TA 631 – OPERAÇÕES UNITÁRIAS TA 631 – OPERAÇÕES UNITÁRIAS II

(Transferência de quantidade de movimento)

Aula 01: 01/03/2012Introdução às operações unitárias. Conceito de

transferência de impulso. Classificação das operações de transferência de impulso.

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Objetivos da disciplinaObjetivos da disciplina

Capacitar o aluno a resolver problemas de dimensionamento de equipamentos na indústria de alimentos (exceto aqueles envolvendo transporte de calor e massa).

Estudar as operações unitárias de transporte, mistura, separação e redução de tamanho de partículas de fluidos e sólidos.

Possibilitar que o aluno discuta criticamente as operações unitárias estudadas.

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IntroduçãoIntrodução

1.Dimensionamento da instalação industrial: desenho, dimensionamento e construção.

2.Operação: supervisão, manutenção e otimização.

3.Administração, logística, vendas e planejamento.

4.Pesquisa: básica ou aplicada para o desenvolvimento de produtos e processos.

Geralmente, o engenheiro atua em quatro campos:

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O que o engenheiro faz?O que o engenheiro faz?

• Seleciona o tipo de equipamento adequado

• Dimensiona os equipamentos

• Calcula o tempo de processamento

• Elabora os balanços de massa e energia da operação

• Calcula os custos do investimento necessário

• Calcula os custos operacionais

• Avalia o desempenho do processo4

Aplicação da Física e da Química

• Estrutura física da matéria

• Composição química dos materiais

• Leis da mecânica

• Transferência de massa e energia

• Modelagem matemática e simulação dos fenômenos físicos

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Projetos x Experimentação

• Testar modelos (escala laboratorial) e protótipos (escala maior) até chegar na escala industrial.

• Regular o funcionamento de sistemas

• Medir variáveis físicas em processos

6ºC atm

Projetos

• Por semelhança:

respeitam-se as restrições geométrica, cinemática e dinâmica na mudança de escala (modelos, protótipos e escala industrial)

• Por coeficiente de transferência:

respeitam-se as leis da conservação de massa, momentum e energia no volume de controle (balanços macroscópicos).

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Setores de atuação do engenheiro

• Indústrias

• Instituições públicas e privadas

• Empresas de consultoria e assessoria

• Instituições de ensino e pesquisa

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Qualidades do profissional de engenharia

• Formação básica multidisciplinar• Raciocínio analítico• Estudo continuado• Conhecimento sistêmico• Conhecimentos gerais• Participação social• Capacidade de síntese

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Relações humanas

• O Engenheiro emprega boa parte do tempo se relacionando com pessoas.

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Trabalho em equipe Trabalho em equipe (o engenheiro não trabalha sozinho)(o engenheiro não trabalha sozinho)

• Respeito aos colegas• Capacidade de expor e discutir idéias• Renúncia de idéias ultrapassadas• A pessoa progride:

–pelo que sabe;

–pelo que produz;

–pelo que pratica.

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Aperfeiçoamento contínuo

• Atualização: livros, revistas técnicas e científicas, seminários, congressos, feiras industriais

• Diploma = ponto de partida

• Especializações e pós-graduação lato sensu

• Pós-graduação stricto sensu: Mestrado e Doutorado

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Ética profissional

• Responsabilidade na e com a organização local, com a humanidade e com a vida.

• A Ética deve ser a base sobre a qual é estabelecido o comportamento do profissional perante a sociedade, o empregador e o cliente.

• A formação do Engenheiro tem um custo social que deve ser resgatado através de sua atuação consciente na sociedade, ou seja, a sociedade deve se beneficiar do trabalho do Engenheiro.

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A industrialização dos produtos agrícolas, A industrialização dos produtos agrícolas, pecuários e pesqueiros tem por objetivo:pecuários e pesqueiros tem por objetivo:

• Facilitar o manuseio e o transporte

• Aumentar a vida de prateleira

• Melhorar algumas qualidades:toxicidade, sabor, textura, aparência e valor nutritivo

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Campo de atuação da engenharia de alimentos

Recursos naturais

Produção agropecuária

Pré-processamento

Industrialização

TransporteArmazenamentoComercialização

Alimento processado para consumoAlimento processado para consumo

Produtos do campoProdutos do campo

Matéria primas agrícolasMatéria primas agrícolas

Produtos alimentíciosProdutos alimentícios

RECURSOS RECURSOS TECNOLÓGICOSTECNOLÓGICOS

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Três enfoques para o estudo dos processamentos industriais

1. Estudar a tecnologiatecnologia de um certo tipo de indústria, por exemplo: indústria cervejeira, laticínios, indústria

açucareira, pastifícios, entre outros.

2. Estudar as operações usuais operações usuais a muitos tipos de indústria, por exemplo: evaporação, refrigeração,

extrusão, extração, centrifugação, etc.

3. Estudar os fenômenos de transferência fenômenos de transferência de quantidade de momentum, calor e massa.

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As operações unitárias e os princípios de transferência

Força ou Força ou fluxo por fluxo por

unidade de unidade de superfíciesuperfície

=Coeficiente Coeficiente

de de transferênciatransferência

Gradiente Gradiente de de

potencialpotencialx

FluxoFluxoGradienteGradiente

MomentumMomentumVelocidadeVelocidade

CalorCalor

MassaMassa

TemperaturaTemperatura

Concentração, potencial químicoConcentração, potencial químico

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Tecnologia de Tecnologia de alimentosalimentos

=

Processos Processos unitáriosunitários

Mudanças Mudanças químicas, químicas, biológicas e biológicas e microbiológicasmicrobiológicas

Operações Operações unitáriasunitárias

MudançasMudanças físicasfísicas

+

Tendo em vista a imensa quantidade de equipamentos industriais existentes no mercado e sua equivalência funcional, a única maneira possível de entender o funcionamento dos mesmos é pelo critério de operações unitáriasoperações unitárias.

Engenharia

Ciência

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Fluido é um meio que se deforma continuamente quando sujeito a uma tensão.

yv

A

Ft

Uma camada de fluido desliza sobre a outra. Existe atrito entre as camadas de fluido. A razão entre a tensão aplicada e a taxa de deformação é a viscosidade do fluido.

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ObjetivoObjetivoMateriaisMateriais

TransporteTransporte MisturaMistura SeparaçãoSeparaçãoModificação Modificação de tamanhode tamanho

Fluidos Fluidos (líquidos e (líquidos e

gases)gases)

BombeamentoBombeamentoVentilaçãoVentilação

CompressãoCompressão

Agitação Agitação MisturaMistura

CentrifugaçãoCentrifugação(L-L)(L-L) AtomizaçãoAtomização

Fluidos e Fluidos e sólidossólidos

TransporteTransporte PneumáticoPneumáticoTransporte Transporte hidráulicohidráulicoPerda de Perda de

pressão em pressão em leitos leitos

empacotadosempacotados

FluidizaçãoFluidizaçãoSuspensão de Suspensão de

sólidos em sólidos em líquidoslíquidos

(agitação)(agitação)

Filtração Filtração (L-S)(L-S)

Centrifugação Centrifugação (L-S)(L-S)

Sedimentação Sedimentação (L-S)(L-S)

SeparaçãoSeparação pneumáticapneumática

(G-S)(G-S)

PrensagemPrensagem

SólidosSólidosTransporte Transporte

Mecânico de Mecânico de sólidossólidos

Misturadores de Misturadores de sólidossólidos PeneiragemPeneiragem MoagemMoagem

Operações unitárias de quantidade de movimento

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Operações unitárias de transferência de impulso

1. Bombeamento de líquidos

2. Escoamento gravitatório de líquidos

3. Ventilação (gases)

4. Compressão (gases)

5. Decantação

6. Centrifugação

7. Agitação de líquido

8. Mistura de líquidos e líquido-gás

9. Atomização líquido-gás (aspersão)

10. Atomização líquido-líquido (homogeneização)

11. Movimentação de fluidos através de sólidos porosos21

Operações unitárias de transferência de quantidade de movimento

12. Fluidização

13. Transporte pneumático

14. Transporte hidráulico

15. Decantação de sólidos

16. Filtração

17. Ultra-filtração

18. Centrifugação sólido-líquido

19. Separação com ciclones

20. Mistura líquido-sólido

21. Prensagem

22. Fluxo a granel (sólidos particulados)22

Operações unitárias de transferência de quantidade de movimento

23. Peneiração

24. Decantação sólido-sólido

25. Mistura sólido-sólido

26. Moagem, trituração, desfibração de sólidos

27. Compactação de sólidos

28. Aglomeração de partículas sólidas

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Bombas

Decantador Ciclone de separação

Centrífuga

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Operações unitárias de transferência de calor

1. Branqueamento

2. Cozimento e fritura

3. Pasteurização e esterilização

4. Evaporação e condensação

5. Congelamento

6. Crio-concentração

7. Refrigeração

8. Geração de vapor

9. Forneamento

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Operações unitárias de transferência de massa

1. Destilação

2. Absorção de gases

3. Umidificação e de desumidificação de ar

4. Secagem

5. Extração líquido-líquido

6. Extração sólido-líquido

7. Cristalização

8. Adsorção e troca iônica

9. Separação por membranas

10. Desaeração

11. Higienização química26

Destilação

Desidratação de alimentos

Separação por membranas

Cristalização 27

As operações unitárias em uma indústria de alimentos

Exemplo:

Diagrama de blocos simplificado

da produção de etanol

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Preparação

Cana-de-açúcarCana-de-açúcar

Prensagem- difusão

Cana picadaCana picadaÁgua quenteÁgua quente

Fermentação

Destilação

Álcool etílico 96º GLÁlcool etílico 96º GL

VinhotoVinhoto

VinhoVinhoÁgua friaÁgua fria

VaporVapor

Caldo de Caldo de 14 º Brix14 º Brix

BagaçoBagaço

Prensagem

Bagaço úmidoBagaço úmido

CaldoCaldo

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O estudo das operações unitárias permite predizer o comportamento de sistemas.

Usam-se as seguintes ferramentas:

a) Princípios ou leis da conservação de massa, quantidade de movimento e entalpia

b) Equações constitutivas ou descritivas do fenômeno de transferência

c) Equações de estado (gases ideais, Van der Walls, etc.)

d) Condições de contorno

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Problemas de condições de contorno são comuns em Engenharia

- Equações diferenciais ordinárias em problemas de condição de contorno: valores conhecidos para a variável dependente em mais de um ponto e uma equação diferencial descritiva do comportamento desta variável em um intervalo.

- Geralmente deseja-se obter o "perfil" que descreve o comportamento da variável dentro de um intervalo, ex. perfis de velocidade, temperatura e concentração em problemas de transferência de momentum, calor e massa.

- As condições de contorno representam as interfaces entre meios onde se conhece o valor para a variável ou os parâmetros do fenômeno de transferência. 

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