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OPERAÇÕES UNITÁRIAS III
Aula 01
Prof. Henrique Cardias
Objetivo da Disciplina
Geral: Apresentar ao estudante as principais operações unitárias baseadas na
transferência de massa entre fases, dando ênfase ao conceito de estágio de
equilíbrio e suas aplicação em diferentes processos industriais.
Específicos: Compreender a essência das Operações Unitárias que envolvem
transferência de massa entre fases e introduzir as ferramentas fundamentais ao
dimensionamento de equipamentos empregados nestas operações .
Programa
Programa
Programa
Programa
Programa
Programa
Programa
Bibliografia
Calendário
Primeira Avaliação: 14 de abril
Segunda Avaliação: 28 de maio
Terceira Avaliação: 25 de junho
PORTAL DIDÁTICO
Toda a gestão da disciplina será realizada pelo portal didático.
• Controle de frequência;
• Comunicação com a turma;
• Calendário das avaliações;
• Disponibilização de material (aulas, listas de exercícios, projetos,...);
• Registro de conteúdo ministrado;
• Etc.
Mecanismos de avaliação
Em cada etapa haverá uma avaliação no formato tradicional (escrita). Outras
atividades serão realizadas ao longo da disciplina e terão um peso na nota de
cada etapa, dentre as quais:
• Resolução de problemas em grupo (sala de aula);
Grupos de 2 alunos, permitida a consulta, datas surpresas, limite de
tempo.
• Resolução de problemas com o auxílio de simuladores (fora do horário de
sala de aula);
Grupos de 4 alunos.
CONCEITOS BÁSICOS
Processo Químico:
Preparação
Reator
Purificação
Purificação e
preparação
Transformação Separação e
purificação
Produto
Outros
produtos
Reagentes que
não reagiram
Matérias
primas
OBS: num processo químico à escala industrial, o investimento em operações de
separação gira em torno de 50 % do investimento total.
Processo de Separação:
• Para que ocorra uma separação tem de haver uma diferença numa
propriedade química ou física entre os componentes da corrente de
alimentação;
• Esta diferença é a força motriz responsável pela separação.
• Quando a força motriz é nula, o sistema encontra-se em um estado em que
não sofre espontaneamente qualquer mudança (equilíbrio).
As diferenças entre as condições em que o sistema se encontra e a de
equilíbrio determinam as forças motrizes dos fenômenos de transporte.
Processo de Separação:
Forças motrizes e agentes de separação de algumas operações
Operação Força motriz Agente de separação
Destilação Pressão de vapor Calor
Absorção Solubilidade de um
gás num líquido
Líquido não volátil
(absorvente)
Extração
líquido-líquido
Distribuição do
soluto entre as fases
Líquido imiscível
(solvente)
Extração
sólido-líquido
Solubilidade do
soluto num líquido
Líquido imiscível
(solvente)
Processo de Separação:
• As separações envolvem um processo não espontâneo, porque inverte o
processo de mistura.;
• A extensão da separação é limitada pelo equilíbrio termodinâmico;
• A velocidade de separação é limitada pela taxa de transferência de massa;
Dados de equilíbrio entre fases são indispensáveis para o cálculo
e projeto de equipamentos onde ocorrem operações que
envolvem transferência de massa.
Possibilidades:
• Obtenção experimental dos dados de equilíbrio;
• Predição termodinâmica dos dados de equilíbrio:
Dados de equilíbrio necessários
Operação Unitária Dados
Destilação Líquido-Vapor
Extração (L/L) Líquido-Líquido
Absorção Líquido-Vapor
Lixiviação Sólido-Líquido
Adsorção Sólido-Líquido ou Sólido-Gás
Modelos físicos para o estudo das operações unitárias:
Modelo do estágio de equilíbrio: A análise é baseada em um dispositivo no qual
duas correntes afluentes interagem até atingir o equilíbrio no instante em que
abandonam o dispositivo (estágio).
A solução do problema é geralmente feita por técnicas gráficas
Modelos físicos para o estudo das operações unitárias:
Modelo da taxa de transferência: A análise é baseada na estimativa da taxa de
transferência entre duas correntes mantidas em contato contínuo. Esta taxa,
multiplicada pelo tempo de contato, fornece a quantidade de transferência que
pode ser atingida.
A solução do problema envolve a resolução de equações diferenciais
Qual abordagem escolher ?
Mecanismos de Separação:
Separação por adição ou criação de fase
Se a mistura que constitui a corrente de alimentação for homogênea, promove-
se a criação de uma segunda fase com o objetivo de obter a separação. Esta
segunda fase pode ser:
• Criada pela transferência de energia ou redução da pressão;
• Criada pela Introdução de um agente externo de separação
(solvente);
Ex: Destilação, Absorção, Extração líquido-líquido, Evaporação, etc.
OBS: Outros mecanismos de separação: por membranas, por agente
sólido (adsorção, troca iônica), por campo externo ou gradiente (usadas
frequentemente em tecnologias biológicas, ex. eletroforese)
Corrente paralela versus contracorrente:
Em um processo a corrente paralela, a força motriz vai diminuindo ao longo da
coluna, reduzindo deste modo a velocidade de transferência de massa. Logo,
para uma dada recuperação, os processos em contra-corrente são sempre mais
eficientes.
Simulação de processos:
Desempenha um papel determinante em qualquer ação relativa a um processo
de separação;
Alguns simuladores comerciais:
• HYSYS
• WinSim
• UniSim
• Aspen
• ProSim
• Chemsep (gratuito) www.chemsep.org
OPERAÇÕES ENVOLVENDO TRANSFERÊNCIA DE
CALOR E/OU MASSA
Absorção:
Fases envolvidas: liquida e gasosa.
Princípio: Um soluto (ou vários) contido na fase gasosa é transferido (absorvido)
para fase líquida.
Exemplos:
- Absorção de amônia contida no ar com água;
- Absorção de SO2 contido em gases de combustão por absorção em
solução alcalina;
- Absorção de hidrogênio em óleos vegetais durante reações de
hidrogenação.
OBS 1: Dessorção (stripping) é o processo inverso da absorção.
OBS 2: Quando a fase líquida é a água e a fase gasosa é o ar, a operação de
absorção é chamada umidificação.
Destilação:
Fases envolvidas: liquida e vapor.
Princípio: Separação baseada nas diferenças de volatilidade. Uma fase vapor
entra em contato com uma fase líquida, havendo transferência de massa entre as
fases. O efeito final é o aumento da concentração do constituinte mais volátil no
vapor e do menos volátil no líquido.
Exemplos:
- Separação etanol- água (produz um vapor rico em etanol);
- Separação amônia-água (produz um vapor rico em amônia);
- Refino do petróleo.
OBS 1: Operação mais amplamente usada na indústria química.
OBS 2: Na destilação as fases líquida e vapor possuem os mesmos componentes.
Extração Líquido-Líquido:
Fases envolvidas: Duas fases líquidas.
Princípio: Um soluto (ou vários) contido em uma das fases líquidas é transferido
(extraído) para a outra fase líquida (solvente). O solvente deve ser praticamente
imiscível no “diluente” para que haja a formação de duas fases.
Exemplos:
- Extração de ácido acético contido na água por éter isopropílico;
- Extração de antibióticos contidos na água por solventes orgânicos;
Lixiviação:
Fases envolvidas: liquida e sólida.
Princípio: Um soluto (ou vários) contido na fase sólida é transferido (extraído)
para fase líquida (solvente). A fase sólida deve estar preferencialmente
cominuída para aumentar o contato com o solvente. Usualmente o componente
desejável é solúvel e o restante do sólido é insolúvel.
Exemplos:
- Extração de óleos vegetais por solvente;
- Extração de sacarose contida na cana de açúcar por água;
- Extração de cobre contido em minérios por ácido sulfúrico.
OBS: Em virtude de uma das fases ser sólida (não escoa), esta operação requer
equipamentos especiais.
Adsorção:
Fases envolvidas: fluida e sólida.
Princípio: Um soluto (ou vários) contido na fase fluida é adsorvido na superfície
ou nos poros de um sólido adsorvente.
Exemplos:
- Remoção de componentes orgânicos da água;
- Separação parafinas de correntes de hidrocarbonetos;
- Purificação do ar.
OBS: O conceito de adsorvente aplica-se usualmente a um sólido que mantém o
soluto na sua superfície pela ação de forças físicas.
OPERAÇÕES EM ESTÁGIOS
Estágio de equilíbrio (ideal): Seção de um equipamento onde entram em
contato duas fases diferentes. Durante o contato, ocorre uma transferência de
massa entre as fases. Considera-se que as fases efluentes estão em equilíbrio.
- Por meio de contato e separações sucessivas das diferentes fases, são
possíveis grandes modificações nas composições das fases;
- Em um equipamento industrial real, o tempo de contato entre as fases não é
suficiente para que a mistura efluente atinja o equilíbrio (Estágios real x ideal).
Equipamentos para operações por estágios
• Devem promover de forma eficiente o contato entre as fases envolvidas na
separação;
• Sua configuração depende das características físicas das fases envolvidas;
• São tratados como sendo constituídos por um conjunto de estágios de
equilíbrio;
• Na prática, o contato entre as fases em cada andar de equilíbrio é geralmente
promovido através de “pratos” ou de uma dada altura de “recheios” colocados no
interior do equipamento.
Exemplos: Coluna de pratos (destilação)
Exemplos:
Vista aberta de uma coluna de
pratos valvuladas
coluna de pratos perfurados
com vertedor circular central
Exemplos: Misturadores decantadores (extração líquido-líquido)
Exemplos: Misturadores decantadores (extração líquido-líquido)
