Processos parte1[1]

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Prof. Dr. José Luiz Moreira de Carvalho

PROCESSOS INDUSTRIAIS

Introdução às Operações Unitárias – parte 1

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


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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

PROCESSOS INDUSTRIAISPROCESSOS INDUSTRIAIS

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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


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1. CONCEITO

Um processo químico é um conjunto de ações executadas emetapas, 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.


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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.

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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 TIPODE OPERAÇÃO

2.1 – OPERAÇÕES MECÂNICASNas operações mecânicas, acontecem modificações físicas, mas não

há reações químicas entre as substâncias ou componentes envolvidos.

2.1.1 – Operações envolvendo sólidos granularesMuitas 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.


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2.1.1 – Operações envolvendo sólidos granulares

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:PROCESSOS INDUSTRIAISPROCESSOS INDUSTRIAIS


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Ex:PROCESSOS INDUSTRIAISPROCESSOS INDUSTRIAIS

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.

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



Ex: Veículos industriais

Empilhadeira e Mini–carregadeira

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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


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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


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Ex: Correias


Foto: Correia na Mineração Caraíba

Ex: Elevadores de caneca e de caçamba


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Ex: Esteiras


Ex: Esteiras


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c) Mistura de sólidosOs 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

- PeneiramentoO 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.


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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:


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b) Separação sólido de líquido

- DecantaçãoÉ 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



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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>.

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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


- FloculaçãoFloculação 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 impurezasfacilitam sua posterior remoção por sedimentação sob ação da gravidade, flotação ou filtração. A floculação pode ocorrer por processos hidráulicos ou mecanizados.


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Ex:



- Separação centrífugaUma 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.


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Ex:

Centrífuga pendular Centrífuga decanter


Ex: Diferentes tipos de centrífugas


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- FiltraçãoO 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.


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Tipos de Filtração:

* Filtração por GravidadeConsiste 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 GravidadePor 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 ébasicamente 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.


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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 emaquários, 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.


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* Filtração QuímicaÉ 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 BiológicaÉ 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 meioambiente (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”.


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Ex:


DEVER DE CASA

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

* Fluidos;

* Sedimentação;

* Suspensão.


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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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