Processos parte1[1]

PROCESSOS INDUSTRIAIS

Introdução às Operações Unitárias – parte 1

Prof. Dr. José Luiz Moreira de Carvalho

CONTEÚDO PROGRAMÁTICO

1. Introdução às operações unitárias

2. Principais matérias–primas industriais e suas aplicações

3. Indústria petroquímica

4. Indústrias de termoplásticos

5. Indústria de papel e celulose

6. Tratamento de água

7. Indústrias de laticínios

CONTEÚDO PROGRAMÁTICO

8. Indústrias de sucos e bebidas

9. Indústrias siderúrgicas e de metais não–ferrosos

10. Indústrias metalúrgicas (processos de fabricação)

11. Indústrias de álcool, açúcar e biocombustíveis

12. Processos de reciclagem

13. Indústria de sabões e detergentes

14. Outras indústrias importantes na região do VSF


AVALIAÇÕES

* 2 Provas

* 1 Seminário

* 1 Trabalho em grupo

VISITAS TÉCNICAS


BIBLIOGRAFIA BÁSICA

SHREVE, JOSEPH A. Industrias de processos químicos. Ed.
Guanabara.

FOUST, ALAN et al. Princípios das operações unitárias. Ed.
LTC.

Apostilas e notas de aula.


1. INTRODUÇÃO ÀS OPERAÇÕES
UNITÁRIAS

1. CONCEITO

Um processo químico é um conjunto de ações executadas em
etapas, que envolvem modificações da composição química, que
geralmente são acompanhadas de certas modificações físicas, ou de outra
natureza, nos materiais que são ponto de partida (matérias–primas) para
se obter o produto ou os produtos finais (ou acabados). As operações
unitárias serão importantes para execução dos processos químicos,
físico–químicos, petroquímicos, etc.

Cada etapa dentro do processo que tem princípios fundamentais
independentes da substância (ou substâncias), que está sendo operada e
de outras características do sistema, pode ser considerada uma operação
unitária. Algumas etapas do processo são reações químicas, enquanto
outras são modificações físicas.


O conceito de operação unitária está baseado na filosofia de que
uma seqüência amplamente variável de etapas pode ser reduzida a
operações simples, ou a reações, que são idênticas independentemente
do material que está sendo processado.

As operações unitárias são os blocos individuais que compõem um
processamento que vai dar origem a um produto final a partir de uma
certa matéria–prima. Cada uma possui técnicas comuns e está baseada
nos mesmo princípios científicos, independente da matéria–prima ou do
produto. Assim sendo, os processos podem ser estudados de forma
sistemática, unificada e simples.


A complexidade das aplicações de engenharia provem da
diversidade das condições, como temperatura, pressão, concentração,
pureza, etc., sob as quais as operações unitárias devem ser realizadas nos
diversos processos, e das limitações e exigências aos materiais de
construção e de projeto, impostas pelos aspectos físicos e químicos das
substancias envolvidas.

Todas as operações unitárias estão baseadas em princípios da
ciência que são traduzidos nas aplicações industriais em diversos campos
de engenharia.


Ex: Fabricação de açúcar

–
Fonte: DALEFFE, R.V. Introdução às operações unitárias. DEQ UFSCar, 2008.


Ex: Através de diagramas de blocos semelhantes ao anterior, mostre
como seria o processo de fabricação de:

a) Suco de laranja numa lanchonete;

b) Cafezinho numa padaria.

2. CLASSIFICAÇÃO DAS OPERAÇÕES UNITÁRIAS POR TIPO
DE OPERAÇÃO

2.1 – OPERAÇÕES MECÂNICAS
Nas operações mecânicas, acontecem modificações físicas, mas não
há reações químicas entre as substâncias ou componentes envolvidos.

2.1.1 – Operações envolvendo sólidos granulares
Muitas das operações unitárias existentes na indústria química são
operações envolvendo partículas sólidas e sistemas envolvendo sólido–
fluido. Dependendo do sistema envolvido, simplificações podem ser feitas
considerando o sólido um grupo de partículas idênticas, com diâmetro fixo e
certa área superficial, mas em outros casos é necessário classificar este
sólido com relação às suas propriedades (especialmente a granulometria). A
classificação do sólido pode ser feita considerando a partícula isolada ou a
mistura de partículas como um todo.


a) Fragmentação de sólidos

A moagem é uma operação unitária de fragmentação, ou redução
de tamanho, onde o tamanho dos sólidos é reduzido pela aplicação de
forças de impacto, compressão e abrasão. Esta operação aumenta a área
superficial do sólido, uniformizando tamanhos e aumentando a eficiência
de etapas posteriores de processamento. Entre os equipamentos
utilizados estão: moinho de discos, moinho de rolos, de facas e martelos,
trituradores de mandíbulas e moinho de bolas.

Ex:

Fonte: DALEFFE, R.V. Introdução às operações unitárias. DEQ–UFSCar, 2008.

Ex:

Foto: Moinho na Mineração Caraíba

OBS: Em operações envolvendo fragmentação de sólidos, como a moagem,
a análise granulométrica é essencial para determinar o sucesso da operação.
A análise granulométrica de partículas sólidas compreende a determinação do tamanho
das mesmas, bem como da freqüência com que ocorrem em uma determinada classe ou faixa
de tamanho. Em tratamento de minérios, é empregada para a determinação do grau de
liberação dos minerais valiosos em relação aos minerais de ganga nas várias faixas de
tamanho (o que determina a granulometria em que o minério deverá ser moído), para a
determinação de eficiência de peneiramento industrial e curvas de partição de classificadores,
(...) bem como o controle das especificações de tamanho de produto final.

Para partículas que possuem uma forma geométrica canônica como esfera, cilindro ou
cubo, a determinação do tamanho das mesmas se dá (convencionalmente) pela medida do seu
raio ou diâmetro, do diâmetro da base e altura e do comprimento da aresta, respectivamente.
Nas plantas de beneficiamento de minérios, as partículas na grande maioria das vezes
possuem forma irregular, daí o uso do conceito de tamanho equivalente, que é determinado
pela medida de uma propriedade dependente do tamanho da partícula, relacionando–a com
uma dimensão linear.
Fonte: LIMA, R.M.F., LUZ, J.A.M. Análise granulométrica por técnicas que se baseiam na sedimentação gravitacional: Lei de Stokes.
Revista Escola de Minas, v.54, n.2, 2001.


b) Transporte de sólidos

Num processo industrial, são utilizados equipamentos para
movimentação e transporte de materiais. Os principais equipamentos de
movimentação de materiais são: veículos industriais; equipamentos de
elevação e transferência; e transportadores contínuos.

Para pequenos ou médios volumes ou pesos, podem ser
utilizados veículos industriais ou esteiras. Para grandes volumes ou
pesos, podem ser utilizados guindastes e correntes.


Ex: Veículos industriais

Empilhadeira e Mini–carregadeira


Equipamentos de elevação e transferência

São equipamentos destinados a mover cargas variadas para
qualquer ponto dentro de uma área fixa, onde a função principal é
transferir. São aplicados onde se deseja transferir materiais pesados,
volumosos e desajeitados em curtas distâncias dentro de uma fábrica.

Os tipos mais comuns são: talhas, guindastes fixos, pontes
rolantes, pórticos e semi–pórticos.


Ex: Pontes rolantes e Guindaste

Transportadores Contínuos

São mecanismos destinados ao transporte de granéis e volumes
em percursos horizontais, verticais ou inclinados, fazendo curvas ou
não, e com posição de operação fixa. São formados por um leito onde
o material desliza em um sistema de correias ou correntes sem fim
acionadas por tambores ou polias.

Principais tipos são: correias planas ou côncavas; elementos
rolantes: rodízios, rolos ou esferas; correntes aéreas ou sob piso;
taliscas e elevador de caçamba contínuo.

São utilizados onde há grande fluxo de material a ser transportado
em percursos fixos.


Ex: Correias


Ex: Correias

Foto: Correia na Mineração Caraíba


Ex: Elevadores de caneca e de caçamba


Ex: Esteiras


Ex: Esteiras


c) Mistura de sólidos
Os misturadores de sólidos se destinam à homogeneização de
diversos componentes particulados com características físicas variáveis
formando um produto resultante com composição uniforme.

Ex:

2.1.2- Operações com sistemas sólido–fluido

a) Separação sólido de sólido

- Peneiramento
O peneiramento é um método utilizado para
separar misturas heterogêneas de sólidos, onde o
tamanho da partícula é o responsável pela separação, ou
seja, utiliza–se uma peneira que permite que alguns
sólidos pequenos passem, e uma pequena quantidade de partículas
grandes ficam retidas na peneira, que os separa através do seu
tamanho, ou melhor do tamanho da malha da peneira. É usada para
separar sólidos constituintes de partículas de dimensões diferentes.


Ex: Peneiramento


a) Separação sólido de sólido

- Separação hidráulica (arraste – elutriação)
Um exemplo de elutriação é a separação de palha de produtos
agrícolas, como o milho, arroz, soja e café. A palha pode ser
removida pela elutriação (arraste) por uma corrente gasosa
ascendente.

Ex:

b) Separação sólido de líquido

- Decantação
É um processo de separação de partículas em suspensão na
água, no qual a força da gravidade é utilizada para separar as
partículas de densidade maior que a da água, depositando–as no fundo
do decantador ou em uma superfície ou zona de armazenamento. É
simplesmente um processo gravítico que remove as partículas
floculadas da água.

Os principais tipos de decantadores são os laminares ou de alta
taxa e os convencionais de escoamento horizontal.

Ex: Decantadores


Ex: Decantador de fluxo horizontal

OBS: A velocidade de água nos decantadores deve ser limitada para evitar o
arrastamento de flocos, impedindo–os de serem retidos nos tanques de decantação.

Fonte: http://www.dec.ufcg.edu.br/saneamento/Tratam05_dec1.htm

B – Separação sólido de líquido

- Flotação (borbulhamento de ar)
A flotação é uma operação unitária utilizada para separar partículas
líquidas ou sólidas da fase líquida. A separação é obtida introduzindo–se
bolhas finas de ar na fase líquida, provocando a ascensão de partículas para
a superfície, mesmo as com maior densidade que o líquido. Uma vez na
superfície podem ser coletadas e removidas por escumadeiras.

No tratamento de água, a finalidade da coagulação e floculação é
transformar impurezas que se encontram em suspensão fina, em estado
coloidal ou em solução, bactérias, protozoários e/ou plâncton, em partículas
maiores (flocos) para que possam ser removidas por sedimentação e/ou
filtração ou, em alguns casos, por flotação. Este mesmo conceito pode
também ser aplicado no tratamento de esgotos sanitários.
Fonte: JÜRGENSEN, D. et al. Avaliação do sistema reator ralf e flotação por ar dissolvido no tratamento de esgoto sanitário.
URL:<http://www.sanepar.com.br/sanepar/sanare/v17/AVALIACAORALF.htm>.

Ex:

OBS: Na flotação por ar dissolvido, a água é tratada com substâncias químicas
que levam as partículas de sujeira a se aglomerarem e formarem flocos.

Fontes das figuras: http://www.capivarapaulistana.blogspot.com/
http://www.scielo.br/img/revistas/rem/v59n4/0067i01.jpg


- Floculação
Floculação é a aglutinação, em flocos, das partículas de um
precipitado ou de um sistema coloidal; freqüentemente ocasionada pela
alteração do pH do sistema. É pela floculação que se purifica a água nas
hidráulicas, pois ao se formar um precipitado flocular (normalmente utiliza –

se o hidróxido de alumínio) em forma lenta, ele carrega consigo impurezas
em suspensão.

É um processo físico que promove a aglutinação das partículas já
coaguladas, facilitando o choque entre as mesmas devido à agitação lenta
imposta ao escoamento da água. A formação de flocos de impurezas
facilitam sua posterior remoção por sedimentação sob ação da gravidade,
flotação ou filtração. A floculação pode ocorrer por processos hidráulicos ou
mecanizados.

Ex:


- Separação centrífuga
Uma centrífuga usa a fora centrífuga (força g) para isolar partículas
suspensas em seu meio, seja da forma em lotes ou fluxo contínuo. As
aplicações de centrifugação são muitas e podem incluir a sedimentação de
células e vírus, e isolamento de macromoléculas como o DNA, RNA,
proteínas ou lipídios. Quando uma suspensão é girada sob certa velocidade,
a força centrífuga faz com que as partículas se afastem radialmente do eixo
da rotação.
As centrífugas decanters são normalmente baseadas na tecnologia
de separação horizontal e operam em velocidades mais baixas. Pode ser
aplicada em qualquer ambiente de processamento que exija separação de
sólidos e líquidos de duas ou três fases. Uma aplicação importante é a
desidratação de sedimentos em usinas de tratamento de água residual.

Ex:

Centrífuga pendular Centrífuga decanter

Ex: Diferentes tipos de centrífugas


- Filtração
O objetivo da filtração é o da separação de
um sólido do fluido que o carreia. A operação consiste
essencialmente em fazer passar um fluido (líquido ou
gás), por um dispositivo (filtro) formado por uma ou
mais camadas de materiais diversos, conhecidos
conjuntamente como o “meio filtrante”.

Essa operação visa obter como produto: ou o fluido
introduzido em estado de maior “pureza”, ou seja, mais livre de
eventuais agentes “poluentes” (físicos, químicos e biológicos), ou
o sólido separado do líquido.


A escolha do equipamento filtrante depende em grande parte da
economia do processo, mas as vantagens econômicas são variáveis de
acordo com:

a) Viscosidade, densidade e reatividade química;
b) Dimensões das partículas sólidas;
c) Concentração da suspensão de alimentação;
d) Quantidade do material que deve ser operado;
e) Valores absolutos e relativos dos produtos líquido e sólido;
f) Grau de separação que se deseja efetuar;
g) Custos relativos da mão–de–obra, do capital e da energia.

Tipos de Filtração:

* Filtração por Gravidade
Consiste em introduzir o líquido pela parte superior do recipiente
filtrante e deixá–lo escoar através das camadas filtrantes por ação da
gravidade. Bastante econômico operacionalmente, é um filtro de ação
relativamente lenta, cuja velocidade de filtração depende essencialmente
da altura da coluna d’água acima do elemento filtrante, (normalmente
areia é utilizada para esta finalidade), da granulometria do mesmo e,
claro da quantidade de material em suspensão no líquido que, ao ser
retirado, vai gradualmente “entupindo” o filtro, exigindo limpezas
periódicas.


* Filtração por Gravidade
Por sua praticidade e baixo custo, esse tipo de filtro é utilizado
largamente em estações de tratamento de água para consumo humano,
onde filtração em larga escala se torna necessária. A sua ação é
basicamente física, retirando do líquido matéria sólida em suspensão
(detritos). Um outro exemplo bastante simples e corriqueiro deste tipo de
filtro é o filtro de café, feito com um funil de papel ou coador de pano.

Tipos de Filtração

* Filtração por Circulação Forçada
Este tipo de filtração consiste em “forçar” a passagem do líquido
através das camadas filtrantes por meio de bombeamento, para aumentar
a velocidade da operação. Este é o principal método utilizado em
aquários, onde é necessário uma boa capacidade de filtração em pouco
espaço, com equipamentos de porte relativamente pequeno, e também
uma boa facilidade de controlar ou intervir no filtro a qualquer tempo.

A capacidade final de filtração obtida por este processo depende do
poder de compressão da bomba ou estação de bombeamento para gerar o
fluxo do líquido, da altura da coluna d’água, e da permeabilidade total
da(s) camada(s) de filtração utilizada(s).


* Filtração Física (ou Mecânica)
A Filtração Física consiste em retirar as impurezas macroscópicas
(orgânicas e inorgânicas) existentes em suspensão na água pelo método
simples de passá–la através de um “coador”. Este tipo de filtração não é
capaz de retirar bactérias e plâncton de reduzidas dimensões, e muito
menos substâncias químicas dissolvidas na água.

Esta é normalmente, a primeira etapa de um processo de filtração,
sendo o produto da mesma (água livre de detritos), “entregue” às demais
etapas, que assim não correm o risco de sofrer entupimentos físicos.

Diversos materiais podem ser utilizados nessa etapa, tais como
esponjas, cartuchos de papel ou fibra, e mantas de material sintético.


* Filtração Química
É a remoção de substâncias dissolvidas na água a nível molecular.
Estas substâncias, quanto à sua natureza, podem ser polarizadas (íons) e
não polarizadas (moléculas). O método mais empregado para este tipo de
filtração consiste em passar a água por uma camada de Carvão Ativado
(CA), que é mais eficiente para
a remoção de moléculas, mas que
funciona também com alguns íons.


* Filtração Biológica
É a denominação que se dá às ações nitrificante e desnitrificante
proporcionadas por colônias de bactérias. Existem na Natureza vários
tipos de bactérias capazes de decompor a amônia em compostos menos
tóxicos (Nitritos e Nitratos). Elas existem naturalmente no meio
ambiente (substrato, plantas, água, etc.)

As colônias de bactérias necessitam essencialmente de: um local
para se fixarem, e nutrientes (Nitrogênio e Oxigênio) para viver. A
filtragem biológica é normalmente feita após a filtragem física, dessa
maneira as colônias de bactérias receberão uma água já livre de detritos,
para “trabalhar”.

Ex:

DEVER DE CASA

Para a próxima aula, pesquise e traga um resumo dos seguintes
conceitos:

* Fluidos;

* Sedimentação;

* Suspensão.

BIBLIOGRAFIA DESTA AULA

FOUST, ALAN et al. Princípios das operações unitárias. Ed. LTC.

DALEFFE, R.V. Introdução às operações unitárias. DEQ–UFSCar,
2008. URL: <http://daleffe.googlepages.com/AulaII–TeoriaPOU2008.pdf>.

UNICAMP. Biblioteca Didática de Tecnologias Ambientais. URL:
<http://www.fec.unicamp.br/~bdta/>.

KAWAZAKI, A. et al. Filtração I - Conceitos Básicos e
Recomendações. URL: <http://www.aquahobby.com/articles/b_filtros1.php>.

Imagens: coletadas da internet.

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