre é de 2 m ?Resolução: Utilizando a equação de Bernoullisimplificada e considerando z1 = 2 m e g = 9,81m/s2, podemos calcular a velocidade da água pelaequação a seguir: 5 – Qual a perda de cargaem 100 m de tubo liso de PVC de 32 mm de diâmetro por onde escoa água a uma velocidadede 2 m/s?Resolução: Inicialmente devemos calcular o Número de Reynolds:Com o número de Reynolds e o Diagrama de Moody, obtemos para o tubo liso que o fator deatrito f = 0,02. 19
  • 20. 6 ) Qual a perda de carga no tubo?Considere: tubo liso PVCυágua = 1,006 x 10-6 m2/s Vágua = 5 m/s ρágua = 1000 kg/m3Resolução: Cálculo do número de Reynolds:Cálculo da perda de carga: Com o número de Reynolds, podemos agora obter o fator de atritoatravés do diagrama de Moody, onde se obtém o fator de atrito f = 0,095.FUNDAMENTOS DE BALANÇO DE MATERIAL A natureza impõe certas restrições às transformações químicas e físicas de matéria,que precisam ser levadas em conta quando projetamos um novo processo ou analisamos um jáexistente. Uma dessas restrições é o princípio da conservação da massa ou Princípio deLavoisier, segundo o qual nada pode ser criado ou destruído, apenas transformado (a menosdas reações nucleares). Se em um dado processo 120g de enxofre estão contidos no carvãodiariamente queimado em uma caldeira, esta mesma quantidade de enxofre por dia deixará acâmara de combustão de uma forma ou de outra. A análise química das cinzas ou da fuligem(gases de chaminé ou fumos) revelará a quantidade de enxofre em cada uma dessassubstâncias. Mas necessariamente, a soma das duas quantidades deverá ser igual a 120g. Pararelacionar-se as quantidades de matéria envolvidas em um dado processo, o engenheirorealiza um balancete ou uma contabilidade das massas totais e de cada componente, tendoemente o princípio da conservação da massa. Esta técnica é chamada de balanço de massa oude material.Classificação dos Processos 20
  • 21. Os processos químicos podem ser classificados em batelada, contínuos ou semi-contínuos. A classificação se baseia no procedimento de entrada e saída dos materiais.Processos em Batelada: A alimentação é introduzida no sistema de uma só vez, no início do processo e todosos produtos são retirados algum tempo depois. Nenhuma massa atravessa a fronteira dosistema no intervalo de tempo decorrido entre a alimentação e a remoção dos produtos.Exemplo: adição instantânea de reagentes em um tanque e remoção dos produtos reagentesnão consumidos algum tempo depois, quando o sistema atingiu o equilíbrio; panela depressão; cozimento de pão; preparação de uma vitamina em um liquidificador.Processos Contínuos: A alimentação e os produtos fluem continuamente enquanto dura o processo. Hácontínua passagem de matéria através das fronteiras do sistema. Exemplo: Bombeamento deuma mistura de líquidos a uma vazão constante a um tanque e retirada dos produtos na mesmavazão constante. Evaporador (processo industrial) de suco de laranja.Processos Semi-Contínuos: A entrada de material é praticamente instantânea e a saída é contínua, ou vice-versa.Há passagem contínua de matéria através de uma única fronteira (entrada ou saída) doprocesso. Exemplo: a) adição contínua de líquidos em um tanque misturador, do qual nada éretirado. b) escape de gás de um bujão pressurizado. c) tanque de combustível. Os processos também são classificados em relação ao tempo, como estadoestacionário ou transiente.Processos em estado estacionário ou regime permanente Se os valores de todas as variáveis de processo (todas as temperaturas, pressões,concentrações, vazões, etc.) não se alteram com o tempo (a menos de pequenas flutuações) oprocesso é dito que opera em estado estacionário ou regime permanente.Estado Transiente (ou não permanente) São aqueles processos onde ocorrem alterações dos valores das variáveis de processocom o tempo. Os processos em batelada e semi-contínuos, pela sua natureza, são operaçõesem estado transiente, já que ambos os casos há alteração das variáveis ao longo do tempo. Noexemplo dos reagentes colocados no tanque de forma instantânea, haverá em cada tempo aalteração da composição do sistema, além das decorrentes alterações de pressão, temperatura,volume, etc. No caso do escape de gás do botijão, haverá alteração da massa e da pressãodentro do sistema com o tempo. Os processos contínuos, no entanto, podem ocorrer tanto emregime permanente quanto em transiente. Se um dado ponto do sistema as variáveisalterarem-se com o tempo, o regime será transiente. Mas, se naquele ponto, não houveralteração, o regime será permanente, mesmo que essas variáveis tenham valores diferentes emum e outro ponto do mesmo sistema, mas também aí constantes no tempo. Consideremos o exemplo da parede de um forno de cozimento dentro da qual atemperatura é igual a 200°C. A temperatura do lado externo é ambiente (25°C). Quando seinicia o aquecimento do forno, a temperatura da parede interna será de 200°C e da externa25°C. Com o decorrer do tempo, a temperatura da parede externa irá aumentando até atingiruma temperatura final de 40°C, por exemplo, e a partir daí estabilizar-se-á e se formará umperfil de temperaturas definido em função das propriedades do material que compõe omaterial. Então até que a temperatura atinja esse valor inicial, o processo é transiente, pois atemperatura variou neste ponto (parede externa) com o tempo. Quando a temperatura da 21
  • 22. parede externanão mais sealterar, o regimeatingiu regimepermanente.Observemos quecontinuamentehaverá passagemde calor porquehá umadiferença de temperatura entre as duas faces da parede do forno, mas em qualquer posição daparede isolante do forno, a temperatura será constante com o tempo e o processo sedesenvolve em estado estacionário. Observemos que regime permanente não quer dizer equilíbrio. Num determinadoprocesso, se o equilíbrio for alcançado, cessará a passagem de calor (a figura acima). Os processos em batelada são comumente utilizados quando quantidadesrelativamente pequenas de um produto necessitam ser produzidas em dadas ocasiões. Osprocessos contínuos são usualmente desenvolvidos quando se necessitam de grandesproduções. Eles são normalmente operados em estado estacionário ocorrendo o estadotransiente na partida do processo (start-up) ou quando ele necessita ser intencionalmente ouacidentalmente reparado.Equação de Balanço Suponha que ao final de um dado mês você recebeu R$1000,00 de salário. PerdeuR$200,00, gastou R$700,00 e ganhou R$400,00 na loteria. A quantidade de dinheiroacumulado no final do mês será:Δ = dinheiro que entra por mês – dinheiro que desapareceu no mês= R$ (1000,00 + 400,00 - 200,00 - 700,00) = R$500,00:. Assim, neste mês você acumulouR$500,00. Suponhamos agora um processo contínuo onde entra e sai metano à vazão qe (kgCH4/h) e qs (kg CH4/h), respectivamente. As vazões foram medidas e constatou-se que qe é diferente de qs. Há cincoexplicações para este fato:1- Está vazando metano através do equipamento;2- O metano está sendo consumido como reagente;3- O metano está sendo gerado como produto;4- O metano está acumulando na unidade, possivelmente sendo absorvido em suas paredes;5- As medidas estão erradas. Se as medidas estão corretas, e não há vazamento, as demais possibilidades (uma ouambas) são responsáveis pela diferença constatada. Um balanço (ou contabilidade) de massa de um sistema (uma única unidade, váriasunidades ou o sistema como um todo) pode ser escrito na seguinte forma geral:SAI = ENTRA + GERADO – CONSUMIDO – ACUMULADO(através da fronteira) (através da fronteira) (dentro do sistema) (dentro do sistema) (dentro do sistema) Esta é a equação geral de balanço que pode ser escrito para qualquer material queentra ou deixa um sistema: pode tanto ser aplicada a massa total de componentes do sistema 22
  • 23. ou a qualquer espécie molecular ou atômica envolvida no processo. Nós podemos tambémescrever dois tipos de balanços:A) Balanços Diferenciais  São os balanços que indicam o que está acontecendo num dadosistema num dado instante. Cada termo da equação de balanço é expresso em termos de umavelocidade (taxa); e tem unidade da quantidade balanceada dividida pela unidade de tempo (gSO2 h; pessoa/ano; barris / dia). Este é o tipo de balanço usualmente aplicado a um processocontínuo.B) Balanços Integrais  São os balanços que descrevem o que acontece entre dois instantesde tempo (Δt). Cada termo da equação de balanço é então uma quantidade balanceada comsua respectiva unidade (gSO2; pessoas, barris) Este tipo de balanço é usualmente aplicado aprocessos em batelada, como os dois instantes de tempo sendo o momento imediatamenteapós a entrada da alimentação e o momento imediatamente anterior à retirada do produto. Os termos “gerado” e “consumido” se referem à produção ou consumo de matéria,relacionadas às transformações provocadas por reações químicas. Podem, portanto, seremsubstituídos pelo termo “reage”. Se um dado componente a ser balanceado estiver sendoproduzido no interior do sistema, o termo será positivo; caso contrário será negativo. Assim: SAI= ENTRA + REAGE – ACUMULA O acúmulo de massa, próprio dos sistemasem regime transiente, relaciona a taxa de aumento(ou diminuição) de matéria com o tempo (dmA/dt).Se em uma dada unidade de processo entram qAe(kg/s) de um dado componente “A” e saem qAs (kg/s) desse mesmo componente, havendo reaçãoquímica (consumo ou geração do componente) à taxa rA (kg/s), a equação se transformacomo na figura acima.BALANÇO TOTAL DE MASSA São os balanços envolvendo a massa total do conjunto de todos os componentes queentram e saem do sistema.@ Processos Contínuos  Num balanço total de massa, desaparecem os termos sobre ageração e consumo da equação geral, uma vez que a matéria não pode ser criada nemdestruída (a menos das reações nucleares). Isto porque, a produção de uma ou maissubstâncias é o resultado do consumo de outra ou mais substâncias. Assim duas alternativaspodem ocorrer:a) Estado não estacionário  SAI = ENTRA – ACUMULA Ou (dm/dt) = qe – qs (kg/s)b) Regime Permanente  Como não há acúmulo de matéria, a quantidade total de massa queentra deve necessariamente ser igual à quantidade que sai. Daí: ENTRA = SAI qs = qe (kg/s)@ Processos em Batelada  Pela própria natureza, esses processos se desenvolvem emregime transiente. Como qe = qs = 0, já que não há matéria atravessando a fronteira, vem: dm/dt = 0 MASSA FINAL = MASSA INICIALBALANÇO DE MASSA PARA UM COMPONENTE Consideremos que a espécie A participa de um dado processo. O balanço de massapara esta espécie depende de cada tipo de operação.@ Processos em Batelada:& Balanço para um componente com reação química  Da equação geral vem: SAI =ENTRA = 0, então: ACUMULA (A) = REAGE (A) e dmA/dt = rA& Balanço para um componente sem reação química:  Como ENTRA = SAI e REAGE =0, temos: dmA/dt = 0 e MASSA INCIAL DE A = MASSA FINAL DE A@ Processos Contínuos: 23
  • 24. & Balanço de um componente com reação química  a) em regime transiente: SAI (A) =ENTRA(A) + REAGE (A) – ACUMULA(A) Ou dmA/dt = qAe – qAs + rA É a própriaequação geral de balanço. Lembremos que se A é consumido, o sinal do termo de reação énegativo, se é produzido o sinal é positivo.b) em estado estacionário: SAI (A) = ENTRA (A) + REAGE (A) ou rA = qAe - qAs& Balanço de um componente sem reação química: Se não há reação química, então r = 0 e aequação anterior se transforma em a) em regime transiente: SAI (A) = ENTRA(A) –ACUMULA(A) ou dmA/dt = qAe – qAs.b) em regime permanente: SAI (A) = ENTRA (A) ou qAe = qAsPROCEDIMENTO PARA REALIZAÇAO DE CÁLCULOS DE BALANÇO DEMASSA Todos os problemas de balanço de material são variações de um único tema: dadosvalores de algumas variáveis nas correntes de entrada e saída, calcular os valores das demais.A resolução das equações finais é uma questão de álgebra, mas a obtenção destas equaçõesdepende do entendimento do processo. Alguns procedimentos facilitam esta tarefa de a partirda descrição do processo, montar-se as equações de balanço correspondentes.Indicação das variáveis no fluxograma Algumas sugestões para indicação das variáveis nos fluxogramas auxiliam oscálculos de balanço de material.1-Escreva os valores e unidades de todas as variáveis conhecidas sobre as linhas que indicamas correntes de processo. Quando isso é realizado para todas as correntes, você tem umsumário das informações conhecidas acerca do processo.2- Indique sobre as respectivas correntes as variáveis desconhecidas com os símbolosalgébricos e unidades.3- Se a vazão volumétrica de uma corrente é conhecida, é útil indicá-la no fluxograma naforma de uma vazão mássica ou molar, uma vez que os balanços não são normalmenteescritos em termos de quantidades volumétricas, pois frequentemente há variação dedensidade.4- Quando várias correntes de um processo estão envolvidas, é interessante numerá-las.Assim, as vazões mássicas podem ser indicadas por Q1, Q2, Q3, etc.Mudança de Escala e Base de Cálculo É fundamental checar o balanço, para certificar-se que a mudança de escala manteveo processo balanceado.Balanço Global ENTRA=SAI  Entra: 200 lbm /min e Sai: 100 + 100 lbm /minBalanço de massa para o benzeno Entra: 200 lbm / min x 0,6 lbm B / lbm = 120 lbm B /min e Sai: 100(0,9) + 100(0,3) = 120 lbm B /min Note que não podemos alterar a escala de massa para mol (ou vazão mássica paravazão molar) ou vice-versa através da simples multiplicação. Conversões deste tipo só podemser realizadas segundo o procedimento anteriormente realizado. Desde que um processo podeter sempre modificada sua escala, os cálculos de balanço de material podem ser realizados emqualquer base conveniente de quantidade de matéria ou de fluxo de matéria, e posteriormentealterados para uma escala desejada. O primeiro passo no procedimento de um balanço de umprocedimento é escolher uma quantidade (básica ou molar) ou vazão (mássica ou molar) deuma corrente ou de um componente de uma corrente como uma base de cálculo. Todas asvariáveis desconhecidas de uma corrente serão então determinadas relativas à base escolhida.Se uma quantidade ou vazão é fornecida, é mais conveniente utilizá-lo como base de cálculo;todos os cálculos subsequentes fornecerão automaticamente os valores corretos para o 24
  • 25. processo. Se nenhuma quantidade ou vazão é conhecida, deve-se assumir uma. Neste caso,escolhe-se uma quantidade de uma corrente com composição conhecida. Se a fração fornecidafor molar, escolhe-se uma quantidade (ou vazão) molar, em via de regra 100 mols, casocontrário escolhe-se uma quantidade mássica. Também nesse caso o número mais indicado é100 (100 kg; 100g, 100 lbm, etc.).RECICLO, BYPASS E PURGA Considere a reação química A→ R. É muito raro que ela se complete num reatorcontínuo. Tanto faz quanto A está presente no início da reação ou quanto tempo ele é deixadono reator. A é normalmente encontrado nos produtos (nem todo A reagiu). Suponha que sejapossível encontrar-se um modo de separar a maioria ou todo o A do produto R. Isto évantajoso se o custo de operação e alimentação compensar o custo da matéria-prima A. Nestasituação é interessante reciclar o reagente A (separado de R) para a entrada do reator. É importante distinguir-se com clareza (para efeito de balanço), a alimentação nova(fresh feed) da alimentação do reator (alimentação combinada). Esta última é a soma daalimentação nova com a corrente de reciclo. Uma operação também comum na indústria química é o desvio de uma parte dealimentação de uma unidade e a combinação dessa corrente chamada de “by-pass” com acorrente de saída daquela unidade. Um fluxograma típico é apresentado na Figura 3.13. Oprocedimento para o cálculo de balanço nesses processos com reciclo e by-pass é baseado nomesmo adotado para processos com múltiplas unidades. Outro procedimento adotado nas indústrias químicas consiste da purga, em que partede uma corrente que não interessa é separada da parte de corrente de interesse. Problemas envolvendo reciclo e purga de correntes são frequentemente encontradosna indústria química. As correntes de reciclo na engenharia química são usadas paraenriquecer um produto, para conservar energia, ou para reduzir custos operacionais. Sãovários exemplos industriais onde estas correntes podem estar presentes. Em processos físicosde separação podemos citar:a) em torres de destilação, parte do destilado retorna à torre como refluxo para enriquecer odestilado no componente mais leve, obtendo uma melhor qualidade do destilado, quantomaior for essa corrente de refluxo;b) em operações de secagem com ar, parte do ar efluente do secador é reciclado, misturando-se com o ar fresco na entrada do secador, aquecendo apenas o ar fresco e mantendo o ar emnível razoável. No item a, o reciclo é usado para melhorar a qualidade do produto, no item b,para redução do custo operacional. Nos processos químicos com reação, como nos processos de refino de petróleo, amaioria das correntes são misturas muito complexas, exigindo muitas etapas de separação queenvolve reciclo de algumas correntes. Nos reatores catalíticos, como nos processos de síntesede amônia a partir de N2 e H2, ou síntese de metanol a partir de CO e H 2, somente parte dosgases presentes na carga reagem, ou seja, a conversão no produto final não é total. Os produtos são separados e a mistura gasosa não convertida em produto é recicladapara o reator, após ser misturada coma carga fresca (alimentação nova). Estas operações dereciclo são importantes, pois desta forma se consegue um aproveitamento maior da matéria- 25
  • 26. prima, levando a uma redução do custo de operação, apesar do maior custo de investimento,uma vez que reatores precisarão ter maior capacidade para permitir processar uma vazãomaior de carga do reator. Se componentes inertes (que não participam da reação química) estiverem presentesna carga (alimentação), tais como o argônio (proveniente do ar) na mistura de N 2-H2 (carga doconversor de amônia), é necessário que se faça uma purga contínua da mistura gasosa nãoconvertida para limitar a concentração deste inerte na entrada do reator, ou seja, não sefazendo a purga e reciclando todo o material não reagente, a concentração de inerte cresceriailimitadamente no reator. Frequentemente, os cálculos de reciclo provocam dificuldades. Os cálculos de reciclosão feitos para o estado estacionário, ou seja, não há perda ou acréscimo de massa noprocesso, nem na corrente de reciclo.BALANÇO DE ENERGIA Da mesma forma que a lei de conservação de massa, a lei de conservação de energiadiz que energia não se cria, não se perde, mas um tipo de energia pode ser transformado emoutro tipo de energia, como por exemplo, calor pode ser transformado em trabalho. Destaforma, a energia total presente em um processo também é uma quantidade conservativa, e issoé, em linhas gerais, o quê afirma a Primeira Lei da Termodinâmica. O equacionamento do balanço de energia é mais complicado do que para o balançode massa, sendo que se deve considerar a energia na forma de calor, na forma de trabalho e aenergia contida nas moléculas que estão no sistema e nas moléculas que entram e saem dosistema. Semelhante à convenção adotada no balanço de massa, as quantidades de energia sãopositivas se elas entram no sistema, e negativas se elas saem do sistema. [Energia entrando no sistema (+) Energia saindo do Sistema (–)]. A energia contida nas moléculas pode ser dividida em energia interna, energiapotencial e energia cinética. A energia interna representa a energia de uma substânciaassociada aos movimentos, interações e ligações dos seus elementos constituintes. A energiacinética e a energia potencial são formas de energia relacionadas ao movimento e à posição dosistema em relação a um referencial externo. O transporte de energia pode ser feito na forma de calor, Q’, quando há uma diferença de temperatura entre o sistema e as 26
  • 27. vizinhanças. Se calor é transferido das vizinhanças para o sistema, então o fluxo de calorpossui sinal positivo; caso o sistema transfira calor para as vizinhanças, então o valor do fluxode calor é negativo. [Calor entrando no sistema (+) / Calor saindo do sistema (–)]. O trabalho (W’) é outra forma de energia em trânsito que pode ser realizado basicamente de três modos: trabalho de eixo, trabalho de pistão e trabalho de fluxo. O trabalho de eixo resulta da ação de uma força mecânica dentro do sistema, não havendo deformação das fronteirasdo sistema. Quando há do movimento (deformação) das fronteiras do sistema devido àatuação de uma força então trabalho é realizado na forma de trabalho de pistão. [trabalho fornecido ao sistema pela vizinhança (+) / Trabalho realizado pelo sistema na vizinhança (–)]. Num processo de escoamento, o deslocamento de uma porção de fluido realizatrabalho na porção de fluido a sua frente e por sua vez também sobre a ação do trabalho dofluido anterior. Desta forma, se há passagem de fluido pelo sistema, o fluido que está entrandoirá realizar um trabalho no sistema e o fluido que está saindo irá realizar um trabalho nasvizinhanças. A Primeira Lei da Termodinâmica pode ser representada pela equação geral(abaixo) da conservação da energia: Uma função de estado importante na termodinâmica é a entalpia de um sistema (H),que é equivalente à soma da energia interna U e do produto PV. H = U + P.V Substituindo essa definição no balanço de energia, a Equação anterior pode ser escrita de forma mais compacta (ao lado): A variação do conteúdo de energia do sistema num intervalo de tempo finito Δt éencontrada integrando-se a equação do balanço de energia entre os tempos t e t+Δt.CONFIGURAÕES DE FLUXO Em muitas operações de transferência de energia ou massa de uma fase para outra, é necessário colocar em contato duas correntes de fluído para que possa ocorre a modificação no sentido do equilíbrio de energia ou de massa ou de ambos. A transferência pode ser realizada com duas correntes fluindo na 27
  • 28. mesma direção, no que denominamos escoamento paralelo. Quando se usa este tipo deescoamento, limite de transferência que pode ocorrer, está praticamente determinado pelascondições de equilíbrio que serão atingidos pelas duas correntes que entram em contato. Se asduas correntes que contatarem forem em direções opostas, as transferências de massa e/ouenergia podem ocorrer com uma intensidade muito maior. Essa configuração defluxo éconhecida como escoamento em contracorrente. Para se tomar um exemplo, vamos discutir a previsão da temperatura a ser atingidaquando se opera comum a corrente de mercúrio quente e com outra de água fria quando oequilíbrio é atingido. Isso pode ser feito simplesmente mediante um balanço térmico que levaem consideração as quantidades relativas das duas correntes, as respectivas temperaturasiniciais e as capacidades caloríficas. Se as correntes escoam simultaneamente de um mesmoponto inicial para um ponto final, a temperatura do equilíbrio está definida e a respectivavariação está indicadana figura acima, onde ofluxo é denominado deescoamento paralelo.Na figura ao lado, tem-se o escoamento emcontracorrente. No escoamentoem contracorrente atemperatura deequilíbrio do sistema émuito maior. Troca emcontracorrente, juntamente com troca concorrente ou simultânea, compreendem osmecanismos utilizados para a transferência de uma propriedade de um fluido a partir de umfluxo de corrente de fluido para outro através de uma membrana semipermeável ou materialtermicamente condutor entre elas. A propriedade pode ser calor transferido, a concentraçãode uma substância química ou outras. A troca em contracorrente é um conceito-chave naengenharia química, na termodinâmica e em processos de fabricação, como por exemplo, naextração de sacarose a partir de raízes de beterraba-sacarina.OPERAÇÄO CONTÍNUA E OPERAÇÃO DESCONTÍNUA. Em muitas situações das operações de processos é mais econômico manter osequipamentos em operação continua e permanentes, com o mínimo de perturbações ouparadas possíveis. Entretanto, essa condição pode não ser a mais adequada em certassituações, como em plantas com “gargalo”, onde uma ou mais seções está ou ficousubdimensionada em relação às demais, ou por problemas de manutenção dos equipamentosou ainda devido à natureza de um processo. Alguns processos são tão complexos, tem tantasvariáveis e requerem pausas, que tem de ser executados, em bateladas ou ainda por razões dopróprio controle do processo. Em virtude da maior produtividade dos equipamentos queoperam continuamente e do preço unitário mais baixo que daí decorre, é em geral maisvantajoso operar de forma contínua. Isto quer dizer que o tempo não é uma variável na análisedesses processos, exceto nos momentos deparadas e de partidas. Em suma, a operaçãodescontínua, denominada comumente de operação em batelada (do inglês batch) ocorrequando se processa quantidade de materiais seguindo um conjunto de procedimentos equantidades pré-determinadas, onde uma receita é seguida. A cada momento que a batelada for concluída esta é descarregada e outra é iniciada,de acordo com a organização de tempos e métodos para a seção. Uma operação que varia deacordo com o tempo é denominada transiente ou não permanente, em contraposição ao estado 28
  • 29. permanente, no qual as condições não variam com o tempo. Nesses termos a análise deoperação transiente é diferente da do estado permanente apenas pela introdução da variáveladicional de tempo. Para ilustrar um exemplo de operação em regime transiente podemos citarcomo exemplo o resfriamento de uma peça de aço num tratamento térmico. Observa-se que atemperatura da peça varia com o tempo. Ouro exemplo é a obtenção de cubos de gelo nocongelador da sua geladeira. Aqui cabe uma observação interessante: Observe que a questãode transiente ou permanente é conceitual a partir da concepção e construção de plantas.Vamos supor que certa seção foi projetada para trabalhar operando com fluído a 700 C.Ocorre que há uma perturbação instalada na seção que provoca uma variação na temperaturade 70 a 800 C. Não se pode considerar esse regime transiente. Trata-se de um regimepermanente com problemas de controle. Outro aspecto importante é não se confundiroperação contínua/descontinua com regime transiente/permanente. A operação contínuo-descontínua se relaciona com o operar parando-partindo ou sem interrupções. O regimetransiente/permanente se relaciona com a variação ou não das variáveis operacionais com otempo.INTEGRAÇÄO DAS OPERAÇÖES UNITÁRIAS Quando se aborda as operações unitárias considerando-se um conjunto de operaçõesindependentes, há alguns aspectos positivos, por exemplo, se um operador compreende ofuncionamento de uma seção de filtros rotativos a vácuo que tem o objetivo de remover umdeterminado tipo de material, ele compreenderá qualquer outro FRV, mesmo que tenha oobjetivo de remover outro tipo de material, posto que, os princípios básicos de funcionamentosão os mesmos dessa operação unitária que recebe a denominação de filtração. Numaindústria complexa, as interações das etapas são inevitáveis, posto que, o conjunto deoperações unitárias, geralmente termina por se constituir em etapas de um determinadoprocesso produtivo sequenciado. Exemplo: Na seção da evaporação que tem um conjunto deprocedimentos independentes de uma hidrólise, o fluído deve sair na concentração ótima deum componente para que a eficiência na hidrólise seja máxima. Quando se analisa uma situação tal qual esta, vemos que há de se ter a visão daindependência, do “unitário”, mas há de não se perder de vista a integração que existe, narealidade. As compreensões mais completas das inter-relações dos princípios fundamentaislevam ao agrupamento das operações de modo a englobá-las num modelo, dentro do qual seajustam a mesma expressão matemática, as ações que possibilitam valiosas generalizações.Há inter-relações extremamente íntimas, por exemplo, a transferência de calor num sistemaem escoamento não pode ser apresentada no seu todo, sem levar em consideração a mecânicados fluídos: a transferência de massa pode ser separada da transferência do calor e damecânica dos fluídos. O reconhecimento mais amplo das semelhanças básicas é umaconsequência do aumento de informação. Por outro lado, o reconhecimento e a exploração dassemelhanças contribuem para a compreensão mais ampla de cada operação. Há evidenciasatualmente, de que a compartimentalização da informação, de acordo com cada operaçãounitária, não pode comprometer a integração do conjunto que sempre tem como meta produtoou produtos adequados aos mercados destinatários. A operação unitária pode ser analisada pormeio de um modelo físico simples que reproduz a ação da operação ou pode ser analisadapela consideração de um equipamento ou então pode ser investigada segundo uma expressãomatemática inicial, que descreve a ação e é verificada contra os dados experimentais doprocesso. Sem dúvidas, os dois primeiros modelos são os mais adequados para um operadorde processo, cujo objetivo principal é saber fazer.MISTURA DE SÓLIDOS 29
  • 30. Princípio de mistura entre sólidos é bastante simples. Quando se efetua estaoperação, juntam-se os dois componentes que, por exemplo, se encontram depositados emdois pontos diferentes. À medida que amistura se vai fazendo, vai-se dando umauniformização. Quando a camada de umdos componentes for da ordem degrandeza da sua granulometria, a operaçãode mistura está realizada. A operação de mistura vaiobrigar, assim, a uma série sucessiva deconjugação e disjunção em que os doiscomponentes se vão interpenetrando. Otrabalho necessário para realizar a misturaaumenta com os volumes das fracções; a mistura é tanto mais rápida quanto maior forem osvolumes das fracções. Existem dois processos de mistura que se usam na Indústria Química,dando origem, portanto, a dois tipos de misturadores:• misturadores contínuos - a mistura é mais lenta, mas o consumo de energia é menor;• misturadores descontínuos - a mistura é mais rápida, mas o consumo de energia é maior. Os misturadores contínuos são constituídos por uma caixa cilíndrica em cujo interiorexiste um órgão móvel que efetua a mistura, imprimindo às partículas um movimento com umdeterminado sentido. Este objetivo é atingido através dos misturadores com titulo de sem fimou contínuos. Os misturadores descontínuos são constituídos por uma caixa com um movimento derotação em torno de um eixo. Esta caixa tem, habitualmente, uma forma cilíndrica ou tronco-cónica (em que se incluem, por exemplo, as betoneiras). No movimento de rotação, devido aoatrito da força centrífuga, a substância é arrastada, caindo de uma determinada altura. Avelocidade de rotação tem de ser limitada para que as partículas caiam quando atingem umadeterminada altura.MISTURA DE LÍQUIDOS A mistura de líquidos efetua-se por agitação, executada mecanicamente, ou por meiode ar comprimido (cujo objetivo é criar correntes na massa líquida). A agitação mecânicaconsiste em comunicar um movimento de rotação a uma determinada porção de líquido. Amistura faz-se por meio de um movimento cuja superfície isobárica é um parabolóide e cujoeixo é o do eixo de rotação. Há, no entanto duas forças que impedem aformação de um parabolóide: a força centrífuga queimpele a parte isolada para a periferia, e as camadassuperiores do líquido que tendem a ocupar o espaço queficou livre. No entanto, as linhas de corrente sãodependentes dos tipos de misturadores. Ao contrário dossólidos, os líquidos misturam-se rapidamente, uma vezacionada a perturbação, sendo necessário, para tal, teruma agitação permanente e a energia para o efeito. Ocálculo de um agitador de pás é complexo e baseia-se emprincípios de mecânica definidos, sendo as fasesessenciais as seguintes:• resistência ao movimento; • potência a instalar;• número de rotações; • dimensionamento das pás. Outros tipos de agitadores são os mecânicos; os 30
  • 31. mais comuns são os seguintes:• agitadores de hélice; • agitadores contínuos;• agitadores de rotor; • agitadores de cone;• agitadores de propulsão radial; • agitadores de discos de elevada velocidade. Nos primeiros (agitadores de hélice) as pás tradicionais são substituídas por umahélice. Nos agitadores sem-fim a parte central possui um parafuso continuo. Nos primeiros(agitadores de hélice) as pás tradicionais são substituídas por uma hélice. Nos agitadorescontínuos a parte central possui um parafuso em forma de broca, seja sem fim. Nestessistemas, cada pá é equivalente a uma hélice. Nos agitadores de rotor existe um corpo central (rotor), que é acionado como umabomba centrífuga, obrigando o líquido a circular. Os outros tipos de agitadores têmgeometrias características dos nomes, obrigando os líquidos a movimentos específicos. Agitação por Ar Comprimido O sistema por impulsor é idêntico ao de rotor, mas a bomba centrífuga é substituída por um impulsor. Outros sistemas fazem borbulhar ar comprimido ou vapor por meio de tubos perfurados, situados no interior do líquido. Este sistema é usado para explosivos ou líquidos corrosivos. MISTURA DE SÓLIDOS COM LÍQUIDOS A mistura de sólidos com líquidos pode efetuar-se de dois modos: • Caso a mistura seja pouco viscosa, efetua-se como se de um líquido se tratasse; • se a mistura for bastante viscosa a forma deefetuá-la e através de um sistema com um sem-fim, sendo essencial estudar o atrito. As páspossuem formato esférico, tendo cada uma delas uma função idêntica a uma hélice de umcontinuo sendo o número de rotações igual ao de um sistema deste tipo. Para sistemas usados no fabrico de explosivos usam-se misturadores de baixarotação, podendo efetuar, igualmente, uma rotação em torno do eixo.MISTURADORES DE GASES E DE LÍQUIDOS COM GASES A mistura de gases é feita num recipiente fechado, fazendo entrar pela parte inferiorgás mais denso ou fazendo entrar os dois simultaneamente. Na mistura de líquidos com gases,pode-se atuar de dois modos:• lançando o líquido finamente dividido na massa do gás;• fazendo borbulhar o gás na massa líquida, sendo, no entanto, o primeiro tipo o mais comum. A mistura do líquido com o gás pode ser feita ainda de dois modos:• lançamento do líquido sob pressão;• afastamento do líquido por meio dum gás sob pressão. Em uma subdivisão pode-se executar fazendo passar o líquido através de orifíciosfinos, ou através de um pequeno rotor que lança o líquido dividido para a periferia doaparelho. O primeiro sistema denomina-se pulverização e o segundo, dispersão. No caso derotores cilíndricos, o sistema de dispersão chama-se turbo dispersor. O sistema dearrastamento é bastante usado na combustão de líquidos e ar, denominando-se “ar primário”.Mistura de Soluções Coloidais  A mistura deste tipo de soluções é idêntica à dos líquidos, 31
  • 32. mas com grande agitação, sendo aconselhável a utilização de agitadores de propulsão radial.Dosagem  A dosagem é acompanhada de medição de quantidades a misturar, tendoaspectos específicos no caso de misturadores descontínuos ou contínuos.Misturadores descontínuos  Nestes misturadores são necessários à pesagem prévia dossólidos e dos líquidos ou a medição dos volumes dos líquidos. A pesagem é semelhante parasólidos ou líquidos, porque os sólidos estão, em princípio, bastante subdivididos. Ossistemas de pesagem podem ser manuais ou automáticos, caindo a massa no sistema dealimentação, quando necessário. No caso de regulação automática existe uma válvula deregulação que fecha pouco antes do fim da dosagem necessária, sendo o último ajuste feitopor outra válvula de regulação fina, permitindo, deste modo, uma alimentação rápida ecorreta. A medição de volumes de líquidos faz-se com recurso recipiente de volumeconhecido.Misturadores Contínuos  Neste caso há necessidade de fazer uma medição contínua dassubstâncias a alimentar no misturador, as quais são feitas por dosadores volumétricos ouponderais. Os dosadores volumétricos para sólidos são de tipo variável, indo desde umasimples válvula a dispositivos com um órgão rotativo, que no movimento arrastam um dadovolume de sólidos, ou por um transportador de vários tipos. Os dosadores ponderais são dotipo transportador, normalmente de banda, e que é alimentado a partir de uma balança. Osdosadores de líquidos são mais simples e fazem-se, volumetricamente, por meio de válvulas. No entanto, o volume doseado depende da pressão em que é introduzido, sendonecessário uma devida calibração. Os dosadores de gases têm um princípio idêntico ao doslíquidos, sendo a pressão de alimentação uma variável importante. BOMBAS HIDRÁULICASMÁQUINAS São transformadores de energia (absorvem energia em uma forma e restituem emoutra). Entre os diversos tipos de máquinas, as máquinas fluidas são aquelas que promovemum intercâmbio entre a energia do fluido e a energia mecânica. Dentre elas, as máquinashidráulicas se classificam em motora e geradora:- máquina hidráulica motora ou motriz: transforma a energia hidráulica em energia mecânica(ex.: turbinas hidráulicas e rodas d’água).- máquina hidráulica geradora ou geratriz ou operatriz: transforma a energia mecânica emenergia hidráulica. Dessa forma, por exemplo, as bombas hidráulicas são máquinas motrizes que sugamou empurram um fluido, obrigando-o a água a subir. Há muitos tipos de bombas.BOMBAS HIDRÁULICAS Uma bomba hidráulica é um dispositivo que adiciona energia aos líquidos, tomandoenergia mecânica de um eixo, de uma haste ou de outro fluido: ar comprimido e vapor são osmais usuais. As formas de transmissão de energia podem ser: aumento de pressão, aumento develocidade ou aumento de elevação – ou qualquer combinação destas formas de energia.Como consequência, facilita-se o movimento do líquido. É geralmente aceito que o líquidopossa ser uma mistura de líquidos e sólidos, nas quais a fase líquida prepondera. Outras máquinas destinadas a adicionar energia aos fluidos na forma de vapor egases só são chamadas de bombas apenas eventualmente. Como exemplos, há a bomba devácuo, destinada a esgotar ar e gases, e a bomba manual de ar, destinada a encher 32
  • 33. pneumáticos, bolas de futebol, brinquedos e botes infláveis, etc. As máquinas que se destinama manusear ar, gases ou vapores são normalmente chamadas pelos técnicos de ventiladores ouventoinhas, sopradores ou compressores.• CLASSIFICAÇÃO GERAL DAS BOMBASAs bombas podem ser classificadas em duas categorias, a saber:- Volumétricas ou de Deslocamento Positivo: são aquelas em que a movimentação dolíquido é causada diretamente pela movimentação de um dispositivo mecânico da bomba, queinduz ao líquido um movimento na direção do deslocamento do citado dispositivo, emquantidades intermitentes, de acordo com a capacidade de armazenamento da bomba,promovendo enchimentos e esvaziamentos sucessivos, provocando, assim, o deslocamento dolíquido no sentido previsto.- Turbo-Bombas, Hidrodinâmicas ou Rotodinâmicas: são máquinas nas quais amovimentação do líquido é desenvolvida por forças que se desenvolvem na massa líquida emconsequência da rotação de uma peça interna (ou conjunto dessas peças) dotada de pás oualetas chamada de roto. São exemplos de bombas rotodinâmicas as conhecidíssimas bombascentrífugas e de bombas volumétricas as de êmbolo ou alternativas e as rotativas (figuraabaixo). Esquemas de bombas volumétricasResumindo: Bombas Hidráulicas são máquinas motrizes que recebem energia potencial de ummotor ou de uma turbina, e transforma parte dessa energia em potência: Energia de pressão (força): Bombas de Deslocamento Direto Energia cinética: Bombas CinéticasAs bombas cedem estas duas formas de energia aofluido bombeado, para fazê-lo recircular outransportá-lo de um ponto a outro.• TIPOS DE BOMBAS HIDRÁULICAS BOMBAS VOLUMÉTRICAS OU DE 33
  • 34. DESLOCAMENTO POSITIVO: o órgão fornece energia ao fluido em forma de pressão. São as bombas de êmbulo ou pistão e as bombas diafragma. O intercâmbio de energia é estático e o movimento é alternativo.. Bombas de Pistão Funcionam através da ação de um pistão sob uma porção de fluido presa em umacâmara. Quando o pistão se move, o fluido é impulsionado para fora. Desse modo, a energiado pistão é transferida para o fluido. As bombas de pistão podem ser:- Um único pistão: Simplex- Dois pistões: Duplex- Muitos pistõesQuando utilizar as bombas de pistão?- quando um fluido vaporiza, ou pode eventualmente vaporizar nas condições do processo;- com altas pressões de descarga, atingindo valores bem acima das bombas centrífugas: até2.000 atm ;- como bombas dosadoras. Bombas de Diafragma Funcionam através do movimento hidráulico de um pistão sob uma membrana flexível, chamada de diafragma, que serve para reter uma porção de fluido em seu interior e expulsá-lo nomovimento inverso do pistão. Possui válvulas deadmissão e de descarga.. Quando utilizar as bombas de diafragma?- quando o fluido é corrosivo, pois simplifica o material de construção;- com altas pressões de descarga, atingindo valores bem acima das bombas centrífugas: até150 kgf / cm2- como bombas dosadoras. BOMBAS CENTRÍFUGAS Bombas Centrífugas são bombas hidráulicas que têm como princípio defuncionamento a força centrífuga através de palhetas e impulsores que giram no interior deuma carcaça estanque, jogando líquido do centro para a periferia do conjunto girante.Portanto, funcionam através do movimento rotativo de engrenagens (lóbulos, palhetas oufusos), que retém o fluido no espaço formado entre a carcaça e as engrenagens. 34
  • 35. Descrição Constam de uma câmara fechada, carcaça, dentro da qual gira uma peça, o rotor, que é um conjunto de palhetas que impulsionam o líquido através da voluta (Figura acima). O rotor é fixado no eixo da bomba, este contínuo ao transmissor de energia mecânica do motor. A carcaça é a parte da bomba onde, no seu interior, a energia de velocidade é transformada em energia de pressão, o que possibilita o líquido alcançar o ponto final do recalque. É no seu interior que está instalado o conjunto girante (eixo-rotor) que torna possível o impulsionamento do líquido. A carcaça pode ser do tipo voluta oudo tipo difusor. A de voluta é a mais comum podendo ser simples ou dupla (Figura abaixo).Como as áreas na voluta não são simetricamente distribuídas em torno do rotor ocorre umadistribuição desigual de pressões ao longo da mesma. Isto dá origem a uma reaçãoperpendicular ao eixo que pode ser insignificante quando a bomba trabalhar no ponto demelhor rendimento, mas que se acentua à medida que a máquina sofra redução de vazões,baixando seu rendimento. Como consequência deste fenômeno tem para pequenas vazões,eixos de maior diâmetro no rotor. Outra providência para minimizar este empuxo radial é aconstrução de bombas com voluta dupla, que consiste em se colocar uma divisória dentro daprópria voluta, dividindo-a em dois condutos a partir do início da segunda metade desta, ouseja, a 180o do início da "voluta externa", de modo a tentar equilibrar estas reações duas aduas, ou minimizar seus efeitos (volta dupla figura acima). Para vazões médias egrandes alguns fabricantes optampor bombas de entrada bilateralpara equilíbrio do empuxo axial edupla voluta para minimizar odesequilíbrio do empuxo radial. Acarcaça tipo difusor não apresentaforça radial, mas seu emprego élimitado a bombas verticais tipoturbina, bombas submersas ou horizontais de múltiplos estágios e axiais de grandes vazões. Acarcaça tipo difusor limita o corte do rotor de modo que sua faixa operacional com bomrendimento torna-se reduzida.Principais Componentes de uma Bomba Hidrodinâmica∅ Rotor: órgão móvel que fornece energia ao fluido. É responsável pela formação de uma depressão no seu centro para aspirar o fluido e de uma sobre pressão na periferia para recalcá-lo. ∅Difusor: canal de seção crescente que recebe o fluido vindo do rotor e o encaminha à tubulação de recalque. Possui seção crescente no sentido do escoamento com a 35
  • 36. finalidade de transformar a energia cinética em energia de pressão; são aletas estacionárias que oferecem ao fluido um canal de área crescente desde o rotor até a carcaça.∅ Voluta: o rotor descarrega fluido num canal de área de seção reta contínua e crescente. Aumentando a área, a velocidade diminui, reduzindo assim a formação de turbilhões. Saída em caracol (difusor).Classificação das Turbo-bombas Quanto à trajetória do fluido dentro do rotora) Bombas radiais ou centrífugas: o fluido entra no rotor na direção axial e sai na direçãoradial. Caracterizam-se pelo recalque de pequenas vazões em grandes alturas. A forçapredominante é a centrífuga. Pelo fato das bombas centrífugas serem as mais utilizadas, seráabordado, neste material, todo o seu princípio de funcionamento e critérios de seleção.b) Bombas Axiais: o fluido entra no rotor na direção axial e sai também na direção axial.Caracterizam-se pelo recalque de grandes vazões em pequenas alturas. A força predominanteé a de sustentação. Corte de uma bomba de monoestágio Quanto ao número de entradas para a aspiração e sucçãoa) Bombas de sucção simples ou de entrada unilateral: a entrada do líquido se faz através deuma única boca de sucção.b) Bombas de dupla sucção: a entrada do líquido se faz por duas bocas de sucção,paralelamente ao eixo de rotação. Esta configuração equivale a dois rotores simples montadosem paralelo. O rotor de dupla sucção apresenta a vantagem de proporcionar o equilíbrio dosempuxos axiais, o que acarreta uma melhoria no rendimento da bomba, eliminando anecessidade de rolamento de grandes dimensões para suporte axial sobre o eixo. 36
  • 37.  Quanto ao número de rotores dentro da carcaçaa) Bombas de simples estágio ou unicelular: a bomba possui um único rotor dentro dacarcaça. Teoricamente é possível projetar uma bomba com um único estágio para qualquersituação de altura manométrica e de vazão. As dimensões excessivas e o baixo rendimentofazem com que os fabricantes limitem a altura manométrica para 100 m.b) Bombas de múltiplo estágio: a bomba possui dois ou mais rotores dentro da carcaça. É oresultado da associação de rotores em série dentro da carcaça. Essa associação permite aelevação do líquido a grandes alturas (> 100 m), sendo o rotor radial o indicado para estaassociação. Quanto ao posicionamento do eixoa) Bomba de eixo horizontal: é a concepção construtiva mais comum.b) Bomba de eixo vertical: usada na extração de água de poços profundos. Quanto ao tipo de rotora) Rotor aberto: usada para bombas de pequenas dimensões. Possui pequena resistênciaestrutural. Baixo rendimento. Dificulta o entupimento, podendo ser usado para bombeamentode líquidos sujos.b) Rotor semiaberto ou semifechado: possui apenas um disco onde são afixadas as palhetas.c) Rotor fechado: usado no bombeamento de líquidos limpos. Possui discos dianteiros com aspalhetas fixas em ambos. Evita a recirculação da água, ou seja, o retorno da água à boca desucção. Quanto à posição do eixo da bomba em relação ao nível da água. 37
  • 38. a) Bomba de sucção positiva: o eixo da bomba situa-se acima do nível d’água do reservatóriode sucção.b) Bomba de sucção negativa ou afogada: oeixo da bomba situa-se abaixo do nível d’água do reservatório de sucção.Bombas Rotativas de Deslocamento Positivo Funcionam através do movimento rotativo de engrenagens (lóbulos, palhetas oufusos), que retém fluido no espaço entre a carcaça e as engrenagens..Quando utilizar asbombas rotativas dedeslocamento positivo? 38
  • 39. - São utilizados para fluidos viscosos quaisquer, desde que não contenham sólidos emsuspensão. A folga entre a carcaça e a ponta da engrenagem (lóbulos, palhetas ou fusos) émínimo, sendo proibitiva a presença desólidos em suspensão e utilizando opróprio fluido como lubrificante.ELEMENTOS MECÃNICOS DASBOMBAS GAXETAS: São componentes utilizados paraa vedação das bombas centrífugas. Sãomontadas em torno do eixo da bomba eapertadas por um outro componentechamado “preme-gaxetas”. Não podemser totalmente apertadas, devendopermitir um vazamento em média de 40 a60 gotas por minuto para a lubrificação erefrigeração. SELOS MECÂNICOS: São sistemas de selagem utilizados quando não se pode deixar o fluido bombeado vazar. Permitem vazamento 100 vezes menores que as gaxetas. São formados por componentes mecânicos mais elaborados, requerendo melhor eficiência de lubrificação e resfriamento, sendo muitas vezes utilizados outros fluidos (água, etileno glicol), que deve ser limpo. 39
  • 40. São apertados somente durantea montagem, requerendocuidados especiais demanutenção. Falhas mais comuns queprejudicam a vedação dasbombas-montagem e ajustesdimensionais deficientes;- quando se usa fluido externo:baixo fluxo ou pressão, acarretando falta de lubrificação e refrigeração;- quando não se usa fluido externo: gaxetas muito apertadas ou entupimento nos canais deselagem do próprio fluido bombeado;- golpe de pressão no bombeamento, transmitindo para a caixa de vedação, tensões paralelasao eixo da bomba. FILTROS DE SUCÇAO São instalados na sucção das bombas para protegê-las da presença de sólidosestranhos, que poderiam danificá-las internamente. Com a continuidade operacional os filtros permanentes tendem a limitar o fluxo para a bomba, podendo provocar danos mecânicos nas mesmas. Para facilitar a limpeza, a maior parte dos fabricantes prevê um dreno no ponto mais baixo. VÁLVULAS DE SEGURANÇA DE PRESSÃO São válvulas que controlam a pressão na tubulaçãoautomaticamente pela ação da força de uma mola. Podem serpara pressões positivas ou para vácuo.Sua aplicação está relacionada com as bombas hidráulicasconforme:- montada na linha de sucção para proteção da bomba contragolpes de pressão;- se a bomba for centrífuga, a válvula de segurança nadescarga não se faz necessária;- se a bomba for de deslocamento positivo, é fundamentalhaver algum tipo de proteção contra alta pressão. Uma válvula de segurança é projetada para proteger o sistema e não para operarpermanentemente aberta. 40
  • 41.  OPERAÇÃO DE BOMBAS HIDRÁULICAS PARTIDA:. Se a bomba estiver partindo pela primeira vez:- verificar o nível do lubrificante;- verificar se o aterramento está conectado;- verificar se a proteção do acoplamento está instalada;- verificar se a drenagem da base está desobstruída;- verificar o sistema de selagem;- se o trabalho for a quente, abrir o sistema de aquecimento.. Antes da partida:- se o produto tem a tendência de cristalizar ou possui sólidos em suspensão, manter abertas aslinhas de aquecimento e de resfriamento da selagem por uns 15 minutos:- abrir toda a válvula de sucção;- verificar a presença de líquido na bomba;- verificar se existe algum vazamento no selo;- partir a bomba com a válvula de descarga fechada e observar a elevação da pressão(SOMENTE PARA BOMBAS CENTRÍFUGAS);- abrir lentamente a válvula de descarga, evitando mantê-la fechada por muito tempo(SOMENTE PARA BOMBAS CENTRÍFUGAS).. Após a partida:- verificar se há vazamentos na vedação;- verificar se há ruídos anormais, principalmentena região do selo;- verificar se há vibrações anormais.* Observações: - partir com a válvula de sucção fechada danificaa bomba; - partir com a válvula de descarga aberta, provocapicos de amperagem, que deve desarmar o motorelétrico (SOMENTE PARA BOMBASCENTRÍFUGAS). VAZÃO MÍNIMA DE OPERAÇÃO Para bombas centrífugas, a recomendação é de valores em torno de 50% do BEP(Best Efficiency Point – Ponto de Melhor Eficiência). Entretanto, muitos fabricantesestabelecem valores em torno de 5 a 20% da vazão do BEP. Se uma bomba operarcontinuamente com vazões abaixo dos valores mínimos recomendados, haverá danosmecânicos, na bomba, produzido pela elevação da temperatura até a vaporização do fluido. ESCORVA: As bombas centrífugas não são capazes, normalmente, de aspirar o fluido quandoesse se encontra abaixo da sua linha. Nesse caso é necessário encher a bomba manualmenteantes da partida. Esse procedimento chama-se escorva. Para que a escorva seja realizada épreciso que exista uma válvula de retenção no início da tubulação. Se a escorva for aquecida,a bomba não parte. PRESSÃO DE VAPOR: A temperatura na qual um líquido ferve é chamada de Ponto de Ebulição (PE). Oponto de ebulição por sua vez, varia com a pressão atmosférica. Assim, quanto menor apressão, menor o PE. Então, a fervura de qualquer líquido varia com a pressão atmosférica. 41
  • 42. Gráfico da fervura da água, do éter etílico e do álcool etílico, variando com a pressão: PRESSÃO DE VAPOR é a pressão na qual um líquido ferve. Todo líquido tem a sua pressão de vapor que varia com a temperatura. Conclusões: - se a pressão de sucção abaixar, o líquido bombeado pode ferver e se tornar vapor; - temperaturas baixas evitam a fervura de líquidos.# O FENÔMENO DA CAVITAÇÃODescrição do fenômeno Como qualquer outro líquido, a água também tem a propriedade de vaporizar-se emdeterminadas condições de temperatura e pressão. E assim sendo temos, por exemplo, entraem ebulição sob a pressão atmosférica local a uma determinada temperatura, por exemplo, aonível do mar (pressão atmosférica normal) a ebulição acontece a 100oC. À medida que apressão diminui a temperatura de ebulição também se reduz. Por exemplo, quanto maior aaltitude do local menor será a temperatura de ebulição. Em consequência desta propriedadepode ocorrer o fenômeno da cavitação nos escoamentos hidráulicos. Chama-se de cavitação o fenômeno que decorre, nos casos em estudo, da ebuliçãoda água no interior dos condutos, quando as condições de pressão caem a valores inferiores apressão de vaporização. No interior das bombas, no deslocamento das pás, ocorreminevitavelmente rarefações no líquido, isto é, pressões reduzidas devidas à própria natureza doescoamento ou ao movimento de impulsão recebido pelo líquido, tornando possível aocorrência do fenômeno e, isto acontecendo, formar-se-ão bolhas de vapor prejudiciais ao seufuncionamento, caso a pressão do líquido na linha de sucção caia abaixo da pressão de vapor(ou tensão de vapor) originando bolsas de ar que são arrastadas pelo fluxo. Estas bolhas de ardesaparecem bruscamente condensando-se, quando alcançam zonas de altas pressões em seucaminho através da bomba. Como esta passagem do gasoso-líquido é brusca, o líquidoalcança a superfície do rotor em alta velocidade, produzindo ondas de alta pressão em áreasreduzidas. Estas pressões podem ultrapassar a resistência à tração do metal e arrancarprogressivamente partículas superficiais do rotor, inutilizando-o com o tempo. Quando ocorre a cavitação são ouvidos ruídos e vibrações características e quantomaior for à bomba, maiores serão estes efeitos. Além de provocar o desgaste progressivo até adeformação irreversível dos rotores e das paredes internas da bomba, simultaneamente estaapresentará uma progressiva queda de rendimento, caso o problema não seja corrigido. Nasbombas a cavitação geralmente ocorre por altura inadequada da sucção (problemageométrico), por velocidades de escoamento excessivas (problema hidráulico) ou porescorvamento incorreto (problema operacional). 42
  • 43. Causas da cavitação- Filtro da linha de sucçãosaturado- Respiro do reservatório fechadoou entupido- Linha de sucção muito longa- Muitas curvas na linha desucção (perdas de cargas)- Estrangulamento na linha desucção- Altura estática da linha desucção- Linha de sucção congelada Exemplo de defeito provocado pela cavitação: Corrosão das palhetas da bombaCaracterísticas de uma bomba em cavitação- Queda de rendimento - Marcha irregular- Vibração provocada pelo desbalanceamento - Ruído provocado pela implosão das bolhasComo evitar a cavitação Primeiramente, elaborando-se um bom projeto para a linha de sucção. Segundo,aplicando-se uma manutenção preventiva.• NPSH , Conceito - Significado das Iniciais São as iniciais do termo em inglês NET POSITIVE SUCTION HEAD, cujatradução para o Português, seria o equivalente a “Balanço no Topo da Sucção Positiva” ou“Altura Livre Positiva de Sucção”.. Significados Técnicos / Definições→ NPSH (Net Positive Sucction Head): pressão residual com que o fluido chega na entradada bomba que vai fazer com que a pressão do fluido no interior da bomba não atinja a pressãode vapor do fluido.→ NPSH requerido: pressão requerida pela bomba para que a mesma funcione. → NPSH disponível: pressão com que o fluido chega até a entrada da bomba (energia que o tipo de instalação fornece ao fluido). Obs.: para que a bomba funcione sem cavitação é necessário que o NPSH disponível seja 10% maior que o NPSH requerido. # ALTURA MANOMÉTRICA TOTAL - Conceito Altura manométrica total é a energia por unidade de peso que o sistema solicita para transportar o fluido do reservatório de sucção para o reservatório de descarga, com uma determinada vazão. Essa 43
  • 44. energia será fornecida por uma bomba, que será o parâmetro fundamental para oselecionamento da mesma. É importante notar que em um sistema de bombeamento, acondição requerida é a vazão, enquanto que a altura manométrica total é uma consequência dainstalação.• CURVAS CARACTERÍSTICAS DAS BOMBAS É a representação gráfica em um eixo cartesiano da variação das grandezascaracterísticas da bomba (Figura ao lado: Representação gráfica de uma curvacaracterística). De acordo com o traçado de H (altura) x Q (vazão) as curvas características podemser classificadas como:• Flat - altura manométrica variando muito pouco com a variação de vazão;• Drooping - para uma mesma altura manométrica podemos ter vazões diferentes;• Steep - grande diferença entre alturas na vazão de projeto e a na vazão zero (ponto de shut off);• Rising - altura decrescendo continuamente com o crescimento da vazão. As curvas tipo drooping são ditas instáveis e são próprias de algumas bombascentrífugas de alta rotação e para tubulações e situações especiais, principalmente em sistemascom curvas de encanamento acentuadamente inclinadas. As demais são consideradas estáveis,visto que estas, para cada altura, correspondem uma só vazão, sendo a rising a de melhortrabalhabilidade (Figura abaixo).Tipos de curvas característicasCONSUMO DE ENERGIA DAS BOMBAS A função de uma bomba é transferir energia para o fluido, logo sua operação sempreimplica em consumo de energia.Como minimizar o consumo de energia de uma bomba?Basta operar considerando:- válvulas de sucção sempre abertas;- manter o fluido na temperatura recomendada; temperatura baixa aumenta a viscosidade,dificultando o trabalho da bomba; 44
  • 45. - evitar o aumento da pressão no tanque de descarga;- minimizar o uso de recirculação;- ajustar a vazão da bomba para o mais próximo possível do BEP;- manter os filtros limpos;- partir as bombas centrífugas (e somente elas) com a descarga fechada.# TEMPERATURA DE OPERAÇÃO Se a temperatura de operação mudar, haverá mudança na viscosidade do fluido e napressão de vapor. O que acontece se a temperatura de operação mudar?- Bombas de engrenagens (e outras de deslocamento positivo) operando em altastemperaturas: A viscosidade será baixa e haverá falta de lubrificação entre as engrenagens,produzindo limalhas metálicas de desgaste.- Bombas de engrenagens (e outras de deslocamento positivo) operando em baixastemperaturas: A viscosidade será alta, dificultando a movimentação do líquido, forçandorolamentos e mancais, desgastando essas peças.- Bombas centrífugas operando em temperaturas altas: Risco de cavitação e danos para abomba.- Bombas centrífugas operando em temperaturas baixas: A viscosidade será alta, aumentandoo consumo de energia. Se a viscosidade subir muito, o bombeamento diminui a vazão e abomba poderá trabalhar em vazio, podendo ser danificada por falta de refrigeração.# ASSOCIAÇÃO DE BOMBAS HIDRÁULICAS Muitas razões, técnicas e econômicas, levam à necessidade de se efetuar a associaçãode bombas. Por exemplo: - inexistência no mercado, de bombas que possam isoladamenteatender a vazão de demanda; - inexistência no mercado, de bombas que possam isoladamenteatender a altura manométrica do projeto; - aumento da demanda (vazão) com o decorrer dotempo.. Tipos de Associação de Bombas- Em Série- Em Paralelo Bombas em série: Quando a altura manométrica for muito elevada, devemos analisar a possibilidade doemprego de bombas em série, pois esta solução poderá ser mais viável, tanto em termostécnicos como econômicos. Como principal precaução neste tipo de associação, devemosverificar se cada bomba a jusante tem capacidade de suporte das pressões de montante naentrada e de jusante no interior da sua própria carcaça. Para melhor operacionalidade dosistema é aconselhável à associação de bombas idênticas, pois este procedimento flexibiliza amanutenção e reposição de peças. Associação de bombas em série Bombas em paralelo: É comum em sistemas de abastecimento de água, esgotamento ou serviçosindustriais, a instalação de bombas em paralelo, principalmente com capacidades idênticas, 45
  • 46. porém não exclusivas. Esta solução torna-se mais viável quando a vazão de projeto for muitoelevada ou no caso em que a variação de vazão for perfeitamente predeterminada em funçãodas necessidades de serviço. No primeiro caso o emprego de bombas em paralelo permitirá a vantagem operacional de que havendo falha no funcionamento em uma das bombas, não acontecerá a interrupção completa e, sim, apenas uma redução da vazão bombeada pelo sistema. No caso de apenas uma bomba aconteceria à interrupção total, pelo menos temporária, nofornecimento. Na segunda situação a associação em paralelo possibilitará uma flexibilizaçãooperacional no sistema, pois como a vazão é variável poderemos retirar ou colocar bombasem funcionamento em função das necessidades e sem prejuízo da vazão requerida.Em resumo: Teoricamente temos que bombas em série somam alturas e bombas em paralelosomam vazões. Na prática, nos sistemas de recalque, isto dependerá do comportamento dacurva característica da bomba e da curva do encanamento, como estudaremos adiante. TUBULAÇÃO, VÁLVULAS E ACESSÓRIOS. É o nome dado ao conjunto de tubos, acessórios, válvulas e dispositivos queparticipam de um processo em uma área ou unidade, constituindo uma de suas partes maisimportantes. Eles compõem, juntamente com os equipamentos como torres, permutadores,tanques e bombas, um complexo necessário ao funcionamento de uma unidade de processo. Este é, pois, o assunto de que trataremos neste primeiro bloco de estudos.Lembramos que, devido à grande variedade dos acessórios, aqui apresentaremos apenasaqueles necessários para você ter uma visão geral desses elementos, tanto de modo isoladocomo em conjunto com o restante dos equipamentos.Tubos Os tubos são elementos vazados, normalmente de forma cilíndrica e seção constante,utilizados no transporte de fluidos, os quais podem ser líquidos, gasosos ou mistos. Paraauxiliar o deslocamento dos fluidos entre os equipamentos (vasos, torres, permutadores etc.) epara os tanques de armazenamento, ao final do processo, são utilizadas máquinas comobombas e compressores. Entidades normalizadoras: Os métodos e o processo de fabricação de tubos, assimcomo os materiais empregados, as dimensões a serem observadas e as possíveis aplicaçõesestão normalizados por entidades como as seguintes: ASA - American Standard AssociationANSI - American National Steel Institute MSS - Manufacture Standartization Society ASME- American Society Mechanical of Engenier DIN - Dentsh Industrie Normen ASTM -American Society for Testing Material ABNT - Associação Brasileira de Normas TécnicasAPI - American Petroleum Institute ISA - Instrumentation Standard of American Os principais objetivos das normas elaboradas por essas entidades são: 46
  • 47. - orientar os executores dos projetos mediante a criação de especificação e serviçosadequados; - trabalhar pela criação de métodos e padrões de fabricação;- delimitar as responsabilidades e fixar tolerâncias de fabricação;- estabelecer materiais e especificações de aplicações de determinadas matérias na fabricaçãode tubos e seus acessórios.Tipos de materiais dos tubos Embora a fabricação de tubos empregue mais de 200 tipos de materiais, somente uns40 tipos são utilizados na produção comercial. Os tubos mais usados são os de materiaisferrosos como o aço-carbono, o aço-liga e o aço inoxidável. Os tubos de ferro fundido sãorestritos às instalações de utilidade como de água, de esgoto etc. O aço-carbono é uma liga de ferro de carbono. A percentagem de carbono, que podevariar de 0,15 a 0,5%, determina o grau de dureza do aço. Quanto maior a percentagem decarbono na liga, maior será a dureza e também maior a dificuldade de soldagem do aço. E asoldagem é um dos processos de maior utilização na união de tubos a acessórios. Nasindústrias de processamento, principalmente nas petroquímicas e petrolíferas, os tubos de açocarbono são os mais utilizados, devido às suas excelentes qualidades mecânicas, à boasoldabilidade e ao baixo custo. Além disso, eles podem trabalhar com água, vaporcondensado, gás e óleo a pressões e temperaturas elevadas. Mas o aço-carbono tambémapresenta algumas restrições. Em temperaturas abaixo de -30°C, ele se torna quebradiço. E,acima de 500°C, está sujeito a deformações lentas. Outras desvantagens são a baixaresistência a fluidos e à corrosão, quando exposto a ambiente úmido. Quando é necessária autilização de tubulações nessas situações, o projeto estabelece a utilização de aços-ligas ouinoxidáveis. Os aços-ligas e os inoxidáveis podem conter cromo, níquel, molibdênio ou titânio,dificultando a ação dos agentes que atacam o aço. Outra modalidade de defesa contra essesagentes é a utilização de tubos galvanizados, desde que os projetistas assim o determinem. Outros materiais empregados na fabricação dos tubos são, por exemplo:- cobre e suas ligas; - alumínio; - chumbo; - materiais plásticos (PVC, Teflon, polietileno,epóxi, etc.); - vidros, cerâmicas, barro, concreto; - borracha. O cobre e suas ligas trabalham numa faixa de temperatura de 180°C até 200°C,sendo materiais de ótima resistência à oxidação e a inúmeros fluidos corrosivos. Os tubosfabricados com esses materiais são empregados na indústria em feixes tubulares, serpentinaspara refrigeração e serpentinas para aquecimento a vapor de baixa pressão. Já nainstrumentação, os tubos de cobre ou de ligas de cobre são aplicados em ar comprimido e parasinais de instrumentos. No caso do alumínio, os tubos produzidos com esse material sãoempregados para troca de calor e os tubos de chumbo são utilizados em tubulações de esgotosem pressão. Já os tubos de plástico têm utilização em casos de baixa temperatura e pressão,uma vez que apresentam a vantagem de serem de baixo peso, baixo custo e de granderesistência a muitos produtos corrosivos, quando comparados a materiais metálicos. Dizemosque, em geral, os plásticos substituem os metais onde eles são fortemente atacados. Os ácidos diluídos, por exemplo, não atacam os plásticos, mas afetam fortemente osmetais. Já os álcalis concentrados, no entanto, atacam os plásticos, mas não afetam muitos osmetais. No caso dos componentes de produtos do petróleo, por exemplo, eles podem serconduzidos por tubos metálicos, mas nem todos por tubos plásticos. A escolha do materialempregado nos tubos está diretamente relacionada ao projeto e às características das variáveisdo processo como: pressão, temperatura, vazão, viscosidade e outros. Os fatores que tambéminfluenciam na escolha dos materiais dos tubos são a segurança, as cargas mecânicas, acorrosão e os custos, entre outros. 47
  • 48. Válvulas Válvula é um acessório que raramente percebemos o seu funcionamento e,normalmente, ignoramos a sua importância. Sem os sistemas modernos de válvulas, nãohaveria água pura e fresca em abundância nos grandes centros, o refino e distribuição deprodutos petrolíferos seriam muito lentos e não existiria aquecimento automático nas casas. Por definição, uma válvula é um acessório destinado a bloquear, restabelecer,controlar ou interromper o fluxo de uma tubulação. As válvulas de hoje podem, além decontrolar o fluxo, controlar o nível, o volume, a pressão, a temperatura e a direção doslíquidos e gases nas tubulações. Essas válvulas, por meio da automação, podem ligar edesligar, regular, modular ou isolar. Seu diâmetro pode variar de menos de uma polegada até maiores que 72 polegadas.Podem ser fabricadas em linhas de produção, em bronze fundido, muito simples e disponívelem qualquer loja de ferramentas ou até ser o produto de um projeto de precisão, com umsistema de controle altamente sofisticado, fabricada de uma liga exótica de metal para serviçoem um reator nuclear. As válvulas podem controlar fluidos de todos os tipos, do gás mais finoa produtos químicos altamente corrosivos, vapores superaquecidos, abrasivos, gases tóxicos emateriais radioativos. Podem suportar temperaturas criogênicas à de moldagem de metais, epressões desde altos vácuos até pressões altíssimas. Em qualquer instalação deve haver sempre o menor número possível de válvulas,compatível com o funcionamento da mesma, porque as válvulas são peças caras, onde semprehá possibilidade de vazamentos (em juntas, gaxetas etc.) e que introduzem perdas de carga, àsvezes de grande valor. As válvulas são, entretanto peças indispensáveis, sem as quais astubulações seriam inteiramente inúteis. As válvulas representam, em média, cerca de 8% do custo total de uma instalação deprocessamento. A localização das válvulas deve ser estudada com cuidado, para que amanobra e a manutenção das mesmas sejam fáceis, e para que as válvulas possam serrealmente úteis.Tipos de Válvulas Existe uma grande variedade de válvulas, e, em cada tipo, existem diversos subtipos,cuja escolha depende não apenas da natureza da operação a realizar, mas também daspropriedades físicas e químicas do fluido considerado, da pressão e da temperatura a que seachará submetido, e da forma de acionamento pretendida. Existe uma grande variedade de válvulas, e, em cada tipo, existem diversos subtipos,cuja escolha depende não apenas da natureza da operação a realizar, mas também daspropriedades físicas e químicas do fluido considerado, da pressão e da temperatura a que seachará submetido, e da forma de acionamento pretendida. Existe uma grande variedade de tipos de válvulas, algumas para uso geral, e outraspara finalidades específicas. São os seguintes os tipos mais importantes de válvulas:Válvulas de Bloqueio (block-valves)a) Válvulas de gaveta (gate valves). Esse é o tipo de válvula mais importante e de uso mais generalizado. Os principaisempregos das válvulas de gaveta são os seguintes (Válvulas de gaveta figuras):i) Em quaisquer diâmetros, para todos os serviços de bloqueio em linhas de água, óleos elíquidos em geral, desde que não sejam muito corrosivos, nem deixem muitos sedimentos outenham grande quantidade de sólidos em suspensão. ii) Em diâmetros acima de 8” parabloqueio em linhas de vapor. iii) Em diâmetros acima de 2” para bloqueio em linhas de ar. 48
  • 49. São usadas para quaisquer pressões e temperaturas. Não são adequadas paravelocidades de escoamento muito altas. O fechamento nessas válvulas é feito pelo movimento de uma peça chamada de gaveta, que se desloca paralelamente ao orifício da válvula, e perpendicularmente ao sentido geral de escoamento do fluido. Quando totalmente aberta a perda de carga causada é muito pequena. Só devem trabalhar completamente abertas ou completamente fechadas.Quando parcialmente abertas, causam perdas de carga elevadas e também laminagem da veiafluida, acompanhada muitas vezes de cavitação e violenta corrosão e erosão. São sempre de fechamento lento, sendo impossível fechá-las instantaneamente: otempo necessário para o fechamento será tanto maior quanto maior for a válvula. Essa é umagrande vantagem das válvulas de gaveta, porque assim controla-se o efeito dos golpes dearíete. As válvulas de gaveta dificilmente dão uma vedação absolutamente estanque(bubble-tight closing); entretanto, na maioria das aplicações práticas, tal vedação não énecessária. As válvulas de gaveta, como têm o fechamento de metal contra metal, sãoconsideradas de segurança em caso de incêndio, desde que os metais empregados sejam dealto ponto de fusão.b) Válvula macho (plug, cock valves). É o tipo de válvula cujo obturador é um macho paralelo ou cônico que gira em torno da sua haste de modo a alinhar a sua abertura com as aberturas do corpo. Com apenas um quarto de volta se faz a abertura ou o fechamento da válvula e o fluxo é sempre suave e ininterrupto. A passagem pode ser integral ou reduzida e os machos podem ser lubrificados ou não e quando não lubrificados os machos podem incorporar dispositivosdestinados a reduzir o atrito entre as partes móveis, com omacho revestido com teflon e pode ainda ser do tipo fire-safe. Nas válvulas com machos lubrificados o lubrificantedeve ser não solúvel no fluido circulante e este tipo de válvula,com macho lubrificado, tem seu emprego destinado aomanuseio de óleos, produtos graxos muito densos, refino depetróleo sob altíssimas pressões, até 6000 psi e temperaturasentre -30 e 300 °C. Existem válvulas de macho com duas, três ou atéquatro vias. As válvulas machas representam em média cercade 10% de todas as válvulas usadas em tubulações industriais (figura: Válvula Macha). 49
  • 50. Existem dois tipos gerais de Válvulas machos: válvulas com e sem lubrificação. Nas válvulascom lubrificação há um sistema de injeção de graxa lubrificante sob pressão através do machopara melhorar a vedação e evitar que o macho possa ficar preso; são as válvulas geralmenteempregadas em serviços com gases. O lubrificante usado deve ser tal que não se dissolva nemcontamine o fluido conduzido. O macho tem sempre rasgos para a distribuição do lubrificantepor toda superfície de contato com as sedes.c) Válvulas de esfera (ball valves). É a válvula de bloqueio que até pouco tempo representava a minoria das válvulasinstaladas, mas que a partir do final da década de 80 passou a ganhar o espaço perdido pelasválvulas de gaveta, por serem mais eficientes e de menor custo. Sua principal característica éa mínima perda de carga para os modelos de passagem plena e a baixa perda de carga para osoutros modelos devido à pequena obstrução do fluxo quando totalmente abertas. Podemos dizer que a válvula de esfera representa uma evolução da válvula demacho. As vantagens das válvulas de esfera sobre as de gaveta são o menor tamanho, peso ecusto, melhor vedação, maior facilidade de operação e menor perda de carga. Essas válvulassão também melhores para fluidos que tendem a deixar depósitos sólidos, por arraste,polimerização, coagulação etc.: A superfície interna lisa da válvula dificulta a formaçãodesses depósitos, enquanto que, para a válvula de gaveta, o depósito pode impedir ofechamento completo ou a própria movimentação da gaveta. Algumas válvulas de esfera são“à prova de fogo”, com dispositivos especiais de dupla sede garantindo perfeita vedação,mesmo no caso de destruição dos anéis retentores, estando à válvula envolvida por umincêndio.Válvulas de Regulagem (throttling valves)a) Válvulas globo (globe valves). Válvulas globo têm esse nome universalizado devido àforma globular concebida inicialmente no projeto de seucorpo. Também conhecida como registro de pressão, assimcomo a de agulha, presta-se a regular vazão e bloquear ofluxo de fluidos em uma tubulação (Figura 4). Existem desde asválvulas domésticas (a maioria das válvulas de lavatórios,chuveiros e pias são válvulas de globo, com a vedação sendo chamada de “carrapeta”), até válvulas com cerca de DN 300 (12”) ou até mesmo DN 400 (16”). Seu funcionamento para abrir ou fechar é feito manualmente por um volante fixo à extremidade da haste e quando girada, promoverá um movimento de translação em sentido ascendente ou descendente do obturador acoplado à outra extremidade da haste que atuará na sede localizada no corpo da válvula, abrindo, fechando ou regulando a passagem do fluxo. Existem quatro versões deste tipo de válvula, todas elas com características comuns quanto ao funcionamento, mas com projetos de disposição do corpo de forma tal que asdiferenciam, proporcionando assim melhores opções aos projetistas e instaladores emmontagens de tubulações. Como regra geral, as Válvulas globo devem ser instaladas de 50
  • 51. forma que o fluido entre pela face inferior do tampão. As Válvulas globo são usadasprincipalmente para serviços de regulagem e de fechamento estanque em linhas de água,óleos, líquidos em geral (não muito corrosivos), e para o bloqueio e regulagem em linhas devapor e de gases. Para todos esses serviços as Válvulas globo são empregadas para quaisquerpressões e temperaturas, em diâmetros até 8”. Não é usual o emprego de Válvulas globo emdiâmetros maiores porque seriam muito caras e dificilmente dariam uma boa vedação.b) Válvulas de agulha (needle valves). Também conhecida simplesmente por “válvula de agulha”, ou ainda como “globo ponta deagulha” são as válvulas destinadas à regulagem precisa de vazão. A válvula de agulha é uma variação das válvulas globo e, portanto de funcionamento idêntico. Ela difere basicamente no seu elemento de vedação (obturador) que se caracteriza pelo seu formato cônico extremamente agudo, normalmente constituído na própria extremidade da haste que promove os movimentos de abertura, fechamento e principalmente regulagens. Este tipo de válvula tem o orifício de passagem bastante reduzido em relação à bitola da válvula para que se possa obter uma maior precisão nas regulagens de vazão. As válvulas de agulha são indicadas para serem utilizadas em aparelhos de instrumentação de ar comprimido, gases e líquidos homogêneos em geral com baixa viscosidade. c) Válvulas borboleta (butterfly valves). A válvula borboleta, uma das mais antigas, recebe esse nome em função da aparência se seu oburador tem porfunção a regulagem e o bloqueio do fluxo em umatubulação e pode trabalhar em várias posições defechamento parcial. O fechamento da válvula é feitopela rotação de uma peça circular, chamada disco, emtorno de um eixo perpendicular à direção deescoamento do fluido. Quase todas as válvulas deborboleta têm anéis de sede em elastômeros, com quais se consegue uma excelente vedação.As válvulas de borboleta foram originalmente concebidas como válvulas de regulagem, masdevido ao aprimoramento da sede pode também trabalhar como válvulas de bloqueio. Éutilizada principalmente em sistemas de adução e de distribuição de água bruta ou tratada, eem estações de tratamento de água e de esgotos e ainda é utilizada na indústria química,petroquímica, farmacêutica e alimentícia. Podem ser usadas em serviços de alta corrosão, poisexistem válvulas com revestimento anticorrosivo tanto no corpo como na haste e no disco defechamento. São utilizadas em tubulações contendo líquidos, gases, inclusive líquidos sujosou contendo sólidos em suspensão, bem como para serviços corrosivos. As vantagens de umaválvula borboleta são muitas, como a facilidade de montagem, construção compacta, robusta e 51
  • 52. leve ocupando pequeno espaço, excelentes características de escoamento com alta capacidadede vazão, baixo custo e bom desempenho como válvula de regulagem e de controle. d) Válvulas de diafragma (diaphragm valves). Este tipo de válvula tem origem de seunome ligada a um componente que realiza a sua vedação: o diafragma. Trata-se de uma peça moldada e prensada feita de borracha ou plástico. De construção bastante simples estas válvulas se compõem de três unidades: corpo, diafragma e tampa. Dispensam qualquer tipo de engaxetamento da haste. São de fácil manutenção e normalmente dimensionadas para trabalho contínuo por longos períodos, com uma condição mínima de manutenção. A geometria de seu corpo representa um perfil angular permitindo receber vários tipos de revestimentos, tais como: borracha, ebonite,vidro, teflon, etc. Além disso, o mecanismo de acionamento é completamente isolado dofluido que passa em seu corpo, evitando assim elementos como juntas e gaxetas. As válvulas de diafragma são quase sempre válvulas pequenas (até 6”), geralmentede materiais não metálicos ou de metais com revestimentos internos especiais contra acorrosão (ebonite, borracha, plásticos, vidro, porcelana etc.). A temperatura limite de trabalhoda válvula está em geral na dependência do material empregado no diafragma, que variaconforme o fluido conduzido (borracha natural, borrachas sintéticas, neoprene, teflon etc.).Válvulas que Permitem o Fluxo em Um só Sentidoa) Válvulas de retenção (check valves). As válvulas de retenção caracterizam-se pela auto-operação proporcionada pelas diferenças de pressão entre montante e jusante exercidas pelo fluido em consequência do próprio fluxo, não havendo necessidade da atuação do operador. As válvulas de retenção são denominadas de“válvulas unidirecionais” e são instaladas com a finalidade de evitar a inversão no sentido dofluxo, o refluxo. Quando ocorre ainterrupção no fornecimento deenergia das bombas e,consequentemente ocorre a parada doescoamento, as válvulas deretenção se fecham impedindo orefluxo e retendo a coluna dofluido na tubulação. Como funçãosecundária, são importantes para a manutenção da coluna de líquido durante a paralisação efundamentais também para se evitar que a sobre pressão causada por golpes de aríete 52
  • 53. resultantes da parada brusca do escoamento chegue às bombas.b) Válvulas de pé (foot valves). São válvulas de retenção especiais para manter a escorva (linha com líquido) naslinhas de sucção de bombas; devem ser instaladas na extremidade livre da linha, ficandomergulhadas dentro do líquido no reservatório de sucção. Essas válvulas são semelhantes àválvulas de retenção de levantamento, tendo geralmente no tampão um disco de materialresiliente (plásticos, borracha etc.), para melhorar a vedação. Possuem também uma gradeexterna de proteção.Válvulas que Controlam a Pressão de Montantea) Válvulas de segurança e de alívio (safety, relif valves). São válvulas que têm por finalidade a proteção pessoal e a proteção de linhas eequipamentos. É uma válvula de auto-operação, usando a energia do próprio fluido para a suaoperação, abertura ou fechamento. Devem ser instaladas diretamente ligadas aos pontos aserem protegidos e entre a tubulação e a entrada válvula de segurança/ alívio não pode nadaque possa impedir o fluxo, não pode haver uma válvula de bloqueio para manutenção e nemmesmo uma figura oito. A passagem deve estar completamente livre entre a tubulação a serprotegida e a válvula de segurança/alívio. O tubo de saída da válvula, o alívio, deverádescarregar em uma área segura e completamente livre. Para ar comprimido, vapor e gasesinertes o ponto de descarga pode ser a atmosfera, em um ponto acima do local mais alto daedificação, seguro para a presença de pessoas. Para líquidos esse ponto poderá ser o própriotanque que contém o fluido ou ainda um tanque destinado especialmente para esse fim.Acessórios Podemos dar a seguinte classificação de acordo com as finalidades e tipos dosprincipais acessórios de tubulação. Não existe uma distinção muito rígida entre asdenominações “curva” e “joelho”, chamados às vezes de “cotovelos”; de um modo geral, osacessórios de raio grande são chamados de “curvas”, e os de raio pequeno são chamados de“joelhos”. Os acessórios de tubulação podem também ser classificados de acordo com osistema de ligação empregado; teremos, então. Os acessórios rosqueados são usados normalmente em tubulações prediais e em 53
  • 54. tubulações industriais secundárias (água, ar, condensado de baixa pressão etc.), todas até 4”.Utilizam-se também esse acessórios nas tubulações que, devido ao tipo de material ou aoserviço, sejam permitidas as ligações rosqueadas, tais como boa parte das tubulações de ferrofundido, ferro forjado, materiais plásticos, cobre etc., geralmente até o limite de 4”. Oemprego desses acessórios está sujeito às mesmas exigências e limitações impostas àsligações rosqueadas para tubos. Os acessórios de ferro fundido são empregados emtubulações de grande diâmetro (adutoras, linhas de água e de gás) e baixa pressão, onde sejanecessário grande facilidade de desmontagem. Essas peças são fabricadas com flanges de faceplana, em duas classes de pressão (125# e 250#), abrangendo diâmetros nominais de 1” até24”. Os acessórios flangeados de ferro fundido estão padronizados na norma P-PB-15 eABNT e ANSI.B.16.1, que especificam dimensões e pressões de trabalho. Os acessórios flangeados de aço fundido, de uso bastante raro na prática, podem serusados em tubulações industriais, para uma grande faixa de pressões e temperaturas detrabalho, mas o seu emprego deve ser restringido apenas aos casos em que seja indispensáveluma grande facilidade de desmontagem ou a algumas tubulações com revestimentos internos,devido ao custo elevado, grande peso evolume, necessidade de manutenção erisco de vazamentos. As dimensões,pressões, e temperaturas de trabalhosão as estabelecidas na normaANSI.B.16.5. Existem ainda acessóriosflangeados de muitos outros materiais,tais como latões, alumínio, plásticosreforçados com fibras de vidro (paratubos “FRP” - Fiberglass ReinforcedPlastic), e também ferro com alguns tipos de revestimentos internos anticorrosivos. Nosacessórios com revestimentos internos, o revestimento deve abranger obrigatoriamentetambém as faces dos flanges, para garantir a continuidade da proteção anticorrosiva. Osacessórios podem se classificados quanto à sua função: Fazer mudanças de direção em tubulações$ Curvas de raio longo$ Curvas de raio curto$ Curvas de redução $ Joelhos (elbows) $ Joelhos de redução de 2 ½º 45º, 90º e 180º.  Fazer derivações em tubulações $ Tês normais (de 90º) $Tês de 45º $Tês de redução $ Peças em “Y” $ Cruzetas (crosses) $ Cruzetas de redução $ Selas (saddles) $Colares (sockolets, Weldolets etc.), $ Anéis de reforço. 54
  • 55.  Fazer fechamento da extremidade de um tubo$ Tampões (caps)$ Bujões (plugs)$ Flanges cegosMedidores de Vazão Medidor de vazão é todo dispositivo que permite,de forma indireta, determinar o volume de fluido que passaatravés de uma dada seção de escoamento por unidade detempo. O princípio de funcionamento de um medidor devazão pode ser baseado em um dos seguintesfundamentos:- Pesagem; - Efeito da força de arrasto; - Equação da Energia.a) Pesagem: Baseia-se no fato de que a vazãopode ser determinada a partir do fluxo de massaque atravessa uma seção durante o intervalo detempo. Os instrumentos necessários para efetuareste tipo de medição são uma balança e umcronômetro.O método apresenta como restrições:@ a necessidade de se desviar o fluxo;@ a medição não é instantânea, isto é, requertempo para que uma amostra de fluido sejacoletada.b) Efeito da força de arrasto: Baseia-se no fato daforça de arrasto ser proporcional ao quadrado da velocidade média do escoamento na seção.Um dispositivo que emprega este método é denominado “Rotâmetro”. O Rotâmetro éconstituído por um tubo transparente cônico graduado, por onde escoa o fluido, e por umflutuador (mais pesado que o fluido) que se posiciona dentro do tubo cônico em conformidade com o valor da vazão. c) Equação da Energia: Consiste em se alterar a seção de escoamento para que sejam verificadas variações nos termos da equação da energia aplicada entre estas seções de cada tipo de medidor. Dentre os medidores de vazão que empregam este fundamento destacam-se: c1) Vertedouro: é empregadopara medição de vazão em canais abertos. Consiste na redução da seção de escoamentoatravés da introdução de uma placa vertical. A vazão, obtida pela aplicação da Equação da 55
  • 56. Energia das secções 1 e 2, é função da altura H conforme a relação:Cw é um coeficiente obtido experimentalmente que permitea obtenção da vazão real no vertedouro a partir da vazãoideal obtida por meio do modelo simplificado mostrado nafigura acima.c2) Placa de orifício (ou diafragma ou orifício de bordos delgados) c3) Bocal c4) TuboVenturi. Estes três últimos dispositivos são os objetos desta experiência e serão analisados detalhadamente nos fundamentos teóricos. # Placa de orifício: A placa de orifício consiste num disco com um orifício central com saída em ângulo que deve ser montado concêntrico ao eixo do conduto cilíndrico, provido de duastomadas de pressão, uma a jusante e outra a montante do disco, conforme mostra a Figuraacima do lado esquerdo.# Tubo Venturi (figura ao lado direito).O tubo Venturi é um dispositivo composto por: - um trecho de tubulação de entrada comseção igual à do conduto ao qual está acoplado e onde está instalado um anel piezométrico para medir a pressão estática nesta seção; - uma tubeira convergente que tem por objetivo uniformizar a distribuição de velocidade na seção circular reduzida, chamada garganta, também munida de um anel piezométrico para medição de pressão estática; - uma tubeira divergente que, gradualmente, leva a seção circular da garganta de volta à medida do conduto. # Bocal (figura ao lado esquerdo): É um medidor semelhante ao tubo Venturi, porém sem a tubeira divergente, sendo também chamado tubo Venturi curto. Vasos de Pressão Os produtos químicos e petroquímicos a partir dos quais o homem obtém energia,matéria-prima para a elaboração de compostos, etc., não são encontrados na natureza naforma como precisam ser consumidos ou utilizados. Para chegar às suas características deconsumo, o produto que o homem explorou e extraiu da natureza precisa sofrer na indústriauma série de processamentos, transformações e estocagem até a sua utilização. Na indústria, o 56
  • 57. processamento e estocagem de muitos produtos são feitos a pressões maiores ou menores quea atmosférica. Dessa maneira, são empregados recipientes fechados e com resistência parasuportar pressões no seu corpo, assim como temperaturas que extrapolam o ambiente. Essesequipamentos, denominados “vasos de pressão”, por operarem normalmente sujeitos apressão e/ou temperaturas elevadas, são considerados equipamentos de alto risco, porconterem grande quantidade de energia acumulada no seu interior. A faixa de variação de pressões e de temperatura de trabalho dos vasos de pressão émuito extensa. Existem vasos de pressão trabalhando desde o vácuo absoluto até cerca de4.000Kg/cm2 (~400 Mpa), e desde próximo zero absoluto até temperaturas da ordem de1500ºC. Os vasos de pressão podem ter grandes dimensões e pesos, havendo alguns com maisde 60m de comprimento de outros com mais de 200 t de peso.Definição: O nome vaso de pressão designa genericamente todos os recipientes estanques, dequalquer tipo, dimensões, formato ou finalidade, capazes de conter um fluido pressurizado.Dentro de uma definição tão abrangente inclui-se uma enorme variedade de equipamentos,desde uma simples panela de pressão de cozinha até os mais sofisticados reatores nucleares.Aplicações: Os vasos de pressão são todos os reservatórios destinados ao armazenamento eprocessamento (transformações físicas ou químicas) de líquidos e gases sob pressão ousujeitos a vácuo total ou parcial. Podemos também definir os vasos de pressão como sendotodos os reservatórios, de qualquer tipo, dimensões ou finalidade, não sujeitos a chama, quecontenham qualquer fluido em pressão manométrica igual ou superior a 1,02 kgf/cm2 ousubmetidos á pressão externa. Os vasos de pressão são empregados em três condiçõesdistintas:∅ Armazenamento de gases sob pressão: Os gases são armazenados sob pressão para que se possa ter um grande peso em um volume relativamente pequeno.∅ Acumulação intermediária de líquidos e gases: Isto ocorre em sistemas onde é necessária armazenagem de líquidos ou gases entre etapas de um mesmo processo ou entre processos diversos.∅ Processamento de gases e líquidos: Inúmeros processos de transformação em líquidos e gases precisam ser efetuados sob pressão. A construção de um vaso de pressão envolve uma série de cuidados especiaisrelacionados a seu projeto, fabricação, montagem e testes. Isto porque um vaso de pressãorepresenta:∅ Grande risco: Normalmente opera com grandes pressões e temperaturas elevadas.∅ Alto investimento: E um equipamento de custo unitário elevado.∅ Continuidade Operacional: Deve-se operar por um máximo período possível em condições de segurança, sem a necessidade de parar o equipamento para manutenção, reduzindo os custos operacionais.Classificação dos Vasos de Pressão Podemos fazer a seguinte classificação dos vasos de pressão Vasos não sujeitos a Chama. ∅ Vasos de armazenamento e de acumulação. ∅ Torres de destilação fracionada, retificadora, absorvedora e etc. ∅ Reatores diversos ∅ Esferas de Armazenamento de gases ∅ Permutadores de calor.Vasos sujeitos a chama. 57
  • 58. ∅ Caldeiras ∅ Fornos Quanto à pressão de operação os vasos podem ser classificados quanto a sua pressão de operação em: ∅ Vasos atmosféricos 0 a 0,5 psig; 0 a 0,035 kg/cm2; 0 a 0,3 atm. ∅ Vasos de baixa pressão 0,5 a 15 psig 0,033 a 1,054 kg/cm2 0,033 a 0,1020 atm. ∅ Vasos de alta pressão15 a 3000 psig 1,054 a 210,81kg/cm2 1,020 a 204,07 atm. Quanto à posição de instalação (dimensão em relação do solo): Baseando-se na posição em que essas três dimensões estão em relação ao solo, podemos classificar os vasos de pressão como mostrado a seguir:∅ Cilíndrico Vertical: DI e DE, paralelos em relação ao solo e CET, perpendicular ao solo.∅ Cilíndrico inclinado: DE, Dl, CET, inclinados em relação ao solo.∅ Cilíndrico horizontal: DE, DI perpendiculares ao solo e CET, paralelo ao solo.∅ Esférico: Quando a dimensão CET não pode ser definida. O comprimento entre tangentes (CET) é o comprimento total do corpo cilíndrico, oua soma dos comprimentos dos corpos cilíndricos e cônicos sucessivos. As linhas de tangência,que limitam o comprimento entre tangentes, são linhas traçadas próximo a ambos os extremosdo casco, na tangência entre o corpo cilíndrico e os tampos de fechamento.Descrição: A variedade de tipos e detalhes de peças internas em vasos de pressão é muitogrande, dependendo essencialmente do serviço para o qual o vaso se destina. Todas as peçasinternas que devem ser desmontáveis (grades, bandejas, distribuidores, defletores, extratoresde névoa, etc.) devem ser obrigatoriamente subdivididas em seções, de tal maneira que cadaseção possa passar com facilidade através das bocas de visita dos vasos.a) Componentes estruturais:i) Casco  O casco dos vasos de pressão tem sempre o formato de uma superfície derevolução. Quase todos os vasos, com raras exceções, tem o casco com uma das três formasbásicas: cilíndricas, cônicas e esféricas, ou combinações dessas formas.ii) Tampos  São peças de fechamento dos cascos cilíndricos dos vasos de pressão. Ostampos podem ter vários formatos, dos quais os mais usuais são os seguintes: semielípticos,toro-esféricos, cônicos, hemisférico e plano. A escolha do tipo de tampo é função dedeterminados fatores.b) Abertura e Reforços Todos os vasos de pressão têm sempre várias aberturas com diversasfinalidades.1 – Bocais: São as aberturas feitas nos vasos para:• Ligação com tubulações de entrada e saída de produto.• Instalação de instrumentos, drenos e respiros.Bocas de Visita: São as portas de acesso ao interior dos vasos. Na maioria dos casos as bocasde visita são construídas de modo similar a um bocal flangeado, sendo a tampa um flangecego. São componentes colocados nas aberturas de diâmetro maior, de forma a compensar aperda de massa resistente dessas aberturas. Podem ainda existir aberturas para permitir aligação entre o corpo do vaso e outras panes do mesmo vaso; por exemplo, ligação a potes dedrenagem.c) Acessórios externos dos vasos de pressão  Os vasos de pressão podem ter diversos tiposde acessórios externos, dentre os quais podemos citar como exemplo: i) Com anel de reforço,ii) Com chapa de maior espessura; iii) Com peça forjada integral; iv) Reforço de vácuo;v) Anéis de suporte de isolamento térmico externo; vi) Chapas de ligação, orelhas oucantoneiras para suportes de tubulação, plataformas, escadas ou outras estruturas; vii)Suportes para turcos de elevação de carga; viii) Turcos para as tampas de bocas de visita eoutros flanges cegos.d) Suportes  Existem vários tipos de estruturas de suporte, tanto para vasos verticais como 58
  • 59. para horizontais. A maioria dos vasos horizontais são suportados em dois berços (selas),sendo que para permitir a dilatação do vaso, em um dos berços os furos para os chumbadoressão ovalados. i) Reforços para vácuo, ii) Suportes para isolamento no fundo; iii) Suportes paraisolamento térmico; iv) Orelhas para fixar escadas ou plataformas. Os vasos verticais são usualmente sustentados por uma “saia” de chapa, emboravasos verticais de pequenas dimensões possam também ser sustentados em sapatas oucolunas. As torres devem ser suportadas por meio de saias. A saia de suporte deve ter umtrecho com 1000 mm de comprimento a partir da ligação com o vaso, com o mesmo materialdo casco. TROCADORES DE CALORTroca Térmica Quando falamos em transmissão de calor, estamos falando em transferirenergia térmica de um sistema para outro ou para parte de outro sistema, e isto é feito atravésde um equipamento chamado de trocador de calor ou permutador de calor.Trocador de Calor ou Permutador De Calor São equipamentos estáticos, onde se processa a troca térmica através da interface metálica de um tubo ou um feixe tubular, acondicionado em um invólucro metálico chamado de casco. Figura abaixo esquema básico de um trocador de calor. Classificação dos Trocadores de Calor  De uma forma geral podemos classificar os trocadores de diversas maneiras:@ Quanto ao processo de troca; @ Quanto ao nº de fluidos;@ Tipo de construção. Classificação de acordo o Processo de Transferência Este por sua vez se divide em dois tipos:@ Contato Direto @ Contato Indireto.a) Contato Indireto Neste tipo de trocador, os fluidospermanecem separados e o calor é transferidocontinuamente através de uma parede, pela qual serealiza a transferência de calor. E eles se classificamem trocadores de transferência direta e dearmazenamento.1 – Trocadores de transferência direta  Neste tipohá um fluxo continuo de calor do fluido quente aofluido frio através de uma parede que os separa. Nãohá mistura entre eles, pois cada corrente permanece empassagens distintas, e os principais tipos são os deplacas de superfície estendida e os tubulares. que seráobjeto de nossos estudos (figura ao lado).2 – Trocador de armazenamento Neste tipo os fluidos percorrem alternadamente as mesmas passagens, e a superfície 59
  • 60. de transferência é chamada de matriz (figura do lado direito).b) Contato Direto Neste trocador os fluidos se misturam, além de troca térmica há também atransferência de massa, sua aplicação esta limitada a fluidos permissíveis. Classificação de acordo a construção Estes se classificam em tubular e tipo placa. Os tubulares se subdividem em casco etubo, tubo duplo e serpentina. a)Tubular1 – Tipo Casco Tubo Construído de tubos circulares, trabalham com líquido-líquido (um ou duas fases),tem grande eficiência com gás – gás principalmente a elevadas temperaturas e pressões, 60
  • 61. podem ser carcaça-tubo, duplo tubo ou espiral.2 – Tipo Tubo Duplo Consiste em dois tubos concêntricos, de construção simples onde um fluido escoapelo tubo interno e o outro pela parte anular entre tubos em contra fluxo ou contra corrente,geralmente usado para pequenas capacidades.3 – Tipo SerpentinaEste tipo consiste de uma ou mais serpentinas ordenada em uma carcaça, possui alta eficiênciae as expansões térmicas não são problemas, porém a limpeza é complicada.b) Trocador de placasEste tipo é normalmente construído com placas planas lisas ou com ondulações. Nãosuportam grandes pressões nem altas temperaturas comparando aos tubulares.Materiais de Construção dos Trocadores de Calora) Tubos: são geralmente de aço carbono comum, quando o meio não é agressivo.Conforme a agressividade do meio emprega-se:@ Aços liga (4 - 6% Cr) @Aços inoxidáveis - (Cr-Ni ou Cr -Ni-Mo)@ Latões (Cu-Zn), bronze (Cu-Sn) @ ligas de Cu-Ni, alumínio, duplex,b) Casco: geralmente é feito de aço carbono, em chapas, que são calandradas e soldadas, nocaso de não haver tubo nas dimensões desejadas.Escolha do Tipo de Fluido O permutador já está para receber determinados líquidos nos tubos e no casco. Isto éescolhido pelo projetista do permutador de calor. Não há regras fixas que estabeleçam qual otipo de fluido deve passar pelos tubos.@ Quem passa por onde:a) Líquidos sujos, carregando material em suspensão, porque é mais fácil remover a sujeirados tubos do que do casco;b) Líquidos corrosivos, porque é mais fáci1 substituir os tubos furados do que o casco;c) Líquidos de alta pressão. O casco não é construído para resistir a pressões muito altas.d) Água de refrigeração, por facilidade de limpeza;e) Vapor dágua, porque a água de condensação pode ser arrastada.f) Fluidos que passam no casco,g)Vapores em grande, volume, porque a condensação dos vapores provoca turbulência,aumentando a troca de calor;h) Líquidos que, passando pelo permutador, devem ter baixa queda de pressão.i) Entre os líquidos de propriedades semelhantes, deve passar pelos tubos aquele de maiorpressão, maior temperatura e o mais corrosivo.Instrumentações de Controle A instrumentação relacionada com o permutador de calor está localizada nastubulações de entrada e saída do mesmo. Essa instrumentação varia com a finalidade dopermutador no processamento.Operações em um Trocador de Calor@ Recomendações Gerais1 – Condições de Segurança  A temperatura e a pressão limites, nas quais devem trabalharos tubos e o casco, estão especificadas na chapinha do fabricante presa ao permutador. Elasnão devem ser ultrapassadas. Assim, nos resfriadores, a temperatura de saída não deve 61
  • 62. exceder de certo valor (70°C) para evitar deposição de sais.2 – Aquecimento e Resfriamento  Tanto na partida como na parada, os permutadores decalor devem ser aquecidos ou resfriados lentamente. Isto é particularmente importante quandoas temperaturas de operação são elevadas. A rápida entrada de um líquido a alta temperaturapode provocar desigualdades de expansão nos tubos, causando vazamento nos mesmos edeformação do feixe.3 – Partida  Entra primeiro o fluido mais frio. Se o fluido mais frio está ligeiramentequente, então, deixa-se o mesmo entrar lentamente. Quanto mais quente o fluido, mais lentadeve ser a sua passagem pelo permutador de calor.4 – Parada  Primeiro fecha-se a entrada do flui do mais quente. Se isto não for observado,pode haver vazamento nos tubos, O mesmo pode acontecer na partida, se não entrar primeiroo fluido mais frio.5 – Suprimento de água  Falha no suprimento de água do resfriador pode trazer sériasconsequências. Quando o fluido a esfriar é muito quente, a interrupção da água provoca umgrande aquecimento, do aparelho. Se a água volta a circular, haverá um resfriamento bruscodo permutador. Esta mudança rápida de temperatura afrouxa parafusos e abre as juntas. Porisso é necessário um fluxo contínuo de água.6 – Condensado  Sempre se deve drenar a água de um ebulidor ou aquecedor, para evitar ofenômeno chamado martelo hidráulico. Isto pode ser explicado da seguinte maneira: supondo-se água acumulada nos tubos do ebulidor e abrindo-se a válvula do vapor d’água, este vaiconduzir a água a uma grande velocidade até encontrar um obstáculo, provocando um grandechoque. Este impacto severo (martelo hidráulico) pode causar ruptura de material.Operações de Manutenção@ Intervenções básicas1 – Perda de Eficiência:a) O permutador está sujo e, neste caso, não há eficiente troca calor.b) O carretel ou a tampa do flutuante não estão instalados corretamente; assim sendo, ocaminho do fluido dentro do permutador não se processa de acordo com o projetado.c) A tubulação que se liga ao permutador não dá a vazão para a qual o aparelho foi Projetado.d) As condições de operação diferem daquelas para as quais o permutador foi projetado.2 – Limpeza:– A eficiência do permutador de calor depende da limpeza dos tubos. Durante a operação,sujeira se acumula dentro e fora dos tubos prejudicando grandemente a troca de calor, comotambém aumentando a queda de pressão do fluido. Essa sujeira é formada por depósitos desais, ferrugem, coque, pó de coque, fibras vegetais, camadas de graxa, corpos demicrorganismos etc.– Há vários métodos de limpeza por vapor, limpeza mecânica e por inversão de fluxo.3 – Limpeza a vapor  Por este processo o permutador de calor não precisa ser desmontadopassa-se vapor pelo casco e pelos tubos, entrando por um respiradouro e carregando a sujeira,por um dreno. Esse método é eficiente para remover camadas de graxa ou depósitosagregados frouxamente nos tubos ou no casco do permutador de calor.4 – Limpeza Mecânica– Usando este método, o permutador de calor necessita ser desmontado. A turma demanutenção deve retirar a tampa do carretel, a tampa do casco e a tampa do flutuante.– Camadas de graxa, lama e sedimentos frouxos podem ser removidas dos tubos por meio dearames, escovas ou jatos de água.– Se os sedimentos estão duramente agregados nos tubos, entupindo-os, então usam-semáquinas perfuratrizes. Existem tipos variados dessas máquinas. Constam, essencialmente, deum eixo metálico que, girando dentro dos tubos, expulsa os sedimentos. Muitas vezes 62
  • 63. acontece que um feixe de tubos está muito sujo e numa parada não haverá tempo suficientepara limpá-lo. Então, retira-se o feixe de tubos do permutador e substitui-se por outro.5 – Inversão de Fluxo  De acordo com a prática de operação deve-se fazer a inversão defluxo por algum tempo, provocando assim a retirada das sujeiras acumuladas. Normalmente,esta inversão só ocorre em trocadores com água salgada.6 – Limpeza Química  É um método pouco empregado, mas dependendo do fluido e dasanálises químicas da sujeira, pode se fazer a limpeza com um solvente adequado.7 – Vazamentos  Depois que um permutador de calor entra em serviço o feixe de tubospodem apresentar vazamentos. Isto é constatado pela mistura do fluido que passa nos tuboscom o fluido correndo no casco. Os vazamentos geralmente ocorrem num dos seguinteslugares:a) junção dos tubos no espelho fixo;b) junta entre o espelho flutuante e a tampa do flutuante;c) junções dos tubos no espelho flutuante;d) paredes dos tubos. OPERAÇÕES DE SEPARAÇÃO ENTRE SÓLIDO E LÍQUIDO (Decantação, sedimentação e Centrifugação).Decantação e Sedimentação A etapa de separação entre sólido líquido está entre as operações unitárias maisimportantes que hoje são empregadas em indústrias químicas, têxteis, farmacêuticas, nobeneficiamento de minério, bem como no processamento de alimentos, tratamento de água eresíduos, entre outras, pois muitos dos produtos industriais são suspensões de sólidos emlíquidos. Existem dois critérios de classificação dos métodos de separação:a) Quanto ao movimento relativo das fases.1 – Decantação  onde o sólido se move através do líquido em repouso. Esta pode sersubdividida de acordo com a concentração da suspensão. A clarificação de líquidos envolvesuspensões diluídas e tem como objetivo obter a fase líquida com um mínimo de sólidos. Oespessamento de suspensões visa obter os sólidos com um mínimo de líquido, partindo desuspensões concentradas.2 – Filtração  operação na qual o líquido se move através da fase sólida estacionária.b) Quanto à força propulsora. As operações são gravitacionais, centrífugas, por diferença depressão ou eletromagnéticas. Então, com a combinação destes critérios, tem-se a seguintedivisão:∅ Separação por decantação:– Clarificação de líquidos – Espessamento de suspensões – Lavagem de sólidos∅ Decantação invertida (Flotação), ∅ Separação centrífuga, ∅ Filtração.Separação por Decantação (Sedimentação Gravitacional) Definida como o movimento de partículas no seio de uma fase fluida, provocado pelaação da gravidade. Geralmente as partículas sólidas são mais densas que o fluido. O caso emparticular que será estudado é o de partículas sólidas que decantam através de uma faselíquida, apesar de haver decantação de sólidos ou líquidos em gases. A decantação pode tercomo objetivo a clarificação do líquido, o espessamento da suspensão ou ainda a lavagem dossólidos.∅ Clarificação do líquido: tem-se inicialmente uma suspensão com baixa concentração desólidos para obter um líquido com um mínimo de sólidos.∅ Espessamento da suspensão: inicialmente se tem uma suspensão concentrada para obter ossólidos com uma quantidade mínima possível de líquido. Geralmente tem a finalidade dereduzir o tamanho de filtros ou de centrífugas. Um decantador pode funcionar como 63
  • 64. clarificador ou espessador.∅ Lavagem dos sólidos: é a passagem da fase sólida de um líquido para outro, para lavá-lasem filtrar (operação mais dispendiosa). Esse processo pode ser realizado em colunas onde asuspensão alimentada pelo topo é tratada com um líquido de lavagem introduzido pela base. Adecantação das partículas sólidas realiza-se em suspensão de concentração praticamenteconstante. Porém são operações instáveis, pois existem escoamentos preferenciais intensoscausados pelas diferenças locais de concentração. Uma alternativa é utilizar decantadores emsérie operando em contracorrente.Tipos de Decantação A decantação pode ser livre ou retardada. No primeiro tipo as partículas encontram-se bem afastadas das paredes do recipiente e a distância entre cada partícula é suficiente paragarantir que uma não interfira na outra. Para que a sedimentação seja “livre” o número decolisões entre as partículas não pode ser exagerado, portanto pode-se ter sedimentação livreem suspensões concentradas. A decantação retardada ou ainda decantação com interferênciaocorre quando as partículas estão muito próximas umas das outras, sendo muito frequente onúmero de colisões. De um modo geral os fatores que controlam a velocidade de decantaçãodo sólido através do meio resistente são:– as densidades do sólido e do líquido; – o diâmetro e a forma das partículas;– a viscosidade do fluido. A viscosidade do fluido é influenciada pela temperatura, logo, dentro de certoslimites, é possível aumentar a velocidade de decantação através do aumento da temperatura.Porém, o diâmetro e as densidades são fatores mais importantes. É possível, antes dadecantação, realizar uma etapa visando o aumento das partículas. A digestão e a floculação são dois métodos utilizados com o objetivo de aumentar otamanho das partículas sólidas antes da decantação, etapa essencial no caso de sistemascoloidais (dispersão onde as partículas do disperso apresentam tamanho médio entre 1 e100nm, exemplo: gelatina ou amido em água), pois neste estado a decantação é impossível,uma vez que o movimento browniano (movimento aleatório de partículas macroscópicas numlíquido como consequência dos choques das moléculas do líquido nas partículas) e a repulsãoelétrica entre as partículas anulam a ação da gravidade. A digestão consiste em deixar asuspensão em repouso até que as partículas finas sejam dissolvidas enquanto as grandescrescem à custa das pequenas, na qual é utilizada no caso de precipitados. Isto ocorre devido amaior solubilidade das partículas menores com relação às maiores. A floculação consiste em aglomerar as partículas à custa de forças de Van Der Waals(força de atração entre as moléculas), dando origem a flocos de maior tamanho que o daspartículas isoladas. Dois fatores estão relacionados com o grau de floculação de umasuspensão:a) A probabilidade de haver o choque entre as várias partículas que vão formar o floco, quedepende da energia disponível das partículas em suspensão. Portanto, uma agitação brandafavorece os choques, aumentando o grau de floculação. Entretanto, a agitação não pode serintensa devido a possível desagregação dos aglomerados formados;b) A probabilidade de que, depois da colisão, elas permaneçam aglomeradas. O uso deagentes floculantes aumenta a probabilidade dos aglomerados recém-formados não sedesagregarem espontaneamente, são eles:1 – Eletrólitos  neutralizam a dupla camada elétrica existente nas partículas sólidas emsuspensão, eliminando dessa forma as forças de repulsão que favorecem a dispersão. Assim aspartículas podem aglomerar-se, formando flocos de dimensões convenientes. O poderaglomerante do eletrólito é diretamente proporcional a valência dos íons (regra de Hardy-Shulze). 64
  • 65. 2 – Coagulantes  provocam a formação de precipitados gelatinosos capazes de arrastarconsigo, durante a decantação, as partículas finas existentes em suspensão, como por exemplona clarificação de águas, na qual é muito utilizado sais de alumínio (sulfato de alumínio) e deferro.3 – Agentes Tensoativos  decantam arrastando consigo os finos de difícil decantação.4 – Polieletrólitos  são polímeros de cadeias longas com um grande número de pontosativos nos quais as partículas sólidas se fixam, formando flocos. A escolha do melhor floculante deve ser feita experimentalmente para cada casoespecífico. A separação entre sólido e líquido através do método de sedimentaçãogravitacional é aplicada há bastante tempo. Antigamente utilizavam-se recipientes ou poços(processo em batelada) principalmente para a clarificação de líquidos extraídos tais comovinho ou azeite. O processo em batelada é ainda praticado em indústrias que apresentam um baixofluxo, porém plantas industriais maiores requerem a implantação de uma operação contínua.A tendência de implantar os processos contínuos começou no final do século XIX quandoalguns processos de beneficiamento cresceram rapidamente, como por exemplo, obeneficiamento de minério de ferro e de carvão. Em tratamento de água, a finalidade da decantação (clarificação) é transformar asimpurezas que se encontram em suspensão fina, em estado coloidal ou em solução; bactérias,protozoários e o plâncton, em partículas maiores (flocos) que possam ser removidas pordecantação e filtração. A clarificação representa uma parte bastante delicada e importante dotratamento de água e, se ela for falha, podem-se ter problemas bastante sérios nas operaçõesseguintes. Dentre as partículas que se encontram na água provocando turbidez e cor, as quecausam maiores dificuldades de remoção são as partículas coloidais.Atualmente conhecemos como unidades clássicas de tratamento:a) Misturadores  unidade onde a água bruta recebe o coagulante. Tem por finalidadeproporcionar um movimento turbilhonar, a fim de que ocorra a dispersão da substânciaquímica empregada.b) Acondicionadores (floculadores)  são unidades onde a velocidade da água é diminuídapara favorecer a formação do floco, promovendo o contato e a atração do material emsuspensão.c) Decantadores  após as operações de coagulação e floculação a etapa seguinte é aseparação dos sólidos do meio no qual encontram-se suspensos. Isto é conseguido através dadecantação e/ou filtração. Estas etapas do processo de clarificação não se constituem comoprocessos independentes, mas sim complementares. A decantação objetiva a separação domaterial mais denso do que a água, enquanto que a filtração preocupa-se com partículas dedensidade próxima a da água.d) Filtros  seu objetivo básico é separar as partículas e microrganismos que não tenhamficado retidos no processo de decantação. Por esta razão a eficiência dos filtros dependediretamente do desempenho dos processos anteriores. As indústrias de alimentos utilizamlargamente operações unitárias fundamentadas nas operações físicas entre sólidos particuladose fluidos, como por exemplo:– Processos de cristalização (separação dos cristais);– Produção de cerveja: etapa de fabricação do mosto (separação do precipitado proteico e doscomponentes do lúpulo não solubilizados do mosto quente);– Produção de vinho: após a prensagem, o mosto deve ser clarificado por sedimentação,filtração ou centrifugação com o objetivo de remover os sólidos. Na sedimentação o mosto éresfriado a 15ºC e deve repousar entre 12 a 48 horas;– Processo de obtenção de açúcar de cana  A cana é inicialmente lavada, para remover aterra e os detritos, após é picada e esmagada em moendas, na preparação para a remoção do 65
  • 66. caldo e então, o caldo é extraído pela passagem da cana esmagada através de uma série demoendas. Para macerar a cana e auxiliar a extração, é possível adicionar água ou caldo diluídoàs moendas. O caldo é coado para remover impurezas grossas e tratado com cal para coagularparte da matéria coloidal, precipitar certas impurezas e modificar o pH. Além do agentealcalinizante, utilizam-se polieletrólitos, pois em pequenas quantidades (1 ou 2 ppm)melhoram a floculação. Adiciona-se um pouco de ácido fosfórico, pois os caldos que nãocontêm um pouco de fosfato não sãobem clarificados. A mistura éaquecida com vapor de água à altapressão e decantada em grandestanques (espessadores contínuos).Para recuperar o açúcar dos lodosdecantados, usam-se filtros a vácuo, atambor rotatório ou filtro prensa dequadro. O filtrado (caldo clarificado)é evaporado tornando-se um xaropegrosso. O xarope resultante é lançadono primeiro estágio de um evaporador a vácuo, onde atinge um determinado grau desupersaturação. Adicionam-se núcleos de açúcar cristal (semeadura) e pela adição de xaropegrosso e evaporação controlada, os cristais crescem até o tamanho desejado nessescristalizadores. A mistura de xarope e cristais (massa cozida) é lançada num cristalizadoronde há uma deposição adicional de sacarose sobre os cristais já formados, e a cristalizaçãoestá completa. Após a massa cozida é centrifugada para a remoção do xarope, esse xarope éreciclado para dar uma ou mais cristalizações. O líquido residual, depois da reciclagem, éconhecido como melaço. A sedimentação também é uma das principais operações envolvidasno tratamento primário de efluentes, e considerando o volume representativo de águaresiduária produzido por indústrias, inclusive de alimentos, e a atual preocupação com o ambiente, este tratamento primário deve ser observado com grande importância. Decantadores para Sólidos Grosseiros A separação de sólidos grosseiros de uma suspensão é uma operação mais simples de conduzir do que a de partículas finas. Esta separação pode ser realizada em tanques de decantação operando em batelada ou em processo contínuo. As partículas podem ser retiradas pelo fundo do decantador e o fluido um pouco acima, ou ambos pelo fundo, através de manobras adequadas. Porém, esses equipamentos não permitem a classificação dos sólidos pelo tamanho. Quando isto é necessário, seutilizam decantadores contínuos, cujosmodelos mais comuns são:1 – Decantador de rastelos  a suspensãoé alimentada num ponto intermediário deuma calha inclinada. Um conjunto de rastelosarrasta os grossos (decantados facilmente),para a parte superior da calha. Devido à 66
  • 67. agitação moderada promovida pelos rastelos, os finos permanecem na suspensão que éretirada através de um vertedor que existe na borda inferior da calha. 2 – Decantador helicoidal  semelhante ao anterior, onde a suspensão é alimentada num ponto intermediário de uma calha semicircular inclinada. A helicoide arrasta continuamente os grossos para a extremidade superior da calha. O movimento lento promovido pelo mecanismo transportador evita a decantação dos finos, que permanecem na suspensão sendo retirada através de um vertedor. 3 – Ciclone separador  a alimentação é feita tangencialmente na secção superior cilíndrica do ciclone por meio de uma bomba. Os finos saem pela abertura existente na parte superior e os grossos saem pelo fundo da parte cônica inferior, através de uma válvula de controle. 4 – Hidroseparador  o mais conhecido é um tanque cilíndrico com fundo cônico e equipado com rastelos que giram lentamente. Esses equipamentos funcionam como classificadores ou separadores de primeiro estágio, pois os finos devem ser retirados do líquido em decantadores de segundo estágio. Decantadores para Sólidos Finos A decantação de sólidos finos pode ser feita sem interferência mútua das partículas(decantação livre) ou com interferência (decantação retardada). O tipo de decantação, demodo geral, depende da concentração de sólidos na suspensão. A velocidade de decantaçãopode ser calculada através de correlações empíricas para a decantação retardada e pelas leis deStokes e Newton. O projeto dedecantadores é baseado emensaios de decantaçãorealizados em laboratóriodevido ao desconhecimentodas verdadeirascaracterísticas das partículas.O tamanho dos flocosformados não é predito,sendo difícil até mesmoreproduzir com segurança ascondições que conduzem aum determinado tipo defloculação. Nem a densidadedas partículas é conhecidacom certeza, uma vez que aforma dos flocos é indefinida 67
  • 68. e a quantidade de água retida é variável. Os ensaios de laboratório são conduzidos de maneiradiferente quando se trata de solução diluída ou concentrada, estes permitem a obtenção dascurvas de decantação da suspensão. A sedimentação industrial pode ser operada descontinuamente ou aindacontinuamente em equipamentos denominados tanques de decantação ou decantadores(clarificadores ou espessadores). O decantador em batelada é um tanque cilíndrico comaberturas para alimentação da suspensão e retirada do produto. O tanque é cheio pelasuspensão e fica em repouso, sedimentando. Depois de um período pré-estabelecido, o líquidopuro é decantado até que a lama apareça no fluido efluente. A lama é removida através deaberturas no fundo do tanque. Os decantadores contínuos são tanques rasos, de grande diâmetro, onde operamgrades que giram lentamente e removem a lama. A suspensão é injetada pela parte central doequipamento. Em torno da borda do tanque existem vertedores para a retirada do líquidolímpido. As grades (ou rastelos) servem para raspar a lama, conduzindo-a para o centro, poronde é descarregada. O movimento das grades promove uma agitação na camada de lama,favorecendo a floculação e a remoção da água retida na lama. Os rastelos giram à razão de 1rotação a cada 5 a 30 minutos. A capacidade de um decantador depende da área de decantação. Quando áreas muitograndes são necessárias utilizam-se bacias de decantação que ficam diretamente no terreno oudecantadores de bandejas múltiplas. Cada bandeja é ligeiramente inclinada e munida derastelos presos ao eixo central.CENTRIFUGAÇÃO A centrifugação é uma operação unitária amplamente utilizada nas áreas industriais eem bioquímica, biotecnologia, biologia celular, molecular, com a principal finalidade deseparação de frações ou a concentração das moléculas de interesse. Pode ser realizada com oobjetivo de separar sólidos de líquidos ou mesmo uma mistura de líquidos. Uma partícula emmovimento linear continuará em velocidade constante e uniforme senão for influenciada porforças externas. Quando uma partícula é submetida a uma força centrífuga (g) para isolarpartículas suspensas em seu meio, seja da forma em lotes ou fluxo contínuo, estasedimentação é forçada. As aplicações de centrifugação são muitas e incluem testes deanálises clínicas, testes bioquímicos, a sedimentação de células e vírus, a separação de massacelular, isolamento de DNA, RNA, proteínas ou lipídios ou até mesmo para secar a roupa ou asalada em casa.Aumento no efeito da gravidade: a centrífuga. Se uma suspensão for deixadaem repouso, as partículas dispersas irãose assentar por meio do fenômeno dedecantação ou sedimentação, por ação dagravidade (g = 9,8 cm/s2). Primeiro serãosedimentadas as partículas maiores edepois as menores em valores de tempovariáveis, o que dificulta determinar otérmino da operação. Através dacentrifugação este tempo é acelerado,pois pequenas partículas podem serseparadas com a aplicação da forçacentrífuga. Se compararmos com afiltração, a centrifugação é mais cara, 68
  • 69. porém a principal desvantagem da filtração é a possibilidade rápida de entupimento dosfiltros, dependendo do tipo de material utilizado. Quando uma suspensão de partículas écentrifugada a sedimentação das partículas é proporcional à força aplicada. As propriedadesda solução também irão interferir na taxa de sedimentação.Tipos de rotores para centrífugas Os rotores de centrífugas podem ser classificados como rotores móveis (1), deângulo fixo (2) e vertical (3), sendo que cada tipo tem potências e limitações de acordo com otipo de separação (Figura acima). Os rotores verticais são adequados para separações isopícnica (de densidade), comopor exemplo, para isolamento de DNA, RNA e lipoproteínas. Utilizam-se tubos graduados e ébastante utilizado para a determinação de volume de sedimentos. A principal desvantagemdeste tipo de rotor é a ocorrência de sedimentação incompleta, pois a partícula tem queatravessar toda a “coluna” de líquido para chegar ao fundo do tubo. Para corrigir eventuaiserros, utiliza-se uma rotação maior. Em rotores de ângulos fixos os tubos são posicionados em um ângulo definido. Aoiniciar a operação, o material se reorienta no interior do tubo, conforme a força centrífuga queé aplicada. Mais eficiente do que a centrifugação vertical, pois o caminho percorrido pelapartícula é menor, é bastante utilizada em laboratórios de biotecnologia para separação debactérias e leveduras. Este tipo de centrifugação em geral utiliza menor tempo e é eficientepara a separação de sólidos floculentos ou finamente dividido. Como principal desvantagemem relação à centrifugação vertical é não conseguirrealizar a análise de volume de sedimento. Os tubos de amostra quando inseridos emrotores móveis são mantidos na vertical enquanto oequipamento está em repouso. Ao girar, se posicionahorizontalmente, dependendo da rotação que é aplicada. Fatores para seleção de material de tubos paracentrífuga: em escala laboratorial, os tubos devem sertransparentes, resistentes a solventes químicos e comboa vedação, compatibilidade química e boarecuperação da amostra. Todo material fluido tende aexpansão, gerando uma pressão sobre os tubos. Estaforça (P) será somada à força centrífuga e, a somatóriapode romper tubos. Atualmente, máquinas modernaspossuem sistemas de proteção.Tipos de Centrífuga.a) Centrífuga tubular  Esta centrífuga opera geralmente na vertical, com o rotor tubularprovendo um longo caminho para a separação da mistura. Trabalha com a força centrífuga variando de 13.000 a 20.000 g. A quantidade de sólidos na mistura limita o uso desta centrífuga, assim como a formação de bolhas que também dificulta a centrifugação. O material a ser centrifugado é alimentado pela parte inferior, e passa por toda a 69
  • 70. tubulação para ser separado ou clarificado. A parte sólida vai depositando-se nas laterais,sendo retirada ao final do processo, enquanto os líquidos são retirados pela parte superior. Na indústria de alimentos é utilizada para a separação e clarificação de extratosanimais e vegetais e óleo de peixe. Na indústria farmacêutica é amplamente utilizada para arecuperação de bactérias e frações de células.b) Centrífuga de múltiplos discos  Acâmara possui uma série de discosparalelos que proporcionam umagrande área de sedimentação. Omaterial é removido através deválvulas. Em casos de clarificação dematerial biológico, pode-se trabalharcom a força centrífuga variando de5.000 a 15.000g, sendo o fluxocontínuo de alimentação de 200 m3/h. O tamanho da partícula pode auxiliar a centrifugação. Para aumentar o tamanho dapartícula, utiliza-se o fenômeno de coagulação ou floculação. Para coagulação, realiza-se amudança de pH da suspensão, removendo as cargas eletrostáticas da partícula e então elasaproximam-se umas às outras. Para floculação, adicionam-se pequenas quantidades demateriais de alto peso molecular, carregadas com carga oposta ao do material, promovendoagregação dos componentes que podem estes baratos e efetivos, porém, sem afetar o produtode interesse. Para favorecer a coagulação são adicionados sais de alumínio, cálcio e ferro,além de polieletrólitos sintéticos que reduzem a repulsão entre as partículas e formam pontesentre elas.c) Centrífuga contínua  Opera horizontalmente A hélice roda e distribui os sólidos ao longoda superfície do recipiente, retirando-o do líquido. O liquido sai pelo outro lado da câmara. Oparafuso roda em velocidade diferente da câmara.d) Centrífuga de Cestos  A centrífuga de cestos pode ser classificada como perfurada e nãoperfurada. A centrífuga perfurada associa as operações de centrifugação e filtração em conjunto, assemelhando-se ao tambor de uma máquina de lavar, por exemplo. Então, neste caso especifico, pode-se considerar a centrifugação como uma operação de pré- secagem. No caso de sólidos cristalinos, utiliza-se o cesto sem filtros e no caso de partículas deformáveis, como por exemplo, proteínas. No casode cestos não perfurados, a ação é apenas da força centrífuga. As partículas sólidas tendem ase acumular nas paredes da centrífuga e, com o passar do tempo estas começam a serliberadas junto com o filtrado. Outras características também devem ser consideradas como,por exemplo, o uso de refrigeração no caso de tratamento de material biológico, centrífugasprovidas de aquecimento que alteram a viscosidade e a solubilidade do material.Tipos de separação por centrifugação.a) Centrifugação diferencial  A separação é baseada no tamanho das partículas. Umasuspensão contendo diferentes moléculas é centrifugada e as partículas maiores sedimentamcom mais rapidez do que as partículas menores, obtendo-se frações de moléculas. 70
  • 71. b) Centrifugação por gradiente  A centrifugação diferencial não permite separar diferentesmoléculas que se depositem em uma mesma etapa de centrifugação, embora possuamdensidades diferentes. Para tanto, faz-se uso da centrifugação por gradiente, submetendo asuspensão de partículas a uma força centrífuga constante, em meio de densidade /pesogradualmente variável, de uma extremidade à outra do tubo. A fração celular a ser separada écolocada sobre a camada e centrifugada. Empregam-se substâncias como a sacarose. Aspartículas com densidades diferentes, se deslocam até alcançar o local de igual densidade. Aseparação por gradiente pode ser classificada em duas categorias: por índice regional(tamanho) e Separação isopícnica (densidade).As frações isoladas podem, posteriormente, sersubmetidas a uma gama diversificada de análises bioquímicas, para se identificar acomposição química, a atividade enzimática, bem como as capacidades metabólicas.1 – Separação gradiente de tamanho  Esta separação baseia-se no tamanho e massa dapartícula para sedimentação. Uma utilização para este tipo de centrifugação é a separação deproteínas e anticorpos, que possuem densidades similares, porém massas diferentes. Assim, aseparação com base na massa separará as diferentes classes. Para que a centrifugação portamanho seja bem sucedida, a densidade da solução de amostra deve ser inferior à menordensidade do gradiente; a extensão do gradiente deve ser suficiente para ocorrer a separação eo tempo deve ser bem dimensionado, pois se for muito extenso, as partículas podem seracumular no fundo do tubo.2 – Separação isopícnica  Neste caso, vamos considerar uma partícula que possui umadeterminada densidade e, que será submetida ao processo de centrifugação. Após o processo,a partícula irá “estacionar” em uma posição onde a densidade da solução em que se encontra épróxima à densidade da partícula. Uma vez estabelecida a sua posição, o tempo total decentrifugação não irá alterar a migração da partícula. Uma aplicação bastante utilizada paraeste método é a separação de ácidos nucléicos em um gradiente de cloreto de césio (CsCl). Para que a centrifugação seja bem sucedida, a densidade da partícula da amostradeve estar dentro dos limites das densidades de gradiente; qualquer extensão de gradiente éaceitável; o tempo de execução deve ser suficiente para que as partículas se unam em seuponto isopícnico.c) Ultracentrifugação  Processo de centrifugação sob pressão, permitindo a separação departículas de modo eficiente, utilizando-se de refrigeração e vácuo de forma a minimizar oatrito com o ar, devido à elevada rotação aplicada (até 500.000g).Conversão de unidades de centrifugação. A rotação de uma centrífuga pode ser especificada em termos de Força CentrífugaRelativa (RCF) expressa em unidades de gravidade (g). Muitas centrífugas expressam avelocidade em termos de revoluções por minuto (rpm). A conversão entre g (a forçacentrífuga) e rpm é dada pela relação: FC = (1.118x10-5) MRS2 ou FCR = (1.118x10-5) RS2,onde: Fc = força centrífuga; FCR = força centrífuga relativa; R = diâmetro do rotor (cm); S =velocidade da centrífuga (rpm); M = massa da amostra. No caso do cálculo da Força centrífuga relativa, esta não considera a massa daamostra, ou a sua densidade. Quando se troca a centrífuga, deve-se recalcular o g. Outraforma de se converter as unidades de centrifugação é utilizando nomogramas como oexemplificado abaixo. Nomogramas são gráficos que servem para representar no plano,equações com v árias variáveis, de tal forma que o cálculo das suas soluções se reduz a umasimples leitura neste gráfico. Variáveis como a velocidade e o tempo de centrifugação devemser determinadas para garantir o correto depósito ou separação dos elementos de interesse. OPERAÇÕES DE REDUÇÃO DE TAMANHO (Moagem e Trituração).Moagem 71
  • 72. A moagem é uma operação unitária de redução de tamanho, em que o tamanhomédio dos alimentos sólidos é reduzido pela aplicação de forças de impacto, compressão eabrasão. As vantagens da redução de tamanho no processamento são:∅ Aumento da relação superfície /volume, aumentando, com isso, a eficiência de operaçõesposteriores, como extração, aquecimento, resfriamento, desidratação, etc.∅ Uniformidade do tamanho das partículas do produto, auxiliando na homogeneização deprodutos em pó ou na solubilização dos mesmos (exemplo: sopas desidratadas, preparadospara bolos, achocolatados, etc.). A moagem é o último estágio do processo de fragmentaçãode partículas. Neste estágio as partículas são reduzidas, pela combinação de impacto,compressão, abrasão ou atrito, a um tamanho adequado à liberação do material para a próximaoperação unitária ou processo de transformação. Está é uma operação unitária frequentementeutilizada com grãos, para reduzi-los a farinha ou pó. Em cereais, implica na eliminação dopericarpo, das cascas da semente, da epiderme nuclear e da camada do aleuroma. Geralmentese elimina o gérmen por ser relativamente rico em óleo, o qual provoca o ranço do cereal,diminuindo a sua qualidade.Trituração ou Britagem Britagem ou trituração pode ser definida como o conjunto de operações que temcomo objetivo a fragmentação de grandes materiais, levando-os a granulometria compatíveispara utilização direta ou para posterior processamento. Trituração é uma operação unitária,que pode ser utilizada, em sucessivas etapas, equipamentos apropriados para a redução detamanhos convenientes. É aplicada a fragmentos de distintos tamanhos, desde materiais de1000 mm até 10 mm de diâmetro ou envergadura. A fragmentação por britagem, geralmente,se desenvolve de acordo com a Tabela, sendo que em alguns casos as etapas terciárias equaternárias são consideradas com moagem e não como britagem. Tabela: Classificação dos Estágios de BritagemEstágio da Trituração Tam. Máx. de alimentação (mm) Tam. Máx. de saída (mm) Primaria 1000,0 100,0 Secundaria 100,0 10,0 Terciaria 10,0 1,0 Quaternária 5,0 0,8 A trituração juntamente com a moagem pode ser considerada muito ineficaz doponto de vista energético. Somente uma pequena parte da energia é empregada realmente paraa ruptura ou fragmentação do sólido. A maior parte se dirige para a deformação desse sólido ea criação de novas linhas de sensibilidade que pode produzir a ruptura sucessiva dosfragmentos. O resto da energia se dissipa em forma de calor. Conforme a finalidade são utilizados diferentes tipos de moinhos, dentre elesdestacam-se:a) Moinhos de disco  geralmente usado para moagem de granulação fina, são pequenos ede difícil regulagem. São os mais comuns no brasil.b) Moinho de rolos  mais utilizado na moagem de cereais em uso caseiro, fornece umproduto de textura mais uniforme. Dois ou mais cilindros pesados giram em direçõescontrárias, a velocidades iguais ou diferentes. Partículas na alimentação são submetidas aforças de compressão. A distância entre os rolos, que giram em sentidos opostos, é regulável edeve ser ajustada às condições da matéria prima, da torrefação e do próprio sistema deextração. É mais utilizado nos estados unidos.c) Moinho de facas e de martelos  produz um material mais fino que o moinho de rolos.Para moagem de cereais destinados à extração de pó solúvel, o moinho de rolos é o maisindicado, sendo também utilizados os moinhos de facas e martelos e os de disco. 72
  • 73. Normalmente os moinhos de facas e martelos apresentam melhores resultados do que os dedisco para este fim. Um rotor de alta velocidade gira no interior de uma capa cilíndrica. Noexterior do rotor é acoplada uma série de martelos nos pontos de articulação. O material serompe pelo impacto dos martelos e se pulveriza ao passar por uma esteira na abertura entre osmartelos e a capa.d) Trituradores de mandíbulas  a alimentação passa entre duas mandíbulas pesadas. omaterial vai passando lentamente por um espaço cada vez menor, triturando-se ao deslocar-se.e) Moinhos de bolas  uma capa cilíndrica, que gira em um eixo horizontal, é carregadacom bolas de aço ou porcelana. A redução de tamanho é feita pela ação do impacto e dafricção das bolar ao girar o moinho.f) Britadores giratórios  é o equipamento de britagem primária, utilizado quando existeuma grande quantidade de material a ser fragmentado, sendo mais operacional do que obritador de mandíbula, pois pode ser alimentado por um dos lados, além de permitir umapequena armazenagem no seu topo.g) Britadores de cones  O britador cônico possui o mesmo princípio de operação dobritador giratório, porém é um britador de britagem secundária ou terciária.h) Moinhos cilíndricos  Estes moinhos são constituídos de uma carcaça cilíndrica de metalgiratória, revestida internamente com placas de aço ou borracha, contendo no interior umacarga solta de barras ou esferas de metálicas. Este processo é importante para a fabricação de: ∅ Café solúvel ∅ Cereais Matinais - Flocos de milho ∅ Espinafre desidratado em pó ∅ Mostarda ∅ Purê de Batata em Flocos o Moagem I o Moagem II ∅ Sopa instantânea de ervilha Em alguns casos, a moagem não tem como objetivo a redução do tamanho departículas. A moagem de cana para fabricação de aguardente, por exemplo, tem a finalidadede extrair o caldo da cana. TAMISAÇÃO 73
  • 74. A tamisação ou peneiração é uma operação efetuada em sistemas que sãoconstituídos por redes, as quais é impresso um determinado movimento, de modo a obrigar aspartículas finas a passarem através delas, ficando retidas as de maior dimensão. O movimento é conseguido por três processos:• rotação • movimento horizontal • movimento vertical A estes, correspondem três tipos de tamises:• rotativos • ondulatórios • vibratóriosTamises rotativas  São constituídos por cilindros, em que é deitada a substância a peneirar ecuja superfície lateral é uma rede. A capacidade é de cerca de 200 kg por hora, por m2 e pormm de abertura.Tamises vibratórias e oscilatórias  São constituídos por uma caixa retangular com umfundo construído por uma rede, cujo número de oscilações varia entre 60 e 400 por minuto e onúmero de vibrações de 1200 a 3500 por minuto. A capacidade vai até cerca de 5 toneladaspor hora, por m2 e por milímetro de abertura, para as peneiras vibratórias e de 1 a 3 toneladaspor hora, por m2 e por milímetro de abertura, para os oscilatórios.ANÁLISE GRANULOMÉTRICA Tanto a especificação da finura desejada, como o cálculo da energia necessária pararealizar uma operação de fragmentação, requerem a definição do que s entende por tamanhodas partículas do material. A determinação de outras características do produto moído tambémexige o conhecimento prévio de granulometria e geometria das partículas que constituem.Distinguem-se pelo tamanho, cinco tipos de sólidos particulados, apesar dessa distinção nãoser muito nítida.- Pós: partículas de 1 µm até 0,5 mm; - Sólidos granulares: de 0,5 mm a 10 mm;- Blocos pequenos: partículas de 1 a 5 cm; - Blocos médios: partículas de 5 até 15 cm;- Blocos grandes: partículas maiores que 15 cm.Peneiração  A peneiração consiste em fazer passar a partícula através de malhasprogressivamente menores, até que ela fique retida. O tamanho da partícula serácompreendido entre a média da malha que reteve (D1) e aimediatamente anterior (D2). A média aritmética das aberturas D +Ddessas malhas servirá para caracterizar o tamanho físico da D= 1 2partícula (D). Dessa forma características importantes do 2material poderão ser obtidas em função de D.Peneiração Série Tyler (Mais Usada) A série consta 14 peneiras e tem como base uma peneira de 200 malhas por polegadalinear (200 mesh), feita com fio de arame de 0,053 mm de espessura, o que dá uma aberturalivre de 0,074 mm. As demais peneiras são: 150, 100, 65, 48, 35, 28, 20, 14, 10, 8, 6, 4 e 3mesh. Mesh é o número de malhas por polegada linear.Representação Analítica da Distribuição Granulométrica  Número de partículas da amostra: Sendo ∆ϕ a fração de massa retida em cada peneira, mN= Temos: m = m∑∆ϕ bD 3 ρ # Para materiais homogêneos: equação ao lado. # Para materiais heterogêneos: PeneiraçãoTamanho de partícula (conversão de unidades)  Tabela: Para este caso particular, não édado formulário. Segue tabela de um padrão americano para peneiras de classificação demateriais granulados. 74
  • 75. Tipos de Equipamentos Os equipamentos utilizados no peneiramento podem ser divididos em três tipos:1 – Grelhas  constituídas por barras metálicas dispostas paralelamente, mantendo umespaçamento regular entre si;2 – Crivos  formados por chapas metálicas planas ou curvas, perfuradas por um sistema defuros de várias formas e dimensão determinada;3 – Telas  constituídas por fios metálicos trançados geralmente em duas direçõesortogonais, de forma a deixarem entre si "malhas" ou "aberturas" de dimensões determinadas,podendo estas serem quadradas ou retangulares. Esses equipamentos podem ser classificados de acordo com o seu movimento, emduas categorias:a) Fixas  a única força atuante é à força degravidade e por isso esses equipamentospossuem superfície inclinada. Como exemplostêm grelhas fixas e peneiras DSM.1 – Grelhas fixas  estas consistem de umconjunto de barras paralelas espaçadas por umvalor pré-determinado, e inclinadas na direçãodo fluxo da ordem de 35° a 45°. São empre-gadas basicamente em circuitos de britagempara separação de blocos de 7,5 a 0,2 cm, emgeral, sendo utilizados invariavelmente a seco.Sua eficiência é normalmente baixa (60%), porque não havendo movimento da superfície nãoocorre a estratificação, que facilita a separação. Um valor aproximado para a capacidade dasgrades é de 100 a 150 t (13) de material por pé quadrado de área em 24 h, quando as barrasestão distantes entre si de 2,54 cm.Tabela de conversão de unidades.Mesh (peneira) Abertura in Abertura mm Mesh (peneira) Abertura in Abertura mm1 1,00 25,4 18 0,0394 1,007/8 0,875 22,6 20 0,0331 0,8413/4 0,750 19,0 25 0,0278 0,7075/8 0,625 16,0 30 0,0234 0,5950,530 0,530 13,5 35 0,0197 0,5001/2 0,500 12,7 40 0,0165 0,4207/16 0,438 11,2 45 0,0139 0,3543/8 0,375 9,51 50 0,0117 0,2975/16 0,312 8,00 60 0,0098 0,2500,265 0,265 6,73 70 0,0083 0,2101/4 0,250 6,35 80 0,0070 0,1773 1/2 0,223 5,66 100 0,0059 0,1494 0,187 4,76 120 0,0049 0,1255 0,157 4,00 140 0,0041 0,1056 0,132 3,36 170 0,0035 0,0887 0,111 2,83 200 0,0029 0,0748 0,0937 2,38 230 0,0025 0,063 75
  • 76. 10 0,0787 2,00 270 0,0021 0,05312 0,0661 1,68 325 0,0017 0,04414 0,0555 1,41 400 0,0015 0,03716 0,0469 1,192 – Peneiras fixas  as peneiras fixas DSM (Figura 5.14) introduzidas pela Dutch StateMines, são utilizadas para desaguamento de suspensões e para uma separação precisa desuspensões de partículas finas. Recentemente, vêm sendo empregadas em circuito fechado demoagem quando a granulometria do produto é grossa e no peneiramento a úmido de materiaisfinos até 50 μm. Esta compreende uma base curva formada por fios paralelos entre si,formando um ângulo de 90° com a alimentação. A alimentação é feita por bombeamento na parte superior da peneira sendodistribuída ao longo de toda a extensão da peneira. Partículas com tamanho deaproximadamente a metade da distância do espaço entre fios passam pela superfície dapeneira. O diâmetro de corte depende da percentagem de sólido da polpa, o que faz com queesse parâmetro tenha que ser bem controlado para que se possa obter um rendimentoadequado da peneira. O peneiramento tende aconcentrar nos finos os minerais mais densos,ao contrário do que ocorre com outrosclassificadores. Possuem uma elevada capacidade deprodução, podendo-se utilizar como um valormédio para pré-dimensionamento, 100 m3/hpor metro de largura de leito para abertura de1,0 a 1,5 mm.b) Móveis  grelhas rotativas, peneirasrotativas, peneiras reciprocativas e peneirasvibratórias.1 – Grelhas vibratórias  são semelhantes àsgrelhas fixas, mas sua superfície está sujeita avibração. São utilizadas antes da britagemprimária.2 – Peneiras rotativas (trommel) - estas peneiras possuem a superfície de peneiramento cilíndrica ou ligeiramente cônica, que gira em torno do eixo longitudinal. O eixo possui uma inclinação que varia entre 4° e 10°, dependendo da aplicação e do material nele utilizado. Podem ser operadas a úmido ou a seco. A velocidade de rotação fica entre 35-40% da sua velocidade crítica (velocidade mínima na qual as partículas ficam presas a superfície cilíndrica). 76
  • 77. Nessas condições, a superfície efetiva utilizada no peneiramento está em torno de 30% da áreatotal. As principais vantagens dos trommels são sua simplicidade de construção e deoperação, seu baixo custo de aquisição e durabilidade. Atualmente, são substituídos,parcialmente, por peneiras vibratórias que têm maior capacidade e eficiência, mas ainda sãomuito utilizados em lavagem e classificação de cascalhos e areias.3 – Peneiras reciprocativas  estas realizam um movimento alternado praticamente nomesmo plano da tela, tendo como resultante uma força positiva que faz com que as partículasmovam-se para frente. Devido a esse movimento natural, as peneiras reciprocativas trabalhamcom uma pequena inclinação, entre 10° e 15°. A amplitude de seu movimento varia entre 2 e25 cm com uma frequência de 800 a 60 movimentos por minuto, respectivamente. São empregadas na classificação de carvões e de outros materiais friáveis, porque reduzem a fragmentação eventual das partículas. De um modo geral, as peneiras reciprocativas (Figura 5.17) têm um campo de aplicação restrito, diante das maiores vantagens apresentadas pelas peneiras vibratórias. 4 – Peneiras vibratórias  o movimento vibratório é caracterizado por impulsos rápidos, normais à superfície, de pequena amplitude (1,5 a 25 mm) e de alta frequência (600 a 3.600 movimentos por minuto), sendo produzidos por mecanismos mecânicos ou elétricos. As peneiras vibratórias podem serdivididas em duas categorias: aquelas em que o movimento vibratório é praticamenteretilíneo, num plano normal à superfície de peneiramento (peneiras vibratórias horizontais); eaquelas em que o movimento é circular ou elíptico neste mesmo plano (peneiras vibratóriasinclinadas). Estas peneiras são as de uso mais frequente em mineração, sendo muitoempregadas nos circuitos de britagem e de preparação de minério para os processos deconcentração. A sua capacidade varia entre 50 a 200 t/m2/mm de abertura/24 h.Eficiência de Peneiramento Em peneiramento industrial a palavra eficiência é empregada para expressar aavaliação do desempenho daoperação de peneiramento,em relação a separaçãogranulométrica idealdesejada, ou seja, aeficiência de peneiramento édefinida como a relaçãoentre a quantidade departículas mais finas que a abertura da tela de peneiramento e que passam. Industrialmente, a eficiência de peneiramento, situa-se entre 80 e 90%, atingindo emalguns casos 95%. As partículas com diâmetros (d) superiores a uma vez e meia a abertura datela (a) não influenciam no resultado do peneiramento, bem como àquelas inferiores à metade(0,5) da abertura da tela. As partículas compreendidas entre esta faixa é que constituem aclasse crítica de peneiramento e influem fortemente na eficiência e na capacidade daspeneiras. Essa classe pode ser dividida em duas: 77
  • 78. 0,5 a < d < a - que em termos probabilísticos têm menor chance de passar que asdemais partículas menores que a malha; e a < d < 1,5 a - que embora não passantes, são as quemais entopem as telas das peneiras.Dimensionamento dos Equipamentos As peneiras são peças vitais e críticas em qualquer usina de beneficiamento. Assimsendo, todo cuidado deve ser tomado na seleção de peneiras para que sejam de tamanho e tipoadequado. Um equipamento de peneiramento é definido inicialmente pelas suas dimensões epelo tipo de abertura (quadrada, retangular, circular, elíptica ou alongada). É preciso ressaltarque existe uma relação entre o tamanho máximo de partícula que pode passar numadeterminada abertura e as dimensões do fragmento passante. Para uma grelha, onde se tem apenas o afastamento livre entre as barras, estedetermina o tamanho máximo damenor dimensão da partícula queatravessa as barras paralelas. Paraaberturas quadradas ouretangulares é definida a larguramáxima. O fato de ser quadrada ouretangular tem pouca influência,visto que a malha retangular écolocada apenas para compensar aperda de área real de passagempela inclinação dos equipamentosde peneiramento, embora tambémalgumas vezes seja para atender àforma lamelar do material. As dimensões máximas mencionadas anteriormente não são as reais, pois umapartícula de tamanho “a” pode não passar através de uma abertura “a”. Assim, em umaabertura “a” só irão passar partículas Ka, sendo K um fator de redução(14). Para 0 < K < 0,5as partículas passam livremente; 0,5 < K < 0,85 as partículas passam com dificuldade, sendoesta a fração crítica de separação; 0,85 < K < 1,00 o material praticamente não passa pelaabertura. Os dados necessários para seleção e dimensionamento de equipamentos são:a) características do material a ser peneirado, tais como:∅ Densidade e umidade; ∅ forma das partículas; ∅ Tamanho máximo da alimentação;∅ Presença de materiais argilosos; ∅ Distribuição granulométrica; ∅ Temperatura, entre outros. b) capacidade; c) faixas de separação do produto; d) eficiência desejada; e) tipo de serviço; lavagem classificação final classificação intermediária, etc. f) limitação ou não de espaço e peso; g) grau de conhecimento do material e do produto desejado. A seleção das peneiras deve ser feita em função das características do material e do tipo de serviço a que 78
  • 79. ela irá se prestar. Dimensionar os equipamentos significa calcular as dimensões das suassuperfícies em função da capacidade requerida, ou seja, da quantidade de material comcaracterísticas e condições determinadas que devam passar pelo equipamento por um tempodeterminado (hora). No caso das peneiras, duas condições independentes devem ser atendidas;área da tela e espessura do leito. Um dos métodos aceitos para selecionar a peneira a serutilizada é baseado na quantidade de material que passa através da malha 0,0929 m2 de umapeneira com abertura específica, e que será aqui apresentado. Destaca-se, porém, que este éapenas um dentre os muitos métodos existentes e que cada um deles pode levar a resultadosdiferentes.a) Capacidade básica (C)  A Figura acima apresenta a curva que fornece os valores de Cpara as várias aberturas, baseadas num material com densidade aparente de 1602 kg/m3,servindo apenas para minérios metálicos. Desde que os minérios metálicos tenhamcaracterísticas de peneiramento similares, o valor de C pode ser determinado por uma razãosimples de densidades. Contudo, nem todos os materiais têm as mesmas propriedades ou asmesmas características de peneiramento, possuindo estes suas curvas de capacidade específicapróprias.b) Fatores modificadores  Existem muitas variáveis e inter-relações entre essas variáveisque afetam o peneiramento de um dado material, mas aqui só serão avaliadas aquelas queafetam de maneira significativa o cálculo do tamanho de peneiras para minérios. Fatores de finos e de eficiência de peneiramento Fator de Finos Eficiência de Fator (F)  O fator de finos peneiramento % Finos (F) Eficiência (E) depende da quantidade de material, na alimentação, 0 0,44 que é menor do que a 10 0,55 metade do tamanho da 20 0,70 abertura no deque. É 30 0,80 importante lembrar que 40 1,00 para um determinado 50 1,20 deque, o fator de finos 60 1,40 sempre será calculado em 70 1,80 2,25 relação à alimentação 80 2,20 1,75 desse deque. 85 2,50 1,50 Fator de 90 3,00 1,25 eficiência (E) A 95 3,75 1,00 eficiência de separação(pela equação de eficiência) é expressa como uma razão entre a quantidade de material quepassa por uma abertura e a quantidade na alimentação que deveria passar. Um peneiramento éconsiderado comercialmente perfeito, quando a eficiência é de 95%. Assim, para este valor, ofator de eficiência é considerado igual a 1,00. Fator de abertura (B)  Fator que compensa a tendência das partículas ficaremretidas na superfície de peneiramento devido ao tipo de abertura da superfície. Fatores de abertura Tipos de Abertura Razão (r) Comprimento/largura Fator B Quadradas e retangulares r<2 1,0 Retangulares 2<r<4 1,2 Retangulares 4 < r < 25 1,2 Barras paralelas r > 25 1,4* * paralelo ao fluxo ** perpendicular ao fluxo 79
  • 80. Fator Deque (D)  Esse fator leva em consideração a estratificação que ocorre nosdeques reduzindo assim a área de peneiramento. Fator de Área (O)  A curva de capacidade básica mostrada na Figura é baseada emaberturas quadradas cuja área de superfície aberta é indicada imediatamente abaixo dostamanhos das aberturas. Quando se tem uma área de superfície aberta diferente daquelepadrão apresentado no gráfico, deve-se inserir um fator decorreção que é obtido pela razão da área da superfícieaberta usada em relação à padrão. Como exemplo, se for usado para uma separaçãoem 2,54 cm, um deque, com 36% de superfície aberta, ofator será 0,62 (36/58) e se ao contrário for usado paramesma abertura, um deque com superfície aberta de 72% ofator será 1,24 (72/58). Fator peneiramento via úmida (W)  Este fator é aplicado quando o peneiramento érealizado com auxílio de água, na forma pulverizada, sobre o material que está sendo Fator de peneiramento por peneirado. A vantagem obtida por essa pulverização varia via úmida com a abertura da superfície de peneiramento e só pode ser Abertura Quadrada W alcançada se a quantidade correta de água for utilizada. O 3 1/32" ou menor 1,25 volume de água recomendado é de 18,92 a 31,53 m /s para 3 0,765 m de material alimentado. 1/16" 3,00 1/8" a 3/16" 3,50  FUNDAMENTOS DA CLASSIFICAÇÃO 5/16" 3,00 Quando uma partícula cai livremente no vácuo, 3/8" 2,50 ela está sujeita a uma aceleração constante e sua 1/2" 1,75 velocidade aumenta indefinidamente, qualquer que seja 3/4" 1,35 seu tamanho ou densidade. Se, contudo, a partícula cai em 1" 1,25 um e outro meio que não o vácuo, este oferece uma + 2" 1,00 resistência ao seu movimento, a qual aumenta em razãodireta com a velocidade, até atingir um valor constante. Quando as duas forças que atuam napartícula (gravitacional e de resistência do fluido) se tornam iguais, a partícula atinge uma velocidade denominada terminal e passa a ter uma queda com velocidade constante. A natureza da resistência do fluido depende da velocidade de queda. Para baixas velocidades o movimento é suave, pois a camada de fluido em contato com a partícula move-se com ela, enquanto o fluido como um todo permanece estático. Para altas velocidades a principal resistência é atribuída à perturbação do fluido, como um todo, pela partícula, caracterizando um regime denominado de turbulento. Independentemente do regime que predomine, a aceleração da partícula tende a decrescer rapidamente com o tempo, sob a ação das forças atuantes, e a velocidade terminal é sempre atingida. Sedimentação em Queda Livre A sedimentação em queda livre refere-se ao movimento da partícula imersa em umfluido e que tende, sob a ação da gravidade, a percorrer uma distância teoricamente infinita.Ela é verificada quando a percentagem de sólidos for menor que 15% em peso. No cálculo davelocidade terminal, ou seja, a velocidade constante que uma partícula adquire ao sedimentar 80
  • 81. em um meio fluido obtém-se uma equação na qual a soma de todas as forças que atuam sobreela seja zero. De acordo com a segunda lei de Newton, tem-se:F = m.a onde: F = força resultante que atua sobre a partícula (N), m = massa da partícula(kg), a = aceleração da partícula (m/s2). Neste caso, as forças que atuam sobre a partícula são: a da gravidade (mg), a deempuxo (mg) e a da resistência (R), sendo a força resultante (F) expressa por: F = mg – mg - R = m dv/dtOnde: m = massa da partícula (kg); g = aceleração da gravidade (m/s2);m= massa do fluido deslocado (kg); R = força de resistência (N).v = velocidade da partícula (m/s) O cálculo de massa das partículas, consideradas esféricas, e do fluído deslocado,podem ser obtidos segundo as equações: m = (4/3)πr3ds; m’ = (m/ds) df sendo:ds= densidade do sólido; df = densidade do fluido; r = raio da partícula (m).Quando a velocidade terminal é atingida, dv = 0 e a equação reduz-se a: R = g(m – m’) onde:g = aceleração da gravidade (m/s2). A força de resistência na sedimentação em queda livre é calculada com base nas leisde Stokes e Newton, respectivamente para os regimes laminar e turbulento. Quando aspartículas (esféricas) são pequenas (r < 50 μm) o regime é considerado laminar e a força deresistência calculada por: 6πµrVt onde: µ= viscosidade do fluido (kg/ms); r = raio daesfera em (m); Vt = velocidade terminal da partícula (m/s).Substituindo-se as fórmulas tem-se a seguinte equação para a velocidade terminal:Vt = (4r2g/18µ). (ds – df). Para o caso de partículas grossas (> 5 mm), o regime passa a ser turbulento, e a lei de Newton substitui a de Stokes. Deste modo a força de resistência é dada pela 2 2 expressão: R = Q (π/2) dfr v , onde Q = coeficiente de resistência. Substituindo-se tem a seguinte expressão para velocidade terminal ao lado: As leis de Stokes e de Newton, para um fluido 2em particular, podem ser simplificadas, respectivamente, para: Vt = k1r (ds – df) e Vt= k2[r(ds – df)]1/2 onde: k1 e k2 = constantes, ds – df = densidade efetiva de umapartícula de densidade ds em um fluido de densidade df. Essas leis mostram que a velocidadeterminal da partícula, em um dado fluido, é função apenas do tamanho e da densidade dapartícula, concluindo-se, portanto que: # se duas partículas têm a mesma densidade, apartícula com maior tamanho terá maior velocidade terminal; # se duas partículas têm omesmo tamanho, a partícula mais densa terá maior velocidade terminal. Considere duas partículas minerais de densidades (da) e (db) diâmetros (Da) e (Db),respectivamente, caindo em um meio fluido de densidade df, a uma mesma taxa desedimentação. Suas velocidades terminais devem ser as mesmas e tem-se pela aplicação diretadas leis de Newton e Stokes que: ρ = (Da/Db) = (db – df/da – df) sendo: nDa e Db= diâmetros das partículas a e b respectivamente; da e db = densidades das partículas ae b respectivamente; df = densidade do fluido; n = 1 para lei de Newton; 0,5 para lei de Stokes Esta expressão é conhecida como razão de sedimentação livre que é a razão detamanho de partículas necessária para que dois minerais tenham a mesma velocidade terminalde sedimentação. Substituindo-se as fórmulas tem-se a seguinte equação para a velocidade 2terminal (Vt): Vt = (4r g/18µ). (ds – df). Na faixa granulométrica intermediária (0,05< r < 5 mm), onde a classificação a úmido é normalmente realizada, não há nenhuma leidefinida. Uma das expressões sugeridas para traduzir a resistência oferecida pelo fluido nesta 81
  • 82. faixa é dada pela combinação das forças de resistência regidas pelas leis de Stokes e deNewton, obtida por Ossen, e expressa pela seguinte equação:R = 6πµrVt [1+(3dfVt/8µ)Tipos de Classificadores Os classificadores podem ser divididos em vários grupos dependendo do mecanismo,do fluido utilizado, etc, conforme é apresentado na Tabela. Os classificadores consistem essencialmente de uma coluna de separação, na qual ofluido, seja líquido ou gasoso, está ascendendo a uma velocidade uniforme. As partículasintroduzidas na coluna de separação sobem ou descem dependendo das suas velocidadesterminais. Assim, são obtidos dois produtos: um overflow consistindo de partículas comvelocidade terminal menor que a velocidade do fluido e um underflow de partículas comvelocidade terminal maior do que a velocidade do fluido.∅ Classificadores Horizontais  Os classificadores horizontais são essencialmente do tiposedimentação em "queda livre" e têm acentuada utilização quando se pretende uma separaçãoapenas por tamanho. Estes classificadores sãodivididos em: cones de sedimentação, classificadoresmecânicos e classificadores espirais.∅ Cone de Sedimentação  Este tipo declassificador é o mais simples, sendo utilizadopraticamente na separação de sólidos e líquidos, ouseja, como unidades desaguadoras em operações depequena escala. É usado também na deslamagem deminérios. Geralmente são construídos em concretoou aço, tendo um coletor de produtos grossos nofundo e um lavador no topo para que as partículasultrafinas não sejam arrastadas. O tipo mais comumé o de cone duplo, que consiste de um cone externofixo e um cone interno concêntrico e regulável.Entre, os dois cones, existe um espaço por onde aágua sobe sob pressão, transbordando pelascanaletas laterais colocadas na periferia do coneexterno.∅ Classificadores Mecânicos  Os classificadores mecânicos têm seu uso difundido emoperações de circuito fechado de moagem e na classificação de produtos de usinas de lavagemde minérios. Vários estudiosos consideram os classificadores espirais como classificadores mecânicos. Devido à sua importância, este equipamento será definido em tópico subsequente. Na classificação mecânica distinguem-se dois tipos de classificadores: i) de arraste; ii) de rastelo. Eles se apresentam em geral na forma de tanques retangulares ou de bacias, tendo idêntico princípio de funcionamento. A diferença entre eles está namaneira do underflow ser retirado doclassificador, podendo ser por umtransportador de arraste ou por umasérie de rastelos. A polpa é 82
  • 83. alimentada dentro de uma calha inclinada e sedimenta no tanque. As partículas com altasvelocidades de queda se dirigem para o fundo do tanque (material grosso pesado), enquantoque as partículas mais leves se mantêm na superfície sendo escoadas como um overflow. Uma característica operacional dos classificadores mecânicos é que eles permitemobter uma faixa de separação bem definida, desde que alimentados com uma polpa diluída, oque acarreta um overflow com baixa percentagem de sólidos. Será necessária a introdução deuma etapa de espessamento, antes que a concentração se realize. Isso pode vir a constituiruma desvantagem da utilização desse tipo de equipamento.∅ Classificador Espiral  Os classificadores espirais são os mais utilizados em instalaçõesde pequena capacidade, estando o seu campo de aplicação restrito a uma faixa granulométricaentre 0,833 a 0,074 mm. Sua utilização em instalações de grande porte perde para oshidrociclones, devido a maior capacidade e versatilidade destes. Os classificadores espirais consistem de uma calha, ou de dentro dela encontra-se umeixo envolvido por uma ou mais hélices, as quais, girando, mantêm a polpa em suspensão.Estas hélices têm a função de remover o material sedimentado do fundo da calha. O conjuntocomo um todo apresenta vários níveisde inclinação, sendo esta uma variávelde processo. Apresenta, em relação aoclassificador de rastelos, a vantagemde remover o material de maneiramais eficiente, devido ao declive maisíngreme, evitando assim o retorno domaterial. O classificador em espiral énormalmente caracterizado pelodiâmetro da espiral. A alimentação éfeita abaixo do nível de polpa e o material mais pesado afunda e é transportado pelas hélicesao longo do declive, sendo finalmente descarregado na parte superior através de uma aberturana base da calha, acima do nível de água. O material mais fino transborda pela parte inferiorda calha. As condições operacionais são definidas pela:# velocidade de revolvimento ou arraste; #altura da calha e inclinação da calha;# diluição da polpa. Para se obter uma classificação mais fina, a velocidade de revolvimento ou arrastedeve ser pequena e a inclinação da calha a menor possível, pois com isso se obtém um tanquede sedimentação com maior volume, o que permite um tempo de sedimentação maior. Para classificação mais grossa, o procedimento é oposto ao acima citado. O parâmetro mais importante é a diluição da polpa. Quando se opera em circuitos fechados com moinhos de bolas, os produtos de moagem dificilmente apresentam menos de 65% em peso de sólidos, enquanto que os classificadores espirais não operam com mais de 50%. Nesse caso a água necessária para diluição da polpa é adicionada no lavador da alimentação. O aumento na diluição reduz a densidade do transbordo aumenta a sedimentação em "queda livre". ∅ Classificadores Verticais  Ao contrário dos horizontais, os classificadores verticais levam em conta o efeito da densidade das partículas e sãousualmente utilizados em regime de sedimentação impedida. Atualmente, há uma substituiçãosignificativa desse tipo de classificador pelos hidrociclones, na maioria das aplicações. O 83
  • 84. princípio de operação do classificador vertical baseia-se na injeção de água à polpa dealimentação, com o fluxo de água em sentido oposto ao das partículas sedimentadas. Estesequipamentos consistem normalmente de uma série de colunas nas quais partículas em contra-corrente com a água sedimentam-se de acordo com suas densidades. A sedimentação seletiva ocorre devido a um controle da velocidade das correntesascendentes de água, que decresce da primeira até a última coluna de classificação. Aspartículas mais grossas e mais densas irão se depositar na primeira coluna e as finas na últimacoluna, enquanto as lamas são obtidas por transbordo. A geometria do equipamento variasucessivamente, devido não só à quantidade de água a ser manipulada incluir a água usadapara as classificações anteriores, mas também porque é necessário que se reduza a velocidadesuperficial do fluido que transborda entre as colunas.@ Hidrociclones  Os hidrociclones, como os classificadores mecânicos, têm a sua maioraplicação em circuitos fechados de moagem, diferindo desses últimos pela maior capacidade.O princípio básico de separação empregado nos hidrociclones é a sedimentação centrífuga. Odesempenho desses é influenciado por suas dimensões, pelas variáveis operacionais e pelaspropriedades físicas dos sólidos e da polpa alimentada. Na figura é apresentado umhidrociclone convencional, o qual consiste de uma câmara cilíndrico-cônica com entradatangencial e duas saídas. A polpa é injetada sob pressão no aparelho, através de um dutosituado na parte superior da câmara cilíndrica e, como resultado de sua entrada tangencial, écriado no seu interior um redemoinho. As partículas mais grossas e mais densas sãoarremessadas às paredes e descarregadas na abertura inferior, o apex, constituindo ounderflow. Já as partículas mais finas, menos densas e grande parte da fase líquida sãodirigidas para o centro do hidrociclone e saem por um cilindro na parte superior do aparelho,denominado vortex finder, constituindo o overflow. As principais aplicações para oshidrociclones, dentre as quais, são citadas:$ Espessamento  elimina a maior parte da água de uma polpa;$ Deslamagem  elimina as partículas mais finas. Isto é normalmente necessário para osprocessos de separação magnética a úmido, filtração, etc;$ Classificação  frequentemente utilizado no fechamento de circuito de moagem onde ounderflow do hidrociclone retorna ao moinho;$ Classificação seletiva  por meio de uma configuração de hidrociclones em série, épossível obter-se um conjunto de produtos com granulometria definida;$ Pré-concentração  utilizando hidrociclones de fundo chato, pode-se realizar concentraçãopor gravidade onde os minerais mais densos são descartados pelo underflow. As principais vantagens apresentadas pelos hidrociclones são:$ Capacidade elevada em relação ao seu volume e à área ocupada;$ Controle operacional relativamente simples;$ Custo de investimento pequeno; Devido ao seu baixo preço e pequeno espaço ocupado, é possível manter unidades dereserva. No entanto apresentam as seguintes desvantagens:$ A não possibilidade de realizar ajustes para minimizar os efeitos causados pelas oscilaçõesna alimentação;$ Para se ter um controle efetivo no processo, geralmente são necessárias instalaçõessofisticadas;$ Se o minério for abrasivo, o custo de manutenção das bombas e dos hidrociclones poderáser relativamente elevado. Alguns autores descrevem a influência da geometria do hidrociclone bem como ascondições operacionais no desempenho do equipamento.# Diâmetro do Hidrociclone  Define a capacidade e o diâmetro de corte dos hidrociclones.Aumentando o diâmetro, aumentam a capacidade do hidrociclone e o diâmetro de corte. 84
  • 85.  FILTRAÇÃO Foi referido anteriormente que, no caso de se pretender efetuar a separação departículas de diversas granulometrias em suspensão num líquido, esta se pode efetuar pormeio de um peneiro colocado no percurso desse líquido. A granulometria das partículas quepassam depende da abertura das malhas. Se a malha for mais apertada que a granulometriadas partículas, dá-se a separação das partículas por um fenómeno chamado “filtração”. Na filtração usam-se filtros de tecidos de fibras naturais ou artificiais (lã, algodão,seda, etc.) permitindo, deste modo, filtrar o líquido, mas impedindo, no entanto, de reter aspartículas mais finas. Outra hipótese a que se recorre é à filtração através de corposcompactos de determinada porosidade, a qual permite o mesmo efeito. Os materiais maiscomuns utilizados são:• Membranas • Produtos cerâmicos• Materiais finos que se encontram entre outros de maior granulometria Outro aspecto que há a considerar na operação de filtração é o facto de o papel ondea substância é filtrada operar também como meio filtrante. Se se chamar “precipitado” àsuspensão de partículas num líquido, aquele, ao ser retido no filtro, vai atuar a partir dedeterminada altura como meio filtrante, sendo denominado “bolo”. O estudo deste bolo évariável consoante se trate de partículas deformáveis ou indeformáveis, ou seja, boloscompressíveis ou incompressíveis. Do ponto de vista industrial e na maioria dos casos, a filtração faz-se usando o bolocomo meio filtrante, sendo o papel do filtro, propriamente dito, de simples suporte. Enquantonão se obtém um regime estacionário, é provável que subsista alguma turbidez, que éreduzida, posteriormente, à medida que o processo de filtração se desenvolve.Fenômenos Associados à Filtração Sempre que se efetua a passagem de um líquido através de um meio filtrante,há umaresistência a essa passagem. Paraaumentar o rendimento de filtração, épreciso atuar de dois modos:• Exercer compressão ou sobre pressãona parte superior do líquido;• Aspirar na parte inferior. Esta sobre pressão ouaspiração (vácuo) é função da perda decarga através da membrana filtrante edo bolo que se vai formando. Oconhecimento desta vai possibilitarsaber qual a sobre pressão ou vácuoque se tem de aplicar. Portanto, todo o fenómeno defiltração consiste em saber até que ponto se pode reter um bolo, antes de retirá-lo numaoperação intercalar e de modo a que o rendimento de filtragem seja elevado, sem aumentardemasiado a sobre pressão ou a aspiração.Os filtros agrupam-se, assim, em duas grandes categorias:• Filtros de grande área filtrante e de trabalho descontínuo;• Filtros de pequena área e contínuos. No primeiro caso, é usual utilizar-se um composto de filtros empilhados fazendo-se aalimentação entre os mesmos e usando uma sobre pressão. No segundo caso, usam-se filtrosrotativos, com aspiração, também chamados filtros de vácuo. 85
  • 86. Deste modo, é possível definir os filtros que se podem usar na prática:• Filtros de materiais soltos não são utilizáveis para grandes quantidades de precipitado (édestinado, principalmente, à filtração de águas para a indústria alimentar).• Filtros de membrana e de materiais cerâmicos são usados, fundamentalmente, paralaboratório.• Em aplicações industriais, os filtros mais usados são os de precipitado.1 – Filtros de membrana  As membranas artificiais obtêm-se a partir de soluçõescoloidais por evaporação do solvente, obtendo-se, deste modo, uma película muito fina deporos bastante apertados. Os filtros de papel usados sobre tudo nos laboratórios, podem serconsiderados, com alguma aproximação, como membranas.2 – Filtros de materiais cerâmicos  Estes tipos de filtros são, sobretudo, de trêscategorias:• Filtros de porcelana porosa; • Filtros de grãos aglomerados por fusão;• Filtros de grãos ligados por um cimento de ligação. Aos dois primeiros grupos pertencem os filtros constituídos por vidro ou porcelana aglomerados a alta temperatura, enquanto que, ao terceiro, pertencem os de tipo alumina, carvão ou quartzo, com um cimento de ligação à base de silicato de sódio. 3 – Filtros de grãos soltos  Os materiais mais usados são a areia, terra, carvão, carvão ativado, etc., com uma granulometria variável, mas que ronda 0,25 mm. Estes tipos de filtros são constituídos por uma caixa cilíndrica ou prismática, podendo o eixo ser colocadovertical ou horizontalmente. Os filtros deste tipo dividem-se, ainda, em lentos e rápidos,podendo estes ser abertos ou fechados. No primeiro caso, são apenas condicionados por umacoluna de água e, no segundo caso, por uma sobre pressão que pode ter valores até 4 bares. Ascapacidades de filtragem são variáveis. Assim, tem-se:• Filtros lentos – 0,03 l/s m2; • Filtros rápidos – 1 a 3 2l/s m . Estes meios não servem, de modo geral, comoúnicos meios filtrantes. No entanto, no caso de gases,servem como meio filtrante como, por exemplo, noschamados “filtros de mangas”. Nestes filtros, éinterrompida, periodicamente, a passagem do gás demodo a retirar as partículas retidas, sendo estasoperações, de um modo geral, automáticas.$ Substâncias auxiliares de filtração  São substânciasque se juntam aos precipitados finos e coloidais, de 86
  • 87. modo a facilitar a filtração. Devem permanecer em suspensão na solução, ser inertes epromover a aglomeração dessas partículas.Tipos de Filtros Conforme se viu anteriormente, os filtros de bolo classificam-se em:• Filtros de pressão • Filtros de vácuo Os filtros de pressão subdividem-se, ainda, em:• Filtros de prensa • Filtros de placas • Prensas Os filtros de prensa são formados por uma série de molduras sobrepostasalternadamente, e cujo corte transversal. As características mais comuns são:• pressão inferior a 70 bar; • dimensões de 1 a 1,5 m de lado;• número de quadros inferior a 40 Os filtros de placas são formados por uma série de superfícies filtrantes sobre postas,constituídas por uma rede metálica sobre a qual assenta o material filtrante. Fundamentalmente, existem dois tipos de filtros: Sweetland e Kelly. A pressão defuncionamento varia, para ambos os casos, entre 3 e 15 bar, situando-se a área total entre 50 a100 m2. Quando o precipitado é poroso, a quantidade que fica retida é suficiente, tornando-senecessário submetê-la a uma prensagem, que se pode obter por sistemas sem-fim ou porbombas hidráulicas. Outro tipo de filtro, bastante usado na indústria, é o de vácuo, o qual, de um modo geral, é contínuo, sendo a pressão, normalmente, inferior à atmosférica. Existem, fundamentalmente, dois tipos: os de correia e os rotativos. Nos filtros de correia, o material de suporte é formado por uma correia sobre a qual se faz vácuo. Em relação aos filtros rotativos, estes podem ser de tambor ou de discos. Os filtros de tambor são formados por duas superfícies cilíndricas concêntricas, de raios pouco diferentes, sendo a coroa cilíndrica dividida empartes iguais. A cada um dos compartimentos, liga-se um dispositivo de vácuo comdisposição radial, reunindo-se todos num disco central, com um número de orifícios igual aonúmero de tubos, o qual é apertado contra outro disco com dois orifícios diferentes, um comsobre pressão (o menor) e outro ao vácuo (o maior). Quando em funcionamento, os orifíciosvão estando em contato com o vácuo e com o de sobre pressão, dando-se a operação defiltração ou separação do bolo. O filtrado segue pela canalização de vácuo, sendo,posteriormente, bombeado. O vapor do líquido segue também para um condensadorbarométrico. O vácuo é produzido, de um modo geral, por uma bomba rotativa, e a sobre pressãopor um compressor de menor dimensão. A alimentação do filtro é feita, ou pela parte interior,ou através de um tanque concêntrico exterior. No primeiro caso, o filtro está na parte interiore, no segundo, na superfície exterior (filtros Oliver ou Darrco). Os filtros de discos são semelhantes aos rotativos, mas são constituídos por uma sériede discos sobrepostos, divididos em vários sectores ligados a tubos de vácuo. Os parâmetrostípicos de funcionamento dos filtros rotativos são os seguintes:• Velocidade de rotação: 1 a 60 rpm; • Espessura dos bolos: cerca de 2,5cm• Dimensões: Filtros Oliver – diâmetro 30cm a 4,5m; – comprimento 30cm a 6m 87
  • 88. Filtros Darrco – diâmetro 1 a 4m – comprimento 30cm a 1,5m Filtros de discos – diâmetro 0,5 a 4m – número de discos 5 a 10 Os bolos, após serem separados, podem ter de sofrer uma operação posterior delavagem, operação essa que, na maioria dos casos, é feita com água. Estes processos delavagem dependem dos tipos de filtro. DESTILAÇÃO A destilação é uma operação que permite a separação de misturas de líquidos emseus componentes puros ou próximos da pureza, por meio de evaporação e condensação doscomponentes em questão. Na destilação, portanto, pode-se afirmar que o agente de separaçãoé o calor, pois o vapor formado tem composição diferente da mistura original.O processo de destilação é muito utilizado em toda a indústria química, como por exemplo, naobtenção de álcool retificado de uma mistura de fermentação, ou ainda, na indústriapetrolífera para a separação das frações contidas no petróleo bruto, como gás combustível,GLP, nafta, querosene, diesel, gasóleo, óleo combustível. É um processo muito utilizadotambém na indústria petroquímica, para a separação de frações da nafta petroquímica.Conceitos Fundamentais Alguns conceitos são fundamentais para a melhor compreensão do mecanismo deseparação que ocorre na destilação, são eles a volatilidade e o equilíbrio líquido – vapor.Volatilidade A separação em uma coluna de destilação acontece devido à volatilidade relativa deum componente com relação ao outro. Geralmente, salvo raras exceções, a fração mais volátilem uma mistura é aquela que em estado puro possui maior pressão de vapor, ou seja, temmaior tendência a evaporar. Como exemplo, tem-se que, devido ao critério massa molar, ometano é mais volátil do que o etano, que por sua vez é mais volátil que o propano, que porsua vez é mais volátil que o butano e assim por diante; então a separação destes é possívelutilizando-se o agente calor e equipamentos adequados, denominados colunas ou torres dedestilação para processos contínuos ou destiladores para processos descontínuos ou embateladas.Equilíbrio Líquido – Vapor Ao colocar em recipiente sob vácuo, determinada quantidade de uma mistura líquida,por exemplo, uma mistura de hidrocarbonetos, mantendo-se constante a temperatura desterecipiente, o líquido tenderá a vaporizar-se até que alcance a pressão de equilíbrio entre a fasevapor e a fase líquida, isto é, as moléculas da fase líquida passarão para a fase vapor,aumentando a pressão do recipiente até que se tenha o equilíbrio entre as fases líquido evapor. O ponto de equilíbrio é atingido quando o número de moléculas que abandona olíquido para a fase vapor é exatamente igual ao número de moléculas que abandona o vaporpara a fase líquida. Tem-se, aí, o equilíbrio termodinâmico entre as fases líquido – vapor.Destilação Descontínua ou Destilação Simples 88
  • 89. A destilação simples ou descontínua é realizada em bateladas. Conforme é possível observar na figura acima, a carga de líquido é introduzida em um vaso provido de aquecimento, entrando em ebulição. Os vapores são retirados pelo topo através do condensador, onde são liquefeitos e coletados em outros recipientes. A primeira porção dodestilado será a mais rica em componentes mais voláteis. À medida que prossegue avaporização, o produto vaporizado torna-se mais volátil e o líquido residual torna-se menosvolátil, pois o percentual de componentes leves no líquido residual vai sendo esgotado. Odestilado, que é o vapor condensado, poderá ser coletado em porções separadas denominadasde cortes. Estes podem produzir uma série de produtos destilados com vários graus de pureza.Então, considerando-se uma mistura de três substâncias:Substância A – Muito volátil e em pequena quantidade ;Substância B – Volatilidade média e em grande quantidade;Substância C – Muito pouco volátil e em pequena quantidade. Quando uma destilação em batelada ou destilação simples é efetuada, o primeirocorte, pequeno, conteria predominantemente quase toda a substância A, o segundo corte,grande, conteria quase toda a substância B, porém estaria contaminado com um pouco dassubstâncias A e C, e o líquido residual seria, praticamente, a substância C pura. Assim sendo,apesar dos três cortes conterem todas as três substâncias, alguma separação teria ocorridoneste processo de destilação.Destilação por Expansão Brusca ou Destilação em Único Estágio O processo de destilação por expansão brusca é uma operação em um único estágio, no qual uma mistura líquida é parcialmente vaporizada. As fases líquido e vapor resultantes deste processo são separadas e removidas da coluna. O vapor será muito mais rico na substância mais volátil do que na carga original ou no líquido residual. Destilação Fracionada A destilação fracionada é otipo de destilação mais utilizada em indústrias degrande porte. Nos dois tipos de destilaçãoabordados anteriormente, destilação em batelada epor expansão brusca, a separação das diversassubstâncias que compõem a mistura é realizada deforma imperfeita ou incompleta. Na destilação 89
  • 90. fracionada, é possível a separação em várias frações, em uma mesma coluna, pois, pode-se tertemperaturas, vazões e composições constantes em um dado ponto da coluna. A destilação fracionada é uma operação de separação de misturas por intermédio devaporizações e condensações sucessivas, que, aproveitando as diferentes volatilidades dassubstâncias, torna possível o enriquecimento da parte vaporizada, com as substâncias maisvoláteis. Estas vaporizações e condensações sucessivas são efetuadas em equipamentosespecíficos, denominados de torres ou colunas de destilação.O processo, em linhas gerais, funciona como esquematizado na figura a seguir: A mistura a ser destilada é introduzida num ponto médio da coluna, ponto F,denominado ponto de alimentação. No seu interior, a mistura irá descer até atingir a base dacoluna onde encontrará aquecimento do refervedor. O refervedor, um trocador de calor aquecido por vapor dágua ou outra fontetérmica qualquer, aquecerá a mistura até atingir sua temperatura de ebulição. Neste ponto, amistura emitirá vapores que irão circular em sentido ascendente na coluna, em contracorrentecom a mistura da alimentação da coluna. Os vapores ascendentes atingirão o topo da coluna eirão para um condensador, onde serão liquefeitos e deixarão a coluna como produto dedestilação, D. Na base da coluna, a mistura, isenta de componentes mais voláteis, deixa oequipamento como produto residual, W. O processo resume-se, então, em alimentar a coluna de destilação com a mistura quese quer separar, F, no ponto médio da coluna; fazer a circulação ascendente do vapor emcontracorrente com o líquido descendente da coluna, com remoção do destilado, D, no topo datorre e do líquido residual, W, no fundo da coluna. A volatilidade relativa do produto a ser destilado permite a separação doscomponentes mais voláteis, e o contato íntimo entre as fases líquidas e vapor ao longo dacoluna promove a perfeita separação dos componentes desejados. Para melhorar a separaçãodas frações desejadas, utiliza-se o retorno de parte do destilado, D, na forma de refluxo, Lo,que enriquece o produto de topo da coluna, D, com produtos mais voláteis, melhorando apureza do destilado D. Como pode ser observado, neste processo não existem reações químicas, somentetroca térmica, devido ao refervedor de fundo e ao condensador de topo, e também troca demassa entre o vapor ascendente e o líquido descendente no interior da coluna de destilação.Colunas de destilação ou de retificação As colunas de destilação são constituídas por três partes essenciais:1 – Refervedor  É, geralmente, encontrado na base da coluna de destilação, conforme pode ser observado na figura a seguir: Sua finalidade é proceder ao aquecimento da base e, em consequência, promover a evaporação dos componentes mais voláteis. Podem ser construídos com dispositivos de aquecimento com vapor dágua, por aquecimento com circulação de frações de óleos quentes ou, até mesmo, através de resistências elétricas. Os vapores formados na base da coluna circularão de forma ascendente. Partes destes serão condensados ao longo do percurso na torre, retornando na forma líquida, permitindo, desta forma, um contato íntimo entre o vapor ascendente e o líquido descendente ao longo da torre. Dependendo do tipo de interno da coluna, o contato entre a fase líquida e vapor poderá atingir níveis que melhorarão as condições da separação desejada. 90
  • 91. Na coluna de destilação, os componentes mais pesados da mistura condensam eretornam à base da coluna, de onde são retirados como líquido residual, W. Os componentesmais leves atingem o topo da coluna e são retirados como produto destilado, D, apóspassarem pelo condensador.2 – Condensador  Tem como finalidade proceder à condensação dos vapores leves queatingem o topo da coluna. Após a condensação, tem-se o produto destilado desejado, D, coma composição especificada. O processo requer, portanto, dois trocadores de calor, ambos demudança de fase, refervedor procedendo à vaporização e o condensador efetuando acondensação das frações. Em alguns projetos, o refervedor poderá ser substituído por umainjeção de vapor d’água no fundo da coluna de destilação.Tipos de Torres de Destilação Na coluna, há o contato entre as fases líquidas e vapor. O problema resume-se emcontato perfeito entre as fases, e consequentemente, a altura da torre deve ser adequada aotipo de separação que se deseja. A cada mistura corresponderá uma altura definida de coluna,que poderá ser perfeitamente calculada para a separação desejada. Existem três tiposconvencionais de colunas de destilação: colunas com pratos e borbulhadores, colunas compratos perfurados e colunas com recheios. Todas funcionam com o mesmo princípio, ou seja,promover de forma mais perfeita possível o contato entre as fases líquido e vapor.Colunas com pratos e borbulhadores São as mais usuais e também podem ser denominadas de “bandejas”. Colunas deste tipo adotam pratos ou bandejas superpostas e que variam em número e detalhes conforme a mistura que se pretende destilar. Os pratos são constituídos por borbulhadores, tubos de ascensão e de retorno, conforme apresentado na figura a seguir. Onde: 1) Borbulhador 2) Tubo de ascensão 3) Tubo de retorno V – Vapor L – Líquido Os borbulhadores são dispositivos com formato cilíndrico, com aparência de um copo dotado de ranhuras laterais até certa altura, conforme a figura aseguir. Os borbulhadores são fixados sobre os tubos de ascensão dos vapores e destinados à circulação ascendente do vapor de um prato a outro. Sobre cada tubo de ascensão, encontrasse um borbulhador. O tubo de retorno tem como finalidade fazer o retorno, prato a prato, do excedente da fase líquida condensada sobre o prato. Assim sendo, existe sobre cada prato ou bandeja, um nível de líquido constante, regulado pela altura do tubo de retorno, eque deve corresponder ao nível do topo dos borbulhadores. 91
  • 92. Os borbulhadores são dispostos de talforma que fiquem na mesma altura doinício do tubo de retorno de líquido, afim de que se tenha uma ligeira imersãona camada líquida.Os vapores devem circular emcontracorrente com o líquido, ou melhor,de forma ascendente, passando pelostubos de ascensão, borbulhando atravésdas ranhuras dos borbulhadores econdensando em parte nas bandejas eparte retornando à bandeja imediatamente inferior.Os tubos de retorno funcionam também como selos hidráulicos, impedindo que o vaporcircule através deles. A figura a seguir ilustra bem o que foi comentado anteriormente.Colunas com pratos perfurados Neste tipo de coluna, os pratos com borbulhadores são substituídos por pratosdotados de perfurações, cujo diâmetro varia entre 0,8 e 3 mm. O funcionamento é idêntico àscolunas que utilizam pratos com borbulhadores. Geralmente, neste tipo de coluna, não existeo tubo de retorno e os pratos ocupam toda a seção da coluna, porém existem projetos em queas colunas com pratos perfurados são dotadas tubo de retorno.Colunas com Recheio Neste tipo de coluna, os pratos ou bandejas são substituídos por corpos sólidos comformatos definidos. Estes corpos, denominados recheios, podem ser anéis do tipo Rachig,Pall, Lessing ou ainda selas do tipo Berl, Intalox e outros. Alguns destes recheios podem serobservados na figura seguinte. A finalidade do recheio é provocar o contato das fases líquido-vapor. Os corpos dorecheio devem ser de alta resistência à corrosão, razão pela qual são, geralmente, de cerâmicaou de aço inoxidável. Dependendo da temperatura do processo pode-se utilizar tambémrecheios plásticos de alta resistência.As torres que utilizam recheios são muito competitivas com as torres que contêm pratos comborbulhadores ou pratos perfurados e apresentam ainda algumas vantagens, tais como:a) Geralmente são projetos mais econômicos, por serem mais simplificados;b) Apresentam pequena perda de carga; c) Não estão sujeitas às formações de espuma. Os recheios são disponibilizados em seções, sobre suportes de sustentação, o queimpede uma compactação e/ou uma descompactação localizada, que formaria caminhospreferenciais ao longo da coluna. O tamanho dos elementos dos recheios, geralmente, variamentre 0,5 e 8 cm.Seções de uma Coluna de destilação 92
  • 93. Como visto anteriormente, em uma coluna de destilação, o vapor da mistura que saide um prato atravessa o líquido do prato superior, deixando seus componentes menos voláteis.O calor liberado pela condensação destes componentes vaporiza, então, os compostos maisvoláteis do líquido contido no prato superior. Existe, portanto, uma troca de calor e massa aolongo das bandejas da torre e nota-se que, à medida que se sobe na coluna, os vapores tornam-se mais voláteis (mais leves) e, à medida que se desce na coluna, os líquidos tornam-se menosvoláteis (mais pesados).Seção de enriquecimento ou absorção É a parte da coluna compreendida entre o prato de entrada da carga e o topo dacoluna. Nesta seção, são concentradas as frações ou substâncias mais leves (mais voláteis), ouseja, em todos os pratos acima do prato de alimentação, a percentagem de compostos maisleves é maior do que na carga. As substâncias mais pesadas são removidas dos vapores queascendem, pelo refluxo interno de líquido que desce pelo interior da torre, líquido quetambém é denominado como refluxo interno.Seção de esgotamento É a parte da coluna compreendida entre o prato de entrada da carga e o fundo dacoluna. Nesta seção são concentradas as frações ou substâncias mais pesadas (menosvoláteis), ou seja, em todos os pratos abaixo do prato de alimentação, a percentagem decompostos mais pesados é maior do que na carga. Os componentes ou substâncias maispesadas são removidos dos vapores que ascendem, pelo refluxo de líquido que desce pelointerior da torre, também denominado de refluxo interno. Balanço Térmico Os principais balanços materiais para este processo são:1 – Balanço Térmico Global F . qF + Qr = D . qD + W . qW + QC (1) Como é possível observar na expressão (1),o calor retirado do condensador, QC, depende do calor introduzido no sistema pelo refervedor, Qr, uma vez que os demais termos da expressão são fixados por projeto.2 – Balanço térmico no condensadorV . qV = L . qL + D . qD + QC (2) Sabe-se que, qL = qD e V = L + D, portantoa equação (2) pode ser reescrita como uma nova expressão: (L + D) . qV = L . qL + D . qL + QC ® (L + D) . qV = (L + D) . qL + QC (L + D) . qV – (L + D) . qL = QC ® (L + D) . (qV – qL) = QC (L + D) = QC / (qV – qL) (qV – qL) = Calor decondensação do vapor de topo da coluna de destilação.Influência das principais variáveis na destilação fracionada A figura a seguir será utilizada para que possam ser feitas as observações necessáriassobre a influência das principais variáveis que ocorrem neste tipo de processo. 93
  • 94. ∅ Razão de Refluxo Nas torres de destilação fracionada existem dois tipos de refluxo, externo e o interno, que geram, desta forma, as razões de refluxo externa e interna. A razão de refluxo interna acontece tanto na região de absorção, quanto na região de esgotamento. As seguintes expressões podem ser escritas para as razões de refluxo: Razão de refluxo externo: Re = ( L/D) Razão de refluxo interna: Na seção de absorção:(Ri)abs = ( Lm / Vm ) Na seção de esgotamento: (Ri)esg = ( Vn / Ln ) O grau de fracionamento que acontece em uma coluna de destilação é determinadopelas razões de refluxo interna na torre, que por sua vez são geradas a partir da carga e dorefluxo externo à torre de destilação, ou seja, o refluxo interno na seção de absorção, Lm, égerado pelo refluxo externo, L, enquanto que na seção de esgotamento, Ln, é gerado pelorefluxo interno Lm mais a carga F. Na seção de enriquecimento ou absorção, quanto mais líquido Lm descer na torrepor unidade de massa de vapor que sobe, tanto melhor será a separação, pois, nesta seção, afinalidade é reter os compostos pesados (menos voláteis) contidos nos vapores. Quanto maiora razão (Lm/Vm), tanto melhor será, então, o fracionamento nesta região da torre dedestilação. Na seção de esgotamento, tem-se o contrário da seção de absorção, quanto maisvapor subir na torre por unidade de massa de líquido que desce, melhor será a separação nestaseção da torre, já que a finalidade, nesta região, é a remoção dos compostos leves (maisvoláteis) do líquido que desce pela torre. Portanto, na seção de esgotamento, tambémdenominada de stripping, quanto maior a razão (Vn / Ln), melhor será o fracionamento.Resumindo, pode-se afirmar que, para uma determinada coluna, o grau de fracionamento étanto maior quanto maior for à razão de refluxo interna.∅ Razão de Refluxo Versus número de pratos da Coluna Existe uma relação entre o número de pratos ou bandejas de uma coluna dedestilação e a razão de refluxo interna ou externa deste equipamento. Quanto menor for onúmero de pratos ou bandejas de uma coluna, pior será seu fracionamento. Podem serconstruídas torres com grande número de pratos para operarem com pequena razão de refluxointerna, assim como torres com pequeno número de pratos e razões de refluxo internoelevado, para uma carga com as mesmas características. Tendo em vista a relação anteriormente descrita, a condição de refluxo ou razão de refluxo mínimo corresponderá a uma coluna com um número infinito de pratos para que seja atingido o 94
  • 95. fracionamento desejado, assim como a condição de refluxo ou razão de refluxo totalcorresponderá a uma coluna com um número mínimo de pratos para que o fracionamentodesejado seja atingido. Nenhuma destas condições é satisfatória, uma vez que uma torre comnúmero de pratos infinito é um projeto totalmente inviável economicamente, bem como aconstrução de uma coluna que não produza, pois para o refluxo total não se tem retirada deprodutos, como pode ser verificado pelo cálculo abaixo.Na seção de absorção, o seguinte balanço material é observado:Vm = Lm + D Lm = Vm – D Dividindo-se os dois termos da equação por Vm , tem-se que : Quando ocorrer refluxo total, então D = 0, logo:(Lm / Vm) = 1 ® Lm = Vm, ou seja, a quantidade de líquido que desce na seção de absorção éigual à quantidade de vapor que sobe nesta seção, não havendo, portanto, produção. Na seção de esgotamento, observa-se o seguinte balanço material:Ln = Vn + W Vn = Ln – WDividindo-se os dois termos da equação por Ln, obtém-se que: (Vn / Ln) = 1 – (W/ Ln) No caso da seção de esgotamento, todo o líquido residual será vaporizado norefervedor, então W = 0, então:(Vn / Ln) = 1 ® Vn = Ln, isto é, a quantidade de vapor que sobe na seção de esgotamento éigual à quantidade de líquido que por ela desce e não há produção. Quando a coluna é operada, portanto, em refluxo total, o fracionamento épraticamente perfeito, porém o gasto com energia é muito elevado e não há produção nacoluna, o que torna o processo economicamente inviável. A relação entre o número de pratosou estágios e a razão de refluxo pode ser observada no gráfico a seguir: A razão de refluxo interna mínima é aquela que corresponde a um refluxo externo, L,mínimo, por consequente, os projetos de colunas de destilação são concebidos prevendo-se,geralmente, um refluxo externo com valores que variam entre 1,5 a 2 vezes o valor da razãode refluxo mínima. Este valor é denominado razão de refluxo operacional, RR oper, comopode ser observado no gráfico anterior.Fatores que influenciam as principais variáveis na destilação fracionada∅ Propriedades da carga Como cada carga a ser processada pode exibir uma característica, pois as proporçõesentre os componentes a serem separados podem ser diferentes, haverá, então, uma razão derefluxo para cada carga a ser processada. A diferença de volatilidade entre os componentes dacarga, de uma torre de destilação fracionada, exerce grande influência sobre as variáveiscitadas. Como exemplo, pode-se citar a comparação entre a separação de uma misturacontendo 50% de etano e 50% de eteno de outra contendo 50% de hexano e 50% de eteno. No primeiro caso, a separação entre o etano e o eteno requer tanto uma quantidade derefluxo, bem como uma quantidade de estágios (pratos) na coluna muito maiores do que na daseparação da mistura entre o hexano e o eteno, pois estes dois últimos compostos possuemgrande diferença de volatilidade.∅ Eficiência dos dispositivos de separação das torres (Pratos) Como mencionado, o componente ou substância que vaporiza a partir do líquido deum determinado prato da coluna é mais volátil que os componentes contidos no líquido desteprato, e ainda que este vapor esteja em equilíbrio com o líquido do prato, o número demoléculas que abandona a fase líquida para a fase vapor é igual ao número de moléculas quevoltam da fase vapor para a fase líquida – princípio do equilíbrio. Para que o equilíbrio, sejaatingido é necessário um certo tempo de contato entre as fases. No caso do prato ou bandejade uma torre de destilação, este tempo depende dos detalhes construtivos desta bandeja: 95
  • 96. quanto mais alto o líquido contido neste prato ou bandeja, maior será o tempo de contato entreas fases, pois o líquido permanecerá mais tempo no prato, e, em consequência o vapor gastarámais tempo para atravessá-lo. O prato que conserva um maior nível de líquido é aquele quemais se aproxima do equilíbrio entre as fases líquido-vapor e, por isso, é denominado de“prato ideal”. O prato ideal é o dispositivo que permite o maior enriquecimento em componentesmais voláteis do vapor que penetra no líquido deste prato.A eficiência de um prato de uma coluna de destilação fracionada poderá ser quantificada peloenriquecimento de componentes mais voláteis no líquido deste prato, que no caso do pratoideal é de 100%. O valor percentual da eficiência de um prato real, em uma coluna dedestilação fracionada, está entre 50 e 80%, é tanto maior, quanto melhor for o projeto da torre,para as condições de operação especificadas. Se, por exemplo, uma torre, projetada para umadeterminada condição e especificação de carga, mudanças em suas característicasespecificadas, a mesma não corresponderá satisfatoriamente às condições inicialmenteprevistas, diminuindo desta forma, sua eficiência e, consequentemente, podendo comprometeros resultados inicialmente previstos para aquele projeto. Portanto, o fracionamento em umacoluna de destilação depende da eficiência dos seus pratos.Problemas que podem ocorrer em bandejas de colunas de destilação∅ Problema de arraste O arraste é o transporte, efetuado pelo vapor, de gotículas de líquido do prato inferiorpara os pratos superiores. A quantidade de líquido arrastado depende da velocidade do vaporao longo da torre. No arraste, o líquido do prato inferior contamina o líquido do prato superiorcom compostos pesados (menos voláteis), piorando o fracionamento ao longo da coluna. Oarraste pode ser provocado pelo aumento da vazão volumétrica do vapor, que, por sua vez,pode ser decorrente da redução da pressão em alguma região da coluna. As torres de destilação a vácuo são construídas com um diâmetro muito maior do queas torres de destilações atmosféricas, pois como suas pressões são muito baixas, provocamvazões volumétricas muito elevadas.∅ Problema de Pulsação Este fenômeno ocorre quando a vazão de vapor, que ascende de um prato inferiorpara um superior da coluna, não tem pressão suficiente para vencer continuamente a perda decarga apresentada pela bandeja em questão. O vapor, então, cessa temporariamente suapassagem por esta bandeja e, quando sua pressão volta a ser restabelecida, vence a perda decarga no prato de forma brusca. Assim diminui a pressão do vapor quase queinstantaneamente e cessa a passagem do vapor pelo prato até que seja novamenterestabelecida sua pressão. Esta situação permanece até que seja normalizada a condição depressão ao longo da coluna.∅ Problema de vazamento de líquido É o fenômeno da passagem de líquido da bandeja superior para a bandeja inferior,através dos orifícios dos dispositivos existentes nos pratos e que são destinados à passagem dovapor. Este fenômeno ocorre, quando a vazão de vapor é baixa e a vazão de líquido éexcessivamente alta.∅ Problema de inundação A inundação, em uma torre de destilação, ocorre quando o nível de líquido do tubode retorno de um prato atinge o prato superior. Poderá acontecer em regiões localizadas na 96
  • 97. torre ou, caso o problema não seja solucionado a tempo, em uma das seções e até mesmo, natorre como um todo. ABSORÇÃO DE UM GÁS Nas colunas de destilação fracionada, a seção acima do ponto de alimentação dacarga da torre é denominada de seção de absorção e a seção abaixo do ponto de alimentaçãoda carga da torre é denominada de seção de esgotamento. No entanto, existem processos queutilizam somente absorção ou esgotamento, e, de acordo com a necessidade do processo, sãoprojetadas torres que operam somente com processos de absorção ou, então, apenas comprocessos de esgotamento. As colunas de absorção e de esgotamento, geralmente, nãopossuem estágios de troca de calor, isto é, não apresentam nem refervedor, nem condensador. É uma operação em que uma mistura gasosa, V1, é colocada em contato com umlíquido, L1, para nele serem dissolvidos um ou mais compostos que se quer remover damistura gasosa. Geralmente, existe uma diferença de volatilidade muito grande entre oscomponentes da fase gasosa e os da fase líquida. Proporciona-se, com isso, somente aabsorção dos componentes mais pesados da mistura gasosa, sem perca de componentes damistura líquida por evaporação.Esgotamento É a operação inversa à da absorção, ou seja, tem como finalidade remover compostosde um líquido, L1, utilizando-se uma corrente de gás ou de vapor, V1, Neste caso, sãoutilizados gases ou vapores totalmente insolúveis no líquido ou então gases ou vapores comvolatilidade muito mais alta do que o líquido em questão. Na realidade, tanto no processo de absorção, quanto no processo de esgotamento,existe o mecanismo de transferência de massa de uma fase para outra. No caso da absorção,há transferência de compostos da fase gasosa para a fase líquida e, no caso do processo deesgotamento, há transferência de compostos da líquida para a fase gasosa.Solubilidade de Gases em Líquidos Quando se coloca um gás em contato com um líquido, num recipiente fechado numacerta condição de temperatura e pressão, parte das moléculas da fase gasosa passa,inicialmente, para a fase líquida, até que se atinja o ponto de equilíbrio para estas condiçõesde temperatura e pressão. Neste ponto, a concentração do gás no líquido é denominada de“solubilidade de equilíbrio do gás neste líquido”, nas condições de temperatura e pressão emquestão. No exemplo acima, a fase gasosa é constituída somente por um tipo determinado degás. No caso de haver uma mistura de duas ou mais substâncias gasosas, em que somente umadelas é solúvel no líquido, a “solubilidade de equilíbrio” dependerá da pressão parcial destegás, na mistura gasosa. O valor da pressão parcial de uma sustância é o percentual moleculardesta substância em relação à pressão total da mistura, ou seja: (P Parcial) A = (% molecular A / 100) x P Total Por exemplo, numa mistura gasosa em que a pressão total do sistema é de 20 2kgf/cm , tem-se 30% de moléculas de propano; assim a pressão parcial do propano na misturadeste sistema será: (30/100) x 20 = 6 kgf/cm2. A solubilidade de equilíbrio de um determinadogás, a uma certa temperatura, em um determinado líquido, aumenta, com o aumento dapressão parcial do gás, ou ainda, com o aumento da concentração do gás no referido líquido,desde que a temperatura se mantenha constante. É possível relacionar a pressão parcial de umdeterminado gás com a sua solubilidade de equilíbrio num determinado líquido, e com isto,gerar gráficos com curvas de solubilidade de equilíbrio em função da pressão parcial deequilíbrio. Com o aumento da temperatura, a solubilidade do gás diminui. Na temperatura de10ºC e com uma pressão parcial de equilíbrio de 50 mm Hg, a concentração ou solubilidade 97
  • 98. de equilíbrio da amônia em água será de 11%. Com a mesma pressão parcial de 50 mm Hg,na temperatura de 30ºC, a concentração ou solubilidade de equilíbrio da amônia na água seráde 5%.Potencial que promove a absorção Conforme abordado anteriormente, quando um líquido e um gás estão em equilíbrio(o número de moléculas da fase gasosa que passa para a fase líquida é igual ao número demoléculas que passam da fase líquida para a fase gasosa), nas condições de temperatura epressão estabelecidas não haverá mais alteração da concentração do gás absorvido no líquido. Porém, caso haja alteração, por exemplo, da pressão parcial do gás a ser absorvidopelo líquido, sem a alteração da variável temperatura, então ocorrerá à passagem de moléculasda fase gasosa para a fase líquida até a nova situação de equilíbrio. Baseado nestes conceitos,o potencial, que promove a absorção de um gás A em um certo líquido, poderá serequacionado da seguinte forma: (Potencial de absorção) A = (Pressão Parcial) A – (Pressão Parcial de Equilíbrio) ARefluxo Interno Mínimo No caso dos processos de absorção e esgotamento, existe uma razão de refluxomínimo, para que a operação desejada seja efetuada.∅ Absorção  Para o processo de absorção existe uma relação L/V mínima, a fim de que aoperação de absorção desejada possa ser efetuada. Quanto maior a relação L/V, melhor será aabsorção, pois o líquido, L, ficará menos concentrado no composto a ser absorvido. Com oaumento da relação L/V, tem-se, assim, um aumento no potencial de absorção.∅ Esgotamento  No caso do processo de esgotamento existe uma relação V/L mínima,para que a operação de esgotamento desejada possa ser efetuada. Quanto maior a relação V/L,melhor será o esgotamento, pois o vapor, V, ficará menos concentrado no composto a seresgotado. Com o aumento da relação V/L, haverá, então, um aumento no potencial deesgotamento.Aparelhagem Usada Na absorção de gases, a entrada destes faz-se sempre pela parte inferior, e os tiposusados dependem, fundamentalmente, de cada um dos filmes de interface, e dos caudais delíquido e de gás. Existem, assim, as seguintes categorias de aparelhagem de absorção:• Sistemas em que o gás borbulha no líquido;• Câmaras de pulverização;• Sistemas em que o gás passa sobre massas líquidas;• Torres de enchimento;• Sistemas com partes mecânicas;• Colunas de pratos. Os sistemas em que o gás borbulha nolíquido, só se usam no caso em que os gases sãocompletamente solúveis, sendo a absorçãoregulada pelo filme líquido. Nas câmaras depulverização, o líquido é pulverizado na massa dogás. São utilizadas quando a absorção é reguladapelo filme gasoso. Os sistemas de pulverizaçãopodem ser colocados em vários níveis de câmarasou numa coluna central. O sistema em que o gáspassa sobre massas de líquido aplica-se quando se 98
  • 99. libertam grandes quantidades de calor na reação de absorção (garrafões de grés). A torre deenchimento destina-se a ser ocupada por este. Podem usar-se várias torres em série; aalimentação é feita por distribuidores em que a vedação se obtém por meio de uma juntahidráulica. O enchimento destina-se a aumentar a superfície livre do líquido, tendo de obedecer às seguintes condições: • baixo peso por unidade de volume • grande superfície em relação ao volume • grande secção de passagem• grande volume livre• pequena retenção de líquido• elevada resistência química Os tipos de enchimento mais vulgares são os seguintes:• coque • tijolos cerâmicos • anéis de Raschig • anéis de Lessing • selas de Berl • esferas de Gottmann Os anéis de Raschig são anéis em material cerâmico, que podem apresentar algumas variantes, tais como a existência de uma espiral interior ou de um ceptro que o divide. Os anéis de Lessing são anéis metálicos com uma tela interna. A sela de Berl tem uma configuração especial. As colunas de pratos são idênticas às de retificação. Os sistemas com partes mecânicas sãoconstituídos por órgãos rotativos que lançam o líquido no gás, aos quais pertencem os tubosdispersores. ADSORÇÃO Fisicamente, a adsorção consiste na retenção da molécula de um gás ou de umlíquido sobre a superfície de um sólido, constituindo um filme de adsorção. A superfície dosólido refere-se à superfície total incluindo os poros e os capilares. A adsorção pode ser físicaou química, conforme é determinada por forças de Van der Walls ou pela formação decompostos à superfície. O calor de adsorção física (energia envolvida quando se processa estetipo de ligação) é da mesma ordem de grandeza da liquefação, podendo ser, no entanto,superior (até 100%). O calor de adsorção química pode formar valores elevados da ordem de100 000 cal/mole de gás. Por exemplo, o calor de adsorção física do azoto pelo ferro varia de 99
  • 100. 1 000 cal/mole, no início, até 1 360, na fase final. Na adsorção química a alta temperaturaatingem-se valores de 35 000 cal/mole. A adsorção física é rápida e reversível; a adsorçãoquímica é lenta (quase sempre), exigindo uma temperatura de desadsorção bastante elevada.Aparelhagem Usada As substâncias adsorventes, mais vulgares, são:• carvão mineral • sílica gel • bauxita ativada• alumínio ativado • carvão ativado • Terra de infusórios • metais A substância adsorvente tem que ser reativa, sendo apenas necessário, para isso,fazer atravessar a substância absorvente por gases quentes. No caso de líquidos é necessáriofazer a lavagem. A adsorção pode ser estática ou dinâmica, conforme o fluido não esteja emmovimento ou atravesse uma camada de substância adsorvente. A adsorção de gases tem duasaplicações principais: 100
  • 101. • secagem de gases • catálise de contato A adsorção de líquidos tem por objetivo a remoção de impurezas de certassubstâncias. Estas podem ser coradas ou ter um cheiro desagradável, sendo necessário efetuarestas operações. A adsorção é uma área recente de Engenharia Química. A sua aplicaçãoindustrial é relativamente recente. As aplicações mais modernas são:• hiper adsorção • cromatografia • recuperação de solventes por carvão ativado A hiper adsorção consiste na absorção de vapores de hidrocarbonetos usando, para oefeito, um leito fluidizado de carvão ativado. A cromatografia (muito usada em QuímicaAnalítica) baseia a sua aplicação na adsorção de líquidos ou gases, em colunas de separação.O carvão ativado está a ser bastante usado na recuperação de solventes, nas indústrias queusam grandes quantidades destes produtos. 101
  • 102.  EVAPORAÇÃO E SECAGEM A vaporização de líquidos é uma operação frequente na Indústria Química e temcomo objetivos os seguintes:• Produção de vapor para produção de energia;• Provocar arrefecimento através da vaporização (refrigeração);• Concentrar soluções por vaporização do dissolvente;• Separar os componentes de uma mistura líquida. Os dois últimos correspondem à vaporização de misturas, apenas diferindo pelacomposição do vapor obtido. No primeiro, o vapor é constituído por um componente puro.Esta operação denomina-se “evaporação”. No último, o vapor tem quantidades apreciáveis detodos os componentes e a operação denomina-se destilação. A secagem consiste na separação de um sólido de um líquido por vaporização desteúltimo, podendo ter diversas formas específicas. No caso da quantidade de líquido serbastante superior à do sólido, obtém-se uma operação mais idêntica à de evaporação. Quandoa quantidade de sólido é bastante maior que a de líquido, o fenómeno associado assemelha-semais à de extração de sólidos. Este consiste em duas operações sequenciais em que,primeiramente, se dá a difusão do líquido até à superfície do sólido e, posteriormente, umaevaporação. No caso de a quantidade de sólido ser maior que a de líquido, aquela permanecesempre na superfície deste, sendo a secagem uma operação de evaporação. Em caso contrário,a operação é regulada por fenómenos de difusão, sendo o problema físico associado maiscomplexo.Mecanismos de Evaporação e Tipos de Equipamentos Qualquer sistema que permita fornecer calor ao líquido a evaporar pode ser usadopara realizar a evaporação. O vapor obtido pela evaporação tem de ser condensado. O calorlibertado na condensação pode ser aplicado na evaporação de líquidos de menor ponto deebulição, ou do mesmo líquido a pressões mais baixas (este último caso é conhecido porevaporação de múltiplo efeito). O fornecimento de calor para se realizar a evaporação podeser fornecido por um gás quente que é introduzido sobre a superfície livre do líquido, ouatravés das paredes de contato com o líquido do próprio recipiente ou de tubagem deaquecimento. Em qualquer dos casos, há vantagem em que a superfície de contato seja tãogrande quanto possível. No caso de haver contato direto do gás com o líquido, trata-se de transmitir caloratravés de dois filmes (gás e líquido) de interface. No segundo caso, há ainda a considerar atransmissão de calor através de uma superfície de aquecimento. O vapor formado pode-seretirar por arrastamento, juntamente com o gás de aquecimento, ou por condensação, nosegundo caso. Aqui, existe ainda a possibilidade de lançamento na atmosfera se não se quiserfazer aproveitamento do mesmo (e desde que não se introduzam disfunções ambientais). A execução da evaporação por contato direto entre o líquido e o gás de aquecimentopode processar-se de modo adiabático, isto é, sem perdas de calor pelo sistema (em que oaquecimento do líquido é, exclusivamente, feito pelo gás). A aparelhagem usada neste casotem por objetivo produzir uma superfície de separação entre o líquido e o gás tão grandequanto possível, a qual se pode obter por três processos:• líquido e gás em repouso, com uma grande superfície de contato;• subdivisão do líquido;• subdivisão do gás. No primeiro caso, existe uma grande superfície de contato, como, por exemplo,numa salina, em que o ar é o próprio gás usado neste processo. A transmissão de calor faz-se 102
  • 103. por convecção natural. A renovação constante da camada de ar sobre a superfície líquida e ofacto de a saturação do ar ser inferior à mesma vai permitir fazer a evaporação. O processo de subdivisão do líquido tem quatro formas de realização:• empilhamentos • agitação do líquido• pulverização do líquido • torres de evaporação Nos empilhamentos, o processo deevaporação é análogo ao do gás e do líquidoem repouso, mas este é, no entanto, obrigado acorrer sobre uma superfície empilhada,conseguindo-se, assim, uma grande superfície decontato com o gás. A agitação do líquidoobtém-se fazendo circular o líquido e o gás emcontracorrente num recipiente cilíndrico deeixo horizontal. No terceiro caso, depulverização do líquido, este é, primeiro,dividido finamente, antes de ser lançado emcontracorrente contra o gás, em equipamentosanálogos aos primeiros em que existemsistemas de dispersão. Nas torres de evaporação, o gás e olíquido circulam em contracorrente, em torresonde existe um rendimento que permite adispersão. A subdivisão do gás consegue-sefazendo borbulhar a massa de gás na massa do líquido. No caso de sistemas com parede deseparação, é necessário equacionar o problema de transmissão de calor através da superfíciede contato. Esta depende das características físicas do material e da espuma de parede. Oaquecimento pode ser feito por diversos sistemas que, seguidamente, se passam a referir: ∅ Aquecimento por gases quentes  Este sistema usa os gases quentes de combustão para aquecimento direto; estes só devem contatar as paredes de transmissão, após a combustão se dar completamente, a fim de evitar a diminuição de velocidade de combustão provocada pelas paredes mais finas. É conveniente, neste sistema, efetuar a agitação de modo a evitar sobreaquecimento. Como exemplo, têm-se as panelas de aquecimento ou as caldeiras. ∅ Aquecimento por óleo  Neste tipo de sistemas, usam-se líquidos contidos em recipientes 103
  • 104. de paredes duplas onde o óleo circula, sendo este aquecido, previamente, por sistema direto,análogo ao da caldeira de vapor. Outros dois sistemas baseiam-se no aquecimento por vaporde água ou por sistema eléctrico (resistências). Para além da transmissão de calor, há queconsiderar a convecção, a qual pode ser realizada por três métodos: • convecção natural •convecção por agitação • convecção por circulação.Trocas caloríficas A evaporação pode efetuar-sepor qualquer um dos processosanteriormente descritos. A entrada dolíquido a evaporar e do fluido deaquecimento fazem-se de modocontínuo. O líquido concentrado,resultante da vaporização, é retiradocontínua ou descontinuamente. Relativamente aos equipamentos, há vários sistemas aconsiderar: • Aquecimento direto, • Aquecimento usando parede dupla, • Aquecimento por superfícies tubulares, • Evaporação a pressão reduzida, • Evaporação por múltiplo efeito. Procede-se, seguidamente, à sua análise detalhada. ∅ Aquecimento direto  Os equipamentos por aquecimento direto são os que se baseiam no sistema atrás referido, por gases quentes, cujos exemplos mais característicos são as caldeiras. Trata-se de sistemas tubulares, cuja água circula por convecção natural ou forçada entre dois barriletes, ou um barrilete e um sistema de coletores de distribuição, passando pela fornalha (no caso de caldeiras aquotubulares), sendoaquecida por gases provenientes de combustão. Um outro tipo de caldeira usa os gases decombustão para esse efeito passando por tubosque conduzem água. O vapor produzido passa, emseguida, por um circuito de sobreaquecimento, demodo a aumentar a temperatura do vapor,podendo destinar-se diretamente ao ProcessoQuímico ou passar, primeiramente, por umsistema de produção de energia.∅ Aquecimento de parede dupla  Neste caso,o aquecimento é produzido num recipienteenvolvido por uma camisa exterior, onde passaum fluido de aquecimento.∅ Aquecimento por superfícies tubulares Neste sistema, bastante difundido com a IndústriaQuímica, há a considerar quatro tipos:• tubos horizontais• tubos verticais• tubos inclinados 104
  • 105. • tubos com formas especiais Nos evaporadores de tubos horizontais, existem duas variantes, consoante o fluido deaquecimento circula no interior ou no exterior dos tubos. Nos sistemas onde o vapor circulano interior dos tubos, este entra, primeiramente, no compartimento de onde parte o feixetubular que penetra no líquido a evaporar. Os líquidos condensados e os gases nãocondensáveis saem pelo compartimento oposto ao primeiro.Dimensões habituais:• Diâmetro - 1 a 3,5 m • Diâmetro dos tubos - 22 a 32 cm • Altura - 2 a 3 m Este sistema é adequado para soluções não viscosas e que não originem incrustações ou cristais sobre a superfície livre dos tubos. No caso de o vapor passar pelo exterior dos tubos (evaporador Yaryan), o evaporador é formado por um cilindro oco de bases perfuradas para apassagem daqueles. Sobre estas bases, estão as placas dedistribuição, fazendo-se a alimentação através do primeiro tubo; em torno do segundo, existeuma câmara com anteparos que permite a separação entre líquido e vapor. Esta separação deve-se ao facto de, à medida que a evaporação se dá, se formar uma mistura de gás e líquido em turbilhão que necessitam de uma separação. O comprimento usual destes equipamentos varia entre 2,5 e 6m. Nos evaporadores de tubos verticais existem quatro tipos fundamentais: • standard • cesto • tubos compridos • circulação fechada Nos evaporadores tipo Standard, os tubos são montados numa coroa cilíndrica, e o vapor circula no seu exterior. Por vezes, o cilindro central da coroa circular, através do qual o líquido desce, é substituído por vários cilindros situados em vários pontos dasuperfície do líquido. Dimensões habituais dos tubos:• Diâmetros: 25 a 100 mm • Comprimento: 0,75a 2 m Nos evaporadores de tubos verticais de tipo cesto, asuperfície através do qual o líquido desce é anelar em vez decentral. A caixa e os tubos constituem um sistema único quando sedesmontam, possuindo um anteparo que evita o arrastamentolíquido, pois, quando a evaporação é violenta, pode arrastar grandesquantidades de líquido. Nos evaporadores de tubos verticais de tipotubos compridos, também vulgarmente designados por tipo 105
  • 106. Kestner, dá-se um aumento de velocidade de passagem de líquido com o objetivo de reduzir aespessura do filme de líquido. O líquido ocupa um nível relativamente baixo (60 a 90 cm), a partir da parte inferior,atravessando o feixe de uma só vez. Na parte superior, existe um anteparo que faz a separaçãodo líquido; este desce de seguida, por um tubo lateral. A válvula é usada apenas no início defuncionamento ficando aberta quando em regime estacionário. Dimensões dos tubos:• Diâmetro – 32 a 64 cm • Comprimento – 3 a 6 m O feixe tubular pode, também, estar situado no exterior. Nos evaporadores de feixe tubular vertical, de circulação forçada, o líquido circulaatravés do acionamento de uma bomba. Este tipo de evaporadores é aconselhável paralíquidos de elevada viscosidade, líquidos que formam espuma ou que dão origem aincrustações. As dimensões habituais dos tubos:• Diâmetro – 19 mm • Comprimento – 2,5 m Como no caso anterior, existe uma variante de tubos externos. Os evaporadores detubos inclinados são uma variante daqueles e usam-se apenas em casos muito particulares,sendo, contudo, de utilização muito frequente. Os evaporadores de tubos de formas especiaisconstituem outra variante, podendo ter a forma de U ou em serpentina. Não apresentamqualquer vantagem em relação ao vertical.∅ Evaporação a pressão reduzida  Neste sistema, o recipiente de evaporação está emcomunicação com um ejetor que puxa os vapores formados.∅ Condensação de vapores formados  Os vapores produzidos por sistema de evaporaçãosão, em seguida, condensados em sistemas específicos, denominados condensadores. Estesfuncionam por contato direto com o líquido de arrefecimento (condensador de contato) ouatravés de dois circuitos distintos (condensadores de superfície). Os primeiros são os maisimportantes e classificam-se em húmidos e secos, consoantes os condensados e os gases nãocondensados são retirados pela mesma bomba ou por bombas diferentes. Em qualquer doscasos, a condensação pode ser em contracorrente ou em co-corrente (corrente no mesmosentido). No tipo húmido, a remoção conjunta do líquido e do gás é feita por uma bomba, comdimensões suficientes para a mistura a transportar. No tipo seco, o líquido, é retirado por umtubo barométrico ou por uma bomba, sendo os gases não condensados aspirados por umabomba de vácuo.Separação do condensado do vapor de aquecimento O vapor de aquecimento que se vai condensando à medida que a evaporaçãoprossegue tem de ser retirado continuamente, usando-se para o efeito bombas ou purgadores.Um purgador é um sistema que permite retirar o condensado, mas que evita a saída do vapor.Existem três tipos fundamentais:• dilatação • copo • rotativos Apresentar-se-ão, a seguir, exemplos dos dois primeiros tipos de purgadores.Qualquer destes sistemas pode ser de retorno ou não retorno, conforme a câmara de descargativer uma pressão superior, igual ou inferior à da câmara a esvaziar. Os purgadores dedilatação e de copo são de tipo não retorno, e os rotativos de retorno.Purgador de dilatação Este sistema pode ser visto commaior detalhe. O tubo está ligado aoevaporador e a saída é fechada pelaválvula, montada na extremidade de uma 106
  • 107. haste solidária com uma parede ondulada, sendo esta, por sua vez, montada numa dasextremidades de uma manga metálica. O espaço entre a parede ondulada e a manga está cheio de óleo. O condensado, aocontatar com a parede do purgador, vai arrefecendo também o óleo, contraindo a manga, e aválvula abrem-se deixando sair o líquido. Quando este sai, o vapor aquece de novo a manga.Este sistema, devido à dificuldade de regulação, só se usa para pequenas capacidades.Purgador de copo Neste sistema, o líquido vai enchendo o copo, o qual desce quando o peso do líquidoatinge um certo valor. A haste desce, igualmente, e abre a válvula. Este tipo de purgador éintermitente.Mecanismos de Secagem e Equipamentos O estudo de secagem depende do tipo de mecanismo que se verificar, o qual estáassociado ao grau de saturação do sólido, no líquido quese pretende evaporar. Seja qual for o modo deevaporação, esta só se realiza se a saturação do sólidofor superior às das condições ambientais que o rodeiam.Da diferença entre estes dois valores, designada por“saturação livre f” e que se exprime em massa delíquido por unidade de massa de sólido, nasceu oconceito fundamental no estudo da secagem. Experimentalmente, existe um valor crítico, oufc, abaixo do qual o fenómeno é regulado pela dispersãoe, acima do qual, é regulado pela evaporação. Asecagem efetua-se através de um gás quente queatravessa, continuamente, um secador onde está contidaa substância a secar, condensando-se como adiabática. O gás tem uma circulação contínua,em que a temperatura e a humidade são variáveis de ponto para ponto, independentes dotempo, durante o período em que a secagem é regulada pela evaporação. Este período tem onome de “secagem à velocidade constante”. Quando a saturação crítica é atingida, a velocidade de difusão diminui e a parte delíquido evaporado é cada vez menor. Neste caso, o período é designado por período desecagem à velocidade decrescente. Os secadores podem classificar-se em três tipos:• diretos • indiretos • especiais Nos secadores diretos, a secagem faz-se por convecção de calor entre o gás quente eo sólido húmido. O agente de aquecimento pode ser ar aquecido por vapor, gases decombustão ou atmosfera inerte (azoto vapor sobreaquecido). As temperaturas variam até750°C. Quando a secagem se faz abaixo da temperatura de ebulição do líquido, o fatordeterminante da velocidade de secagem é a saturação do gás, tendo implicações na velocidadede secagem e na saturação final do sólido. Quando esta é inferior à temperatura de ebulição dolíquido, a saturação do gás não tem influência. Para se efetuar a secagem a baixastemperaturas, é necessário secar previamente o gás quando a sua humidade é elevada. Orendimento de secagem aumenta quando a temperatura do gás aumenta e a de saída semantém constante. Nos secadores indiretos, a secagem resulta da condução de calor através de paredesmetálicas e, em geral, o agente de secagem é vapor saturado (mas pode ser água quente, gasesde combustão, etc.). A temperatura de contato varia entre 0 e 500°C, sendo especialmenteadequados para atuarem a temperaturas reduzidas e em atmosferas inertes. Aplicam-se, porexemplo, na recuperação de dissolventes. A utilização de vapor saturado dá bom rendimento, 107
  • 108. porque o fornecimento de calor é fornecido à medida das necessidades. Existem dois tiposfundamentais de secadores especiais: os de energia radiante e os de alta frequência.• Nos de energia radiante, são usadas lâmpadas de incandescência ou de refratário.• O secador é constituído por um túnel onde existem lâmpadas, através do qual o material asecar é transportado. Este sistema é adequado para secagem de filmes delgados, como filmesfotográficos, ou secagem de pinturas.• No segundo caso, as substâncias a secar passam num campo eletrostático de alta frequência,sendo a secagem feita do interior para fora. Uma das indústrias que usa este sistema é afabricação de contraplacado, a cerâmica, etc.• A diversidade de secadores obriga a que se faça uma sistematização baseada nascaracterísticas dos materiais a secar. Apresentam-se alguns exemplos:  Materiais em bolos ou massas, contidos em transportadores ou tabuleiros: • secadores descontínuos • secadores contínuos (túnel)  Materiais soltos, granulares ou cristalinos: • rotativos de tipo direto • rotativos de tipo indireto  Materiais em folhas contínuas: • secador de cilindros  Pastas e lamas: • secadores com agitação mecânica  Materiais em solução: • secadores de tambor • secadores de pulverização1 – Nos secadores descontínuos, de compartimentos à pressão atmosférica, o corpo é divididoem várias secções, onde o gás é aquecido por meio de uma tubagem; na entrada, pode sermisturado gás fresco ou gás húmido, de modo a reduzir a velocidade de secagem, senecessário. Este tipo de secador é indicado para substâncias aglomerantes ou plásticas, massasgranulosas, pastas e fibras têxteis. Nos secadores descontínuos de compartimentos em vácuo,as paredes são ocas, de modo a permitir a circulação de vapor ou água quente na câmara desecagem. Este, quando usado para secagem de pólvora ou precipitados, torna irrelevante avelocidade de difusão através do sólido.2 – Nos secadores contínuos de túnel, o gás de secagem circula em contracorrente com acarga ao longo de todo o secador, e usa-se, por exemplo, em indústria de tijolos, cerâmica oumadeira, permitindo realizar a secagem lentamente e em grandes quantidades. Na madeira, éhabitual umidificar o ar antes da entrada, com o objetivo de evitar a secagem rápida na fasefinal.3 – Os secadores rotativos de tipo direto são constituídos por uma superfície cilíndrica,revestida a refratário e assente sobre roletes, sobre os quais se efetua a rotação. Este secadorusa-se, por exemplo, para açúcar, sal ou outros materiais granulares e cristalinos. Nossecadores rotativos de tipo indireto, existe um tubo indireto em contato com o cilindroexterior por meio de canais. Este sistema é usado, por exemplo, em materiais como argila paraporcelanas, os quais não podem ser contaminados. No cálculo das dimensões, entra-se emlinha de conta com a inclinação, número de rotações, etc.4 – O secador de cilindros é usado para materiais em folhas descontínuas. O aquecimento éindireto e feito por vapor que passa no interior dos cilindros.5 – O secador com agitação mecânica é usado para pastas e lamas que não podem ser secasem secadores rotativos, pois podem agarrar-se às paredes; outros processos alternativosexplicados anteriormente são demasiado onerosos.6 – Os secadores de tambor são usados na fase final de evaporação, em que a viscosidade nãopermite a utilização de evaporadores. Portanto, este tipo de secadores é o adequado para 108
  • 109. soluções de materiais. Os secadores deste tipo são aquecidos internamente e têm ummovimento de rotação lento.7 – Os secadores de pulverização baseiam-se na pulverização de uma solução numa câmarade secagem de forma cilíndrica; o aquecimento é direto. Existe ainda um outro tipo de secador(de dispersão), onde a secagem se faz por arrastamento, por correntes de gases quentes. INTRODUÇÃO À CRISTALIZAÇÃO A cristalização consiste em separar uma substância dissolvida, por saturação desolução, por arrefecimento ou evaporação do solvente. A cristalização inicia-se pela formaçãode pequenos cristais – núcleo de cristalização – que vão aumentando de volume à medida quea cristalização prossegue. Este fenómeno é o inverso de dissolução e só se dá se existiremcondições específicas entre a massa líquida e a superfície dos cristais formados. Portanto, acristalização consiste, primeiramente, na formação de núcleos de cristalização – ou nucleação– seguida de crescimento nos núcleos formados. Na prática, a cristalização efetua-se emsoluções, onde se espalham núcleos de cristalização já formados e sobre os quais prossegue aformação dos cristais. Pode-se determinar o tamanho dos cristais fazendo-se uma análisegranulométrica.Equipamentos Usados na Cristalização e Fatores Físicos Associados Durante a cristalização, existem trocas de calor, que podem ser de arrefecimento ouaquecimento. Para que se realize uma cristalização controlada, é necessário que se conjuguemos seguintes fatores:• A solução não deve estar sobressaturada além de um certo limite, de modo a evitar adeposição incontrolada;• Para que a sobressaturação seja controlada, é necessário que a solução seja renovada;• Os cristais devem ser agitados continuamente, para evitar a sua aglomeração;• Os cristais que se vão formando devem ser removidos, de modo a manter constante a suavelocidade de formação. Os cristais podem ser classificados de acordo com o sistema de fornecimento dosistema de produção:• Sobressaturação produzida por arrefecimento;• Sobressaturação produzida por evaporação com produção de calor;• Sobressaturação produzida por evaporação adiabática (cristalizadores de vácuo);• Circulação de águas mãe, com sobressaturação provocada por quaisquer dos processosanteriores (cristalizadores de classificação). O método por arrefecimento é a forma mais eficaz para produzir a sobressaturação,nos casos em que a solubilidade aumenta muito com a temperatura. No caso de a solubilidadeser pouco variável com a temperatura, usa-se a evaporação. Os cristalizadores dearrefecimento podem ser contínuos ou descontínuos. Nos de tipo descontínuo, existe umtanque onde a solução saturada é lançada, efetuando-se a cristalização por arrefecimento evaporização. A solução pode, ou não, ser agitada, e o tempo de cristalização varia entre 2 e 10dias. Neste tipo de sistema as lâminas facilitam a formação dos cristais. Nos de tipo contínuo,os mais usados são de tipo Wulff Bock e Swenson-Walker.1 – Nos do tipo Wulff Bock é constituído por um canal inclinado, montado sobre roletes ecom um movimento de oscilação. A alimentação é contínua, sendo o arrefecimento feito porconvecção natural.2 – Nos de tipo Swenson-Walker, a sua constituição é idêntica à dos transportadores de tipoparafuso, permitindo o arrastamento dos cristais.3 – Nos cristalizadores de evaporação a solução circula através de um evaporador, por meioduma bomba. Os cristais de maior dimensão são retirados pela parte inferior. 109
  • 110. 4 – Nos cristalizadores de vácuo, de arrefecimento e de evaporação, a solução é lançada numcilindro vertical de base cónica, sendo o vácuo feito por um ejetor. O abaixamento do pontode ebulição forma o fenómeno de vaporização adiabática.5 - Nos cristalizadores de classificação faz-se circular uma solução sobressaturada, de baixopara cima, através de uma suspensão de cristais. A variação de velocidade de sustentação comas dimensões dos cristais origina a classificação dos mesmos, dando origem ao seu nome. Um dos problemas relacionados com a utilização é o do endurecimento dos cristais,quando armazenados a granel ou em sacos; o endurecimento é facilitado pelos seguintesfatores:• teor de humidade • presença de impurezas • tamanho dos cristais• pressão de armazenagem • temperatura • duração de armazenagem• transição para outra forma cristalina. Todos estes fatores provocam uma ligação entre os cristais, criando o endurecimento,o que é de evitar; isso se consegue com a adição de agentes de acondicionamento, os quaisformam uma película entre os mesmos. As substâncias usadas nestes casos são, por exemplo,o calcário, a cal, o caulino, o talco. EXTRAÇÃO A operação de extração consiste em separar os constituintes de uma mistura, pondoessa mistura em contato com um líquido que dissolva alguns desses constituintes. Aquantidade separada depende da quantidade de solvente usado e do tempo de contato, sendo oproblema principal estabelecer qual o mecanismo adequado de dissolução. No caso de umasubstância bem definida e completamente solúvel, a separação torna-se uma operação simplesde entender. Supondo uma fase líquida “B” e uma substância A solúvel em B, ambas empresença uma da outra, a fase B vai dissolver a “A” até se atingir o equilíbrio, ou seja, até queesteja saturada em B, formando-se uma única fase, se não se atingir o limite de saturação. Nocaso da quantidade ser superior ao limite de solubilidade, formar-se-á uma fase e oremanescente de “A” não solubilizado. “A” dissolução faz-se através de uma interface e vaivariando ao longo do tempo. Pode dar-se de dois modos:• com o líquido em repouso; • com o líquido em movimento (agitação do solvente). No primeiro caso, o movimento da molécula de “A” em “B” faz-se por ummecanismo de difusão e depende das diferenças de concentração. No segundo caso, adissolução é facilitada por existir uma renovação permanente do solvente (por convecção). Osfenómenos de difusão e de convecção são complexos, sendo necessário recorrer a cálculoslongos que simulem os mecanismos físicos que lhes estão associados. No entanto, é doconhecimento comum que o fenómeno da dissolução que está associado à extração é maisrápido se for feito com agitação. No caso de dissolução de um constituinte de uma mistura (de dois constituintes),num solvente, tem-se já uma verdadeira extração. Para se perceber melhor o modelo, pode-seconsiderar que um dos constituintes é completamente insolúvel no solvente. Para acontecer adissolução é necessário que o componente a se extrair entre em contato com a superfície livredo solvente. O equilíbrio dá-se entre duas soluções do constituinte solúvel, ou seja, a existentee a que se vai formar (fase A e fase B). O transporte do constituinte solúvel através do primeiro dissolvente terá ummecanismo inverso ao da dissolução descrito anteriormente e pode fazer-se por difusão ou porconvecção, formando-se na interface um filme estacionário. Existirão, assim, dois filmesadjacentes através dos quais se faz a transferência. No entanto, quando uma das fases é sólida,não se formam dois filmes, mas apenas um. No caso de solventes parcialmente solúveis entre si, há necessidade de recorrer adiagramas binários para saber as concentrações e a composição das fases em presença dos 110
  • 111. componentes presentes. Este fato torna-se mais complexo se existirem mais de dois solventes,podendo-se, para isso, recorrer-se a diagramas ternários a fim de se conhecerem as condiçõesde equilíbrio. Convém referir que um fator que não foi abordado detalhadamente é o tempo deexecução desta operação, que é longa, se os fenómenos se realizarem apenas por difusão. Parafacilidade de aplicação dos diagramas ternários podem-se usar diagramas binários,procurando-se, apenas naqueles, pontos específicos.Aspectos Práticos da Extração Do ponto de vista prático, a extração deve efetuar-se reduzindo o mais possível otempo e a quantidade de solvente. O tempo de extração total, teoricamente, é infinito, sendo aoperação na fase final muito lenta, porque o solvente extrator vai-se concentrando. Assim,para aumentar o rendimento, opera-se por andares, ou seja, o dissolvente vai extrair umaprimeira formação enquanto a velocidade for razoável, sendo este renovado, e assimsucessivamente, chamando-se a este processo extração por contato múltiplo. O solvente quesai em cada andar é o extrato e a mistura é o resíduo, podendo o número de andares ser igual adois ou superior. Outro processo é o de contracorrente. Neste caso, o solvente novo entra por um andarem que a mistura está quase toda processada. O resíduo que sair desta operação é o resíduofinal e o solvente que sair deste andar vai para outro, onde a mistura é mais rica noconstituinte que se quer extrair, e assim por diante. Com este processo, consegue-se reduzir otempo de extração com um rendimento desejável. Os processos de contato múltiplo econtracorrente reduzem também a quantidade de solvente a usar. Um exemplo típico dá comovalores de solventes, para uma dada extração e para um dado rendimento, os seguintes:• simples...............................3,7l • contato múltiplo.................1,9l• contracorrente....................1,2lInstalações Piloto e Processos Industriais Para o estabelecimento do número de andares e, dada a complexidade deste assunto,recorre-se a instalações piloto e ensaios laboratoriais para determinar o processo de extração.Modernamente, recorre-se também a modelos computacionais, os quais têm em linha de contaa especificidade dos processos químicos que lhes estão associados. A extração aplica-se em inúmeros processos industriais como a purificação de óleoslubrificantes ou a extração de gases em sistema de desgasificação (desgasificadores oudesaeradores), em circuitos de água de alimentação de caldeira.Processos de Extração Líquido-Líquido A operação denominada Extração Líquido-Líquido é empregada nos processos deseparação de um ou mais compostos de uma mistura líquida, quando estes não podem serseparados por destilação de forma economicamente viável. Geralmente, tais separações ocorrem nos seguintes casos:a) os componentes a serem separados são pouco voláteis – seria necessário, então, utilizarprocessos com temperaturas muito altas, combinadas com pressões muito baixas, com afinalidade de conseguir a separação desejada;b) os componentes a serem separados têm aproximadamente as mesmas volatilidades – nestecaso, seria necessária a utilização de colunas de destilação com um número muito grande deestágios de separação (pratos), consequentemente torres muito elevadas, a fim de conseguir aseparação desejada;c) os componentes são susceptíveis à decomposição – os compostos ou componentes a seremseparados sofrem decomposição quando atingem a temperatura necessária para a separação; 111
  • 112. d) o componente menos volátil que se quer separar está presente em quantidade muitopequena – não seria economicamente viável, em tal situação, vaporizar toda a mistura líquidapara obter o produto desejado.Conceito O processo de Extração Líquido-Líquido é a operação no qual um compostodissolvido em uma fase líquida é transferido para outra fase líquida. A fase líquida, quecontém o composto a ser separado, é denominada de solução e o composto a ser separado édenominado de soluto. A fase líquida, utilizada para fazer a separação do soluto, édenominada de solvente. O solvente deverá ser o mais insolúvel possível na solução. Deacordo com a natureza do composto que se quer extrair da solução, isto é, o soluto,basicamente, há dois tipos de extração:a) extração de substâncias indesejáveis – o soluto é uma impureza que deverá ser retirada dasolução. O produto desejado neste processo de separação é a solução livre do soluto. Comoexemplo, pode ser citada a extração de compostos de enxofre existentes nos derivados depetróleo, como a gasolina, o querosene e outras correntes. Outro exemplo é a retirada decompostos aromáticos de correntes de óleos lubrificantes para purificação dos mesmos;b) extração de substâncias nobres – o soluto é, neste caso, o composto desejado após aoperação de separação, o restante da solução é o produto indesejável do processo.Mecanismo da Extração O mecanismo do processo de extração ocorre, basicamente, de acordo com asseguintes etapas:a) mistura ou contato íntimo entre o solvente e a solução a ser tratada. Ao longo desta etapa,ocorrerá a transferência do soluto da solução para a fase solvente;b) a separação entre a fase líquida da solução, denominada de rafinado, e a fase líquidasolvente, denominada de extrato;c) recuperação do solvente e do soluto. Para a recuperação do soluto do solvente, é necessárioque estes tenham características que permitam a separação dos mesmos através de um simplesprocesso de destilação ou qualquer outro tipo de separação simples e possível. O ciclo daextração pode ser representado pela figura seguinte, de forma que a massa específica dosolvente é menor do que a massa específica da solução, para que seja possível a extração.Equipamentos do Processo de Extração∅ De um único estágio  Neste tipo de equipamento, os líquidos são misturados, ocorre àextração e os líquidos insolúveis são decantados. Esta operação poderá ser contínua oudescontínua. Este equipamento é correspondente ao esquema da figura anterior.∅ De múltiplos estágios  Baseado, ainda, no exemplo da figura anterior, caso o rafinado(A + B) seja mais uma vez processado e a este seja adicionada nova porção de solvente, será 112
  • 113. possível extrair mais soluto da solução e o rafinado tornar-se-á ainda mais puro. Quanto maioro número de estágios, maior será a extração. Se, ao invés de ser utilizado solvente novo e puropara cada caso, um sistema em contracorrente, for empregado, o solvente puro entrará emcontato com a carga em contracorrente e tem-se então um sistema de múltiplos estágios, queformam uma sucessão de estágios simples. Os equipamentos que fazem a extração líquido-líquido, em múltiplos estágios, utilizam o princípio desta figura uma única coluna,geralmente, semelhantes a uma torre de destilação, podendo ou não conter recheios ou aindabandejas. Os principais tipos de equipamentos são:a) torre de dispersão; b) torre com recheios; c) torre agitada.Equilíbrio entre as Fases Líquidas 113
  • 114. Existe uma analogia, que se pode fazer, entre os processos de esgotamento e ouabsorção em relação ao processo de extração. A fase líquida do solvente, o extrato, pode serconsiderada como a fase vapor, enquanto que a fase líquida da solução, o rafinado, pode serconsiderada a fase líquida. Na absorção e no esgotamento, quando as duas fases entram em equilíbrio, não hámais alteração da composição nem da fase líquida, nem da fase vapor. Da mesma forma naextração, quando é atingido o equilíbrio entre as fases, então não haverá mais alteração dascomposições do extrato e do rafinado, o que está ilustrado na figura a seguir.Fatores que influenciam a Extração - Relação Solvente-Carga De forma semelhante ao processo de absorção, na extração, também existe umarelação mínima solvente/carga, abaixo da qual não é possível efetuar a extração desejada.Quanto maior a relação solvente/carga, melhor será a extração, pois uma concentração maiorde solvente na solução aumentará o potencial de transferência de massa do soluto para a faselíquida do solvente, com a consequente formação do extrato. 114
  • 115. Qualidade do solvente Nos casos em que o solvente é recuperado, após a extração, quanto mais isento desoluto ele retornar para a torre de extração, melhor será a extração, pois sua composição estarámais afastada da composição de equilíbrio com a carga e maior será a transferência de solutoda fase da solução (carga) para a fase solvente.Influência da temperatura Embora seja adequado que o solvente apresente insolubilidade na carga, isto naprática não ocorre, pois sempre existe, ainda que pequena, uma solubilidade mútua entre asfases que aumenta com a elevação da temperatura. A composição das duas fases em equilíbriomuda, então, com a alteração da temperatura. Isto pode influenciar de forma negativa na extração desejada. Portanto, nunca sedeve operar com temperaturas acima das recomendadas para certo processo de extração, poispoderá ocorrer a dissolução de parte ou até mesmo de todo o solvente na carga ou vice-versa,impedindo a separação das duas fases líquidas. Caso haja certa dissolução de solvente nacarga ou vice-versa, o equipamento não terá uma operação satisfatória com consequentequeda de eficiência no processo de extração. 115

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