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Apostila - Mecânica Dos Fluidos II

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Mecânica dos fluidos

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  • FACULDADE DE ARACRUZ NOTAS DE AULA DE FENMENOS DE TRANSPORTES I

    PROF. MARCOS HALASZ 2011/1

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    FENMENOS DE TRANSPORTES I

    Os Fenmenos de Transportes tratam da movimentao de uma grandeza fsica de um ponto para outro do espao. Esse transporte pode ser de quantidade de movimento, de energia trmica e de massa.

    FENMENOS DE TRANSPORTES OPERAES UNITRIAS

    FENMENOS DE TRANSPORTES I

    Transporte de fluidos (Mecnica dos Fluidos) Escoamento de fluidos em dutos ou canais abertos

    Operaes Unitrias I - Calcular a queda de presso em tubulaes potncia de bombas - Escoamento de fluidos + slidos - Equipamentos de separao (modo geral)

    FENMENOS DE TRANSPORTES II

    Transferncia de Calor

    Operaes Unitrias III

    - Trocadores de Calor - Torres de Resfriamento - Condensadores e Refervedores

    APLICAES

    Reservatrio

    Fluido

    Fluido + Slidos

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    FENMENOS DE TRANSPORTES III

    Transferncia de Massa (Difuso)

    Operaes Unitrias II - Colunas de Destilao - Colunas de Extrao

    OS FLUIDOS E O ENGENHEIRO QUMICO

    impossvel citar um setor da engenharia qumica no qual bons conhecimentos de Mecnica dos. Fluidos sejam dispensveis. E tanto a extenso, profundidade e preciso, como a compreenso dos aspectos fundamentais devem superar em muito as necessidades das reas mais prximas. No projeto, operao, pesquisa e desenvolvimento, a mecnica dos fluidos desponta sempre com grande importncia. Para bem desempenhar suas atividades o profissional da engenharia qumica deve dominar todos os aspectos relacionados com os fluidos: propriedades e sua sntese, armazenamento, escoamento, manuseio (movimentao, agitao, mistura ou separao), aquecimento ou resfriamento,

    Lquido Refrigerante

    Produto Temperatura desejada

    Produto Quente

    A Mais Voltil

    B Menos Voltil

    A + B

    T1

    T2

    A + B

    C

    C + B

    A

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    vaporizao, nebulizao, comportamento esttico e dinmico nas mais variadas situaes, caractersticas de corroso, eroso e muitos outros.

    PROPRIEDADES DOS FLUIDOS

    O estudo das propriedades e sua sntese objeto da termodinmica, porm deve se realizada uma anlise, visando acertar a nomenclatura, complementar alguns pontos importantes e recomendar a bibliografia especializada. Alm da temperatura, presso, densidade e viscosidade, que so as propriedades necessrias para os trabalhos de hidrulica, tambm a presso de vapor, a composio, as tenses superficial e interfacial, as capacidades calorficas, as entalpias de mudana de estado, compressibilidade, constantes crticas e a capacidade de dissolver gases so importantes para o engenheiro qumico. O escoamento e manuseio de sistemas polifsicos (lamas, suspenses, leitos fluidizados e misturas lquido-gs) requerem muita considerao por parte do engenheiro qumico antes de projetar, desenvolver e operar os equipamentos de processo necessrios. Ele deve antecipar os problemas decorrentes de alteraes das propriedades em virtude de eventuais mudanas de matrias primas ou do processo produtivo. Variaes importantes da quantidade de slidos numa suspenso, por exemplo, provocadas por distrbios no processo, podem acarretar problemas srios quanto s condies e manuseio previstos no projeto. Antecipar tais problemas durante o projeto bsico, com base exclusiva nos elementos disponveis sobre a mesa de trabalho do engenheiro de processo impossvel, na quase totalidade dos casos. Por outro lado, o engenheiro de operao dever solucion-los de pronto, quando surgem, utilizando toda a engenhosidade que possui, sem o que os setores a jusante e montante podero ficar mais comprometidos do que o seu.

    PROCESSAMENTO DE FLUIDOS INDUSTRIAIS

    Armazenamento

    Imagina-se que os problemas nesta rea sejam de ordem mecnica, sendo a seleo do tipo e a fixao da capacidade as tarefas do engenheiro de processo. Mas a realidade outra. H desde pequenos tanques verticais ou horizontais at imensos gasmetros e tanques para criognicos, equipados com compressores e condensadores dos vapores formados que, uma vez liquefeitos, expandem antes de retomarem ao tanque. O conjunto constitui um autntico refrigerador por

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    compresso de vapor e que mantm o lquido refrigerado. Reservatrios esfricos para armazenar fluidos a altssimas presses e enormes tanques de refinaria no interior dos quais possvel manobrar veculos tambm so freqentes. O armazenamento de lquidos perigosos ou capazes de formar misturas explosivas com ar requer um colcho de gs inerte (nitrognio ou gs carbnico, por exemplo) sobre o lquido, sendo imperioso no descobrir o fato muito tarde, quando a fabrica j estiver produzindo. Certos lquidos so propcios proliferao de algas e microorganismos que alteram substancialmente suas propriedades. Isto pode causar mudanas sensveis nas condies de escoamento atravs das tubulaes de processo, quando no o seu entupimento. At plantas grandes podem crescer no interior de tanques, sem que do fato se tenha conhecimento.

    Escoamento

    Por ser mais importante, este aspecto, destaca-se dos demais. Infelizmente, na universidade ele muitas vezes orientado por profissionais de outras reas, no praticantes e geralmente com especializao bem longe da rea de processo qumico. A mecnica dos corpos flutuantes, por exemplo, seus baricentros e centros de empuxo, as presses em comportas ou sua distribuio constituem assuntos irrelevantes para o engenheiro qumico, sendo meras curiosidades na rea de processo, muito embora desempenhem papel importante em outras. Os problemas industriais so diferentes, a comear pela natureza do fluido, pois a gua, que o fluido preponderante na minerao, na construo civil e muitas vezes tambm para o engenheiro mecnico, representa apenas uma parcela mnima dos fluidos industriais. Ar, vapor, gases industriais a altas presses, gases liquefeitos, hidrocarbonetos, produtos petroqumicos e fluidos refrigerantes ou de aquecimento so empregados em muito maior escala do que a gua. Fluidos no-newtonianos, como as tintas, colas, pastas e lamas e os sistemas polifsicos tambm so comuns em nosso trabalho. A temperatura de operao assume grande importncia na indstria qumica, devendo ser bem discutida para poder ser fixada e controlada com cuidado. O mesmo se aplica viscosidade e presso de vapor. Compreender bem o escoamento atravs de meios porosos fundamental para o estudo da filtrao, fluidizao, absoro, stripping e destilao em colunas de recheio, assim como no clculo de reatores heterogneos, catalticos ou no. s vezes o leito solvel (caso da lixiviao) ou reage

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    com o fluido, como na obteno do cido de cozimento da celulose pelo processo sulfito, quando se passa gua e dixido de enxofre atravs de um leito de calcrio. O clculo rigoroso da perda de carga do fluido em reao atravs de reatores tubulares tarefa muito complexa, pois, medida que a mistura reagente atravessa o reator a reao vai ocorrendo, alterando-se simultaneamente a temperatura (devido entalpia de reao), o nmero de mol em escoamento, a viscosidade, a capacidade calorfica e a presso. A vazo varia em conseqncia dessas alteraes, o mesmo acontecendo com a perda de carga que, a seu turno, tambm altera a presso. Assim, cada varivel interfere com as demais e tambm depende de cada uma. O escoamento atravs de vlvulas e tubulaes de alvio de vasos de presso e reatores crtico sob os pontos de vista processual e de segurana, sendo vagos os critrios de dimensionamento em alguns casos. S um julgamento profissional perfeito ser til nos casos mais difceis, como j tivemos ocasio de constatar. Certas tubulaes destinam-se a operar numa extensa faixa de vazo. o caso dos "flares" ou tochas das refinarias, que s vezes funcionam com quantidades mnimas de gases residuais, mas sempre com a chama acesa e, em outras situaes, recebem enormes quantidades de gases de processo durante os perodos de distrbio da instalao. Nesses momentos at o rudo pode vir a ser um problema, alm da fumaa decorrente da queima imperfeita. O engenheiro qumico dever estar preparado para superar tais dificuldades durante o projeto, fixando corretamente a vazo nominal do dispositivo, sem timidez ou excesso de confiana. Certos gases podem reagir explosivamente pela simples substituio de uma tubulao por outra de maior ou menor dimetro. Outras devem trabalhar permanentemente com uma presso positiva a fim de evitar a entrada de ar, que poderia causar exploso. o caso dos dutos que transportam o hidrognio produzido em clulas eletrolticas.

    Movimentao

    Bombas, ventiladores, sopradores e compressores acham-se disponveis numa grande variedade de tipos e modelos que cobrem extensa faixa de caractersticas. Por isso a especificao correta do tipo mais adequado para cada situao particular requer conhecimento por parte do engenheiro. Alm de trabalhar nas condies de projeto, o equipamento selecionado dever tornar possvel a operao nas condies limites, assim como na partida, sem maiores problemas de sobrecarga do motor. A seleo tambm dever levar em conta as caractersticas de corroso do fluido a ser movimentado, bem como o layout da instalao. Esta ltima implicao gera nova dificuldade porque a bomba,

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    que calculada logo nas primeiras fases do projeto, dever ser repassada quando tudo j estiver pronto