Apostila 02 OpExp 2015.1

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUMICA

CURSO DE ENGENHARIA DE ALIMENTOS

AAPPOOSSTTIILLAA

OOPPEERRAAEESS UUNNIITTRRIIAASS EEXXPPEERRIIMMEENNTTAALL

(elaborada por prof Dr. Eduardo Lins de Barros Neto)

Disciplina ministrada por:

Prof Humberto Neves Maia de Oliveira

2015.1


PRTICAS

Permeabilidade ............................................................................................................................. E

Elutriao ..................................................................................................................................... F

Filtrao ......................................................................................................................................... G

Sedimentao .............................................................................................................................. H


Prtica E: Permeabilidade

I Objetivo:

Determinao da permeabilidade de dois leitos contendo arenito.

II Fundamentao terica:

Mesmo que uma rocha contenha uma quantidade aprecivel de poros e dentro desses

poros existam hidrocarbonetos em uma quantidade razovel, no h a garantia de que eles

possam ser extrados. Para que isso ocorra, necessrio que a rocha permita o fluxo de fluidos

atravs dela.

Os fluidos percorrem o que se poderia chamar de canais porosos. Quanto mais

cheios de estrangulamentos, mais estreitos e mais tortuosos forem esses canais porosos,

maior ser o grau de dificuldade para os fluidos se moverem no seu interior. Por outro lado,

poros maiores e mais conectados oferecem menor resistncia ao fluxo de fluidos.

A medida da capacidade de uma rocha permitir o fluxo de fluidos chamada

permeabilidade, expressa pela Lei de Darcy a partir da equao de deslocamento de fluidos

em meios porosos. Quando existe apenas um nico fluido saturando a rocha, esta propriedade

recebe o nome de permeabilidade absoluta, (k).

A Figura 1 representa o fluxo de um fluido atravs de um meio poroso linear. O fluido

tem viscosidade e o meio poroso tem comprimento L e a seo reta (rea aberta ao

fluxo) A. Segundo a equao, a vazo Q atravs do meio poroso diretamente

proporcional rea aberta ao fluxo, ao diferencial de presso (P1 P2) = P e inversamente

proporcional ao comprimento e viscosidade. A permeabilidade uma constante de

proporcionalidade caracterstica do meio poroso e representada pela equao 1.

PA

LQK

(1)

III Procedimento experimental:

O sistema de fluxo em meio poroso mostrado na figura 1 e contm areia nas faixas

granulomtricas de -28 +35 e -48 + 65.


Figura 1. Permeabilmetro.

Para determinar a permeabilidade absoluta, K, das amostras temos as seguintes fases:

1. Inserir a gua na coluna at a ltima indicao de altura; 2. Liberar a gua acompanhando o tempo para determinar a vazo, Q=V/t, e a altura

do lquido para obter a presso (H=P em cm coluna de gua); 3. Repetir o procedimento 3 vezes para cada uma das colunas; 4 Aplicar a equao 1 para determinar a permeabilidade fazendo um ajuste linear.

IV Bibliografia:

ALVESKOG, P. L., HOLT, T., TORSAETER, O., The effect of surfactant concentration on the Amott

wettability index and residual oil saturation, Journal of Petroleum Science and Engineering, vol. 20, 247 2527, 1998.

AUSTAD, T., HODNE, H., STRAND, S., VEGGELAND, K., Chemical flooding of oil reservoirs 5. The

multiphase behavior of oil/brine/surfactants systems in relation to changes in pressure, temperature, and

oil composition, Colloids and Surfaces, vol. 108, 253 262, 1996.

BOUAZZA, A.; VANGPAISAL, T. An apparatus to measure gas permeability of geosynthetic clay

liners, Geotextiles and Geomembranes, vol. 21, 85 101, 2003.

CONWAY, M. W., SMITH, K., THOMAS, T., SCHRAUFNAGEL, R. A., The effect of surface active

agents on the relative permeability of brine and gas in porous media, Society of Petroleum Engineers

Journal, SPE 28982, 395-401, 1995.

THOMAS, J. E., Fundamentos de Engenharia de Petrleo, Rio de Janeiro: Intercincia:

PETROBRAS, 2001.


Prtica F: Elutriao

I Objetivo:

Estudar a classificao hidrulica de partculas slidas com utilizao de um elutriador

II Aspectos tericos:

Elutriao a classificao e separao de partculas com base no conceito de velocidade

terminal, que a velocidade mxima de escoamento atingida pela partcula submersa num

fluido, quando a soma das foras que atuam sobre ela seja igual a zero (f = 0), e portanto, a

partcula se move com movimento uniforme. A equao do movimento para uma partcula

slida em um fluido :

mbVfdt

vdM

S)( (1)

M massa da partcula

- velocidade do centro de massa da partcula

V volume da partcula

, s massa especfica de fluido e da partcula, respectivamente

- vetor campo

- fora resistiva

Quando a operao ocorre sob influncia do campo gravitacional ( ) e a Equao

(1) se reduz a:

0mg)( S (2)

Portanto, o problema consiste na determinao de expresses para a fora resistiva . Essas

expresses so de natureza emprica e vlidas apenas para determinados regimes de

escoamento (ou faixas do nmero de Reynolds). Por exemplo, para regime de Stokes (0 < Re <

0,5),

tpd3m v

- viscosidade do fluido

dp dimetro da partcula

vt velocidade terminal da partcula


Convm salientar que o Re utilizado o da partcula esfrica escoando e um fluido, ou seja:

dR

tpv

e

Substituindo a expresso da fora resistiva no regime de Stokes na Equao (2), obtm-se

ento,

dS

2

P

t18

g)(v

para Re 5 (3)

Torna-se bvio ento se que tendo dp podemos calcular vt ou vice-versa. Para outras faixas de

Re, encontra-se na literatura diversas expresses para a fora resistiva, resultando diferentes

expresses para a velocidade terminal, tais como:

Para 0,5 < Re < 500 43,029,0

71,014,171,0 )(15,0v

dgSP

t

(4)

Para 1000 < Re < 2x105

dgPS

t

)(1,3v

(5)

Existem ainda grficos que permitem determinar vt a partir de dp (Grfico CDRe2 x Re) ou

encontrar Dp quando a vt dada (Grfico CD / Re).

Quando partculas em suspenso escoam num cilindro vertical em contra-corrente com um

fluido, as partculas de velocidade terminal menor que a velocidade de escoamento do fluido

sero arrastadas pela corrente, enquanto as de velocidade terminal maior sedimentaro,

vencendo a corrente ascendente e ficaro retidas no fundo da coluna. Esse o princpio de

funcionamento dos elutriadores.

III Materiais:

- Um elutriador;

- Proveta;

- Picnmetro;

- Material peneirado.


IV - Procedimento Experimental:

1. Ligar a bomba e regular cuidadosamente a vazo; 2. Introduzir, com cuidado, a amostra no tubo aberto e regular a vazo para que a

partcula fique suspensa; 3. Verificar a vazo pelo mtodo do volume numa proveta como funo do tempo; 4. Verificar o dimetro do elutriador; 5. Medir atravs do picnmetro a densidade do slido utilizado no trabalho;

V Anlise dos Resultados:

- Utilizando as expresses 3, 4 e 5 para cada regime, determinar os dimetros das partculas

em equilbrio no elutriador e compare com os fornecidos pelo peneiramento.

VI Bibliografia:

Brown, G. G., Ingenieria Quimica, Editorila Mrin, 1965 Coulson, J. M., Richardson, C. H., Tecnologia Qumica, Vol. II, Fundao Calouste Gulbkein Massarani, G., Problemas em Sistemas Particulados II, Edgard Blcher Perry, J. H., Manual de Engenharia Qumica, Guanabara Dois, 1980.


Prtica G: Filtrao

I Objetivo

Determinar as resistncias da torta e do meio filtrante de um sistema de

filtrao.

II Fundamentao Terica

A filtrao uma operao unitria que permite separar os constituintes de

uma suspenso mediante sua passagem atravs de um meio poroso o meio filtrante.

Dentre as operaes de separao slido-lquido, a filtrao pertence ao grupo das que

possibilitam grandes fatores de separao, produzindo clarificados lmpidos e

concentrados com altos teores de slidos. Na filtrao slido-lquido, a frao

clarificada recebe o nome de filtrado e a concentrada de torta.

Admitindo o escoamento lento de um fluido newtoniano atravs de um meio

poroso, pode-se utilizar a equao de Darcy:

RmV

A

c

PA

dV

dt (1)

Onde a resistncia da torta, Rm a resistncia do meio filtrante, t o tempo, V o

volume filtrado, P, a presso manomtrica, A a rea de seco transversal, c a

concentrao de slido na mistura inicial, a viscosidade e a densidade do slido.

Fazendo uma analogia da equao (1) com o experimento temos que

uma vez que a presso de filtrao constante, pode ser integrada, resultando em:

211

1 BVBVV

tt

dV

dti

ii

ii

(2)

sendo,

PAc

B

21 2

(3)

PARm

B

2

(4)


onde t e V so respectivamente, o tempo transcorrido e o volume de filtrado

produzido, enquanto que os ndices i e i-1 so referentes aos instantes atuais e

anteriores, respectivamente.

III Procedimento experimental

III.1 Equipamento

O equipamento utilizado para filtrao presso constante constitudo de um

filtro, um suporte, uma cmara de ar e um manmetro.

Figura 01 Filtro.

Figura 02 Equipamento para filtrao.

ENTRADA

DE AR


III.2 Procedimento

a) Pesar 30g de diatomita e misturar a 300mL de gua; b) Adaptar ao filtro, o meio filtrante (papel de filtro) em seguida, colocar a mistura a

ser filtrada; c) Regular a presso em 1proximadamente 30 psi; d) Acoplar ao filtro, a cmara de ar e iniciar a filtrao (fixar intervalos de tempo de 8

seg. p/ gua e 1 minuto p/ o lquido viscoso); e) Coletar o filtrado com um copo plstico a cada intervalo de tempo determinado; f) Medir com uma proveta a quantidade de filtrado obtido em funo do tempo; g) Repetir o procedimento com o lquido viscoso (150 mL).

IV Anlise dos resultados

1. A partir das massas coletadas convertidas em volume e o tempo, traar a curva da equao (2);

2. Determinar e Rm. Para os dois experimentos.

V Bibliografia

GOMIDE, Reinaldo. Operaes Unitrias. v 3 Separaes Mecnicas, Ed. CIP- Brasil. So Paulo, 1980.

FOUST, A. S.; WENZEL, L. A.; CLUMP, C. W.; et al Princpios das Operaes Unitrias. 1. ed., Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 1982.

PERRY, R. H., Chemical Engineers Handbook, 7 ed., 1997.


Prtica H: Sedimentao

I Objetivo:

Determinar, a partir dos ensaios em laboratrio, a rea de um sedimentador

contnuo para processar 10 ton/h de carbonato de clcio. A suspenso inicial tem uma

concentrao de 180 g/L e deseja-se que o lodo contenha 300 g de slidos por litro de

suspenso. Para auxiliar no processo de decantao necessrio adicionar 120 ppm de

sulfato de alumnio com o objetivo de auxiliar na formao dos flocos do carbonato de

clcio e melhorar a decantao.

II Fundamentao terica:

A separao de uma suspenso por deposio gravitacional das partculas slidas, resultando um lquido lmpido na fase superior e uma lama com alto teor de slidos na fase inferior, chamada de sedimentao. A figura abaixo mostra as diversas zonas de concentrao que surgem durante a o ensaio de sedimentao descontnua da suspenso da proveta.

A zona B corresponde a uma zona de concentrao uniforme e distribuio de dimetros similares condio inicial;

A zona A corresponde a uma regio lmpida;

A zona C corresponde a uma zona de distribuio de tamanhos variveis e concentrao no-uniforme;

A zona D corresponde regio onde ocorre a compactao dos slidos e nesta fase a diminuio da altura da camada

de slidos mais lenta que nas regies B e C.

O momento em que B e C desaparecem chamado de ponto de sedimentao crtica que pode ser facilmente observado pela definio da interface slido compactado/lquido lmpido.

Sendo Zo a altura inicial da mistura equivalente contendo uma concentrao inicial em slidos Co e uma altura Zu que corresponde altura da lama a uma concentrao de slidos Cu, temos,

Co.Zo = Cu.Zu (1)

pode-se ento dizer que para o balano de massa dos slidos que entram no decantador Qo.Co e a sada da lama do decantador Cu.Zu.A/Tu, temos,

Qo.Co = Cu.Zu.A/Tu (2)


substituindo a eq 1 em 2 temos,

A = Qo.Tu/Zo (3)

III Procedimento experimental: 1. Misturar a massa de carbonato de clcio ao volume de aproximadamente 2 L

no recipiente do experimento, em seguida adicionar a massa correspondente de sulfato de alumnio dissolvida em pequena quantidade de gua, agitar bem e iniciar o processo;

2. Verificar a altura da nuvem de suspenso como funo do tempo (fixar um intervalo de 100 mL para a medida do tempo;

3. Observar durante o experimento o momento onde ocorre a definio de uma interface slido/lquido (ponto crtico experimental);

4. A partir deste ponto, reduzir a aproximadamente 33 mL o intervalo das tomadas de tempo;

IV Anlise dos resultados

1. Construir uma curva de Zi como funo do tempo Ti; 2. Determinar o ponto crtico Zc e Tc, mtodo qualquer de clculo; 3. Determinar uma relao Zi como funo de Ti a partir do ponto crtico; 4. A partir da equao 1 e da relao obtida no item 3 obter a rea do decantador

para as condies descritas no objetivo do experimento.

V Bibliografia:

FOUST, A. S.; WENZEL, L. A.; CLUMP, C. W.; et al Princpios das Operaes Unitrias. 1. ed., Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 1982.

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