36748305 apostila de operacoes unitarias integral[1]

8/8/2019 36748305 Apostila de Operacoes Unitarias Integral[1]

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OPERAES UNITRIASOPERAES UNITRIAS

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1 S1 SISTEMASISTEMASDEDE UUNIDADESNIDADES

0.1 Grandezas Fsicas e Unidades de Medidas:

As Grandezas Fsicas so caractersticas prprias dos corpos. Qualquer corpo tem sua prpria massa, ocupa umcerto volume, sofre ao de foras diversas podendo ser acelerado por elas, atingindo uma certa velocidade,etc.

Existem as Grandezas Fsicas Fundamentais como massa, comprimento e tempo e as Grandezas FsicasDerivadas que so definidas a partir das fundamentais como velocidade, presso, etc.

0.2 Unidades de Medidas:

Unidades de Medidas so padres arbitrrios usados pelo homem com o objetivo de medir as grandezas fsicascomo hora e segundo para a grandeza tempo. J o comprimento pode ser medido em metros, ps, milhas, etc.

As unidades de medidas DE UMA MESMA GRANDEZA podem ser relacionadas entre si atravs de fatores deconverso.

Exemplo: 1 m = 3,281 ft

Obs.: Unidades de medidas de grandezas fsicas diferentes no podem ser adicionadas, subtradas, etc. Assim,a operao 1 ft + 1 h no tem significado pois no podemos somar dimenses de comprimento e tempo. J 1hp + 300 w podem ser somados pois ambos tem unidades de potncia (energia por unidade de tempo). Comoestas unidades so diferentes, necessitamos de um fator de converso:

1 hp = 746 w

1 hp + 300 w = 746 w + 300 w = 1046 w

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A Segunda Lei de Newton relaciona as quatro grandezas fundamentais (massa, comprimento, tempo e fora) demodo que fixando-se trs dimenses, a Quarta estar automaticamente fixada. Assim, a fixao da unidade demassa implica na fixao da unidade de fora e vice-versa.

F = m x a

Massa em kg Fora em N

Massa em lbm Fora em poundal

Fora em kgf Massa em utm

Fora em lbf Massa em slug

As Unidades de Medidas pertecem a Sistemas de Unidades que se caracterizam pelas dimenses adotadascomo fundamentais

Os principais Sistemas de Unidades com algumas unidades de medidas importantes esto mostrados no quadroa seguir:

Sistema Grand.Fund.

L M T F Presso

SI MLT m kg s Newton N/m2

CGS MLT cm g s dina dina/cm2

Ingls Absoluto MLT ft lbm s poundal poundal/ft2

Met. Especial FLT m utm s kgf Kgf/m2

Ingls Eng. FLT ft slug s lbf lbf/ft2

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Americano deEngenharia

MFLT ft lbm s lbf lbf/ft2

Mtrico prtico MFLT m kg s kgf kgf/m2

Obs.: A unidade de presso no SI (Sistema Internacional) N/m2 conhecida como Pascal ( 1 Pascal = 1

N/m2

) .Em situaes prticas, mais conveniente expressar as unidades de presso dos Sistemas MtricoEspecial e Ingls de Engenharia em kgf/cm2 e lbf/in2 (pound square inch - psi), respectivamente.

0.3 Unidades de Concentrao:

As unidades que expressam a concentrao de uma dada substncia numa mistura so de grande importnciano clculo de balanos materiais, expresso de resultados de anlises, clculo de processo e engenharia etc.As mais usuais so:

a) % em peso:

a relao entre a massa de determinado componente e a massa total da mistura. O clculo da % em pesode um componente A qualquer numa mistura dado por:

100*%

T

A

AM

M=

onde MA a massa do componente a e MT a massa total da mistura.

b) Frao Molar e % molar:

a relao entre o nmero de moles de determinado componente e o nmero de moles total da mistura. Oclculo da % molar e da frao molar de um componente A qualquer numa mistura dado por:

T

A

A

n

nX = e 100*%

T

A

A

n

n=

Onde XA a frao molar do componente A na mistura e n A e nT so, respectivamente, o nmero de molesdo componente A e o nmero de moles total da mistura. O nmero de moles de um dado composto em umamistura dado pela razo entre a sua massa e o seu peso molecular. Por exemplo, o nmero de molesde 92 kg de etanol (C2H6O) de :

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n = 92/46 = 2 kmoles, sendo 46 o peso molecular do etanol.

c) Parte por milho (ppm):

Representa a concentrao de uma parte da substncia que se quer analisar em um milho de partes dosolvente. Assim que no caso de anlises de guas, por exemplo, 1 ppm de Cl - na gua igual a 1 mg deCl- dissolvido em 1 litro de gua pura pois:

ppmOHmg

Clmg

OHlitro

Clmg1

1000000

1

1

1

22

==

Obs.: 0,05 ppm de gua em ACRILONITRILA (densidade = 0,812) no eqivale a 0,05 mg de gua por litrode ACRILONITRILA pois:

lmg

NAmg

OHmg

NAlitro

OHmgppm 04,0

1000000

05,0

23,1

05,005,0 22 ===

Exerccios:

1. Uma mistura constituda de 30kg de butano, 20kg de pentano, 1kg de hexano e 300g de gua. Expressar a

composio desta mistura em % peso e frao molar.2. 170 kg de uma mistura constituda de propano (C3H8), butano (C4H10) , metano (CH4) e etano (C2H6) apresenta

a frao molar: prop (10%) but (20%) e met (30%). Expressar a composio em % peso e quantidades decada substncia, em kg.

3. Se um avio viaja a uma velocidade de 2200 ft/s, qual sua velocidade em km/h?

4. Transformar 400 in3/dia para cm3/min.

5. Qual a concentrao de gua em mg/l numa mistura com etanol (d=0,8) que contm 100 ppm de gua?

Como fazer interpolaes:

X: 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Y: 220 340 470 580 690 780 890 965 1010

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QQUALUALOOVALORVALORDEDE YY QUEQUECORRESPONDECORRESPONDEAOAOVALORVALORDEDE XX IGUALIGUALAA 57 ?57 ?

CCLCULOLCULO: 57 50 = 60 57: 57 50 = 60 57

Y 580 690 Y Y 580 690 Y 7 * 690 7 Y = 3 Y 3* 5807 * 690 7 Y = 3 Y 3* 580 Y = 657Y = 657

Propriedades Fsicas dos Fluidos:

0.4 Massa, Peso e Volume especficos:

A Massa Especfica () de uma substncia a massa por unidade de volume. As unidades mais usadas paraexpressar a massa especfica so:

g/cm3,kg/m3 e lbm/ft3

A gua, a 4oC, tem uma massa especfica de 1 g/cm3 ou 62,4 lbm/ft3.

A massa especfica dos lquidos depende da temperatura e para efeito de aplicaes prticas considera-se queindepende da presso. No caso dos gases, a massa especfica varia com a temperatura e a presso.

O Peso Especfico () representa o peso da substncia por unidade de volume. As unidades mais utilizadas so:

Kgf/m3 e lbf/ft3.

Para uma mesma vazo, os lquidos com elevado peso especfico consomem mais energia nas transfernciaspor bombeamento.

J o Volume Especfico () representa o inverso da massa especfica, ou melhor, o volume ocupado porunidade de massa da substncia. As unidades usuais so:

m3/kg e ft3/lbm

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Vapores e gases com volume especfico elevado necessitam de linhas com maior dimetro para o seuescoamento.

0.5 Densidade:

definida como a massa especfica ou peso especfico da substncia dividido pela massa especfica ou pesoespecfico da gua. A densidade um nmero admensional. comum referir-se densidade tomando por base

o peso especfico da gua a 4oC (1g/cm3 ). Neste caso, a densidade torna-se numericamente igual ao pesoespecfico.

Por exemplo, o cido benzico tem densidade 1,316 28oC/4oC significando que seu peso especficofoi medido a 28oC e o da gua a 4oC.

No caso de gases, a densidade referida em relao ao ar nas mesmas condies de temperatura epresso.

0.6 Ponto de Fulgor:

a temperatura mais baixa na qual uma substncia vaporiza em quantidade suficiente para formar umamistura com o ar capaz de inflamar-se quando, momentaneamente, passa-se sobre ela uma pequena chama.Esta uma propriedade importante inclusive para determinar as condies de segurana na estocagem e nomanuseio de produtos.

0.7 Viscosidade:

a propriedade pela qual o fluido oferece resistncia ao escoamento. Nos lquidos a viscosidade reduzidacom o aumento da temperatura porque, neste caso, a viscosidade determinada pela fora de coeso entre asmolculas a qual diminui com o aumento da temperatura. Para os gases, a viscosidade aumenta com atemperatura aparentemente porque a viscosidade est ligada atividade molecular qual aumentada com a

temperatura.Existem dois tipos de viscosidade:

- a viscosidade absoluta ( ) cuja unidade mais comum :

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poise = 100 centipoise = g/cm.s = dina.s/cm2 (sistema CGS).

- a viscosidade cinemtica ( ) que igual viscosidade absoluta dividida pela massa especfica. Asua unidade no sistema CGS o stoke = cm2/s = 100 centistokes.

0.8 Presso de Vapor de Substncias Puras e Misturas:

As molculas de um lquido esto em movimento constante e suas velocidades so determinadas pelatemperatura do lquido. Assim, as molculas esto colidindo uma com as outras e, como conseqncia,algumas alcanam, momentaneamente, velocidades acima da velocidade mdia das outras molculas. Se istoocorre com molculas prximas superfcie do lquido, elas podem projetar-se da superfcie do lquido eescapar transformando-se em molculas de vapor.

Se o sistema for fechado, haver uma contnua passagem de molculas da fase lquida para a fase vapor e, aomesmo tempo, parte das molculas retornam da fase vapor ao lquido. Quando o nmero de molculas queescapam do lquido igual ao nmero de molculas que retornam, atinge-se uma situao de equilbrio entreas fases e a presso desenvolvida pela fase vapor chamada de PRESSO DE VAPOR. Para substncias puras,a presso de vapor funo somente da temperatura.

Para misturas de lquidos miscveis, a presso de vapor desenvolvida depende, alm da temperatura, dacomposio da mistura. Para uma dada temperatura, quanto maior a concentrao do componente mais voltilna mistura, maior a presso de vapor desenvolvida.

0.9 Coeficiente de Expanso volumtrica:

De uma maneira geral, os corpos quando aquecidos sofrem dilatao, isto , aumentam de volume. Como adilatao se d em todas as direes, chama-se dilatao volumtrica ou cbica. Assim, quando um lquido aquecido, o seu volume aumenta, podendo causar transbordamento em recipientes abertos e ruptura ousobrepresso quando confinados.

O volume final a ser atingido pelo lquido dado pela frmula:

Vf= Vo(1+KvT )

Vf = volume final do lquido;

Vo = volume inicial;

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Kv = coeficiente de dilatao cbica;

T = diferena de temperatura.

0.10 Calor Especfico:

Para lquidos, o calor especfico representa a quantidade de calor necessria para elevar de uma unidade de

temperatura, uma unidade de massa da substncia.Para a gua, o calor especfico vale 1 kcal/kg oC. Isto significa que para elevar-se de 1 oC a temperatura de 1 kgde gua, necessrio que se fornea 1 kcal de calor.

Note que quanto menor o calor especfico de um lquido, mais fcil de aquec-lo quando da adio de calor.

Exerccios:

1) Uma carreta de CIDO SULFRICO carregada com 25.000 litros. Qual o peso que a balana dever

acusar sabendo que a massa especfica da substncia 1,83 g/cm3

?2) Uma carreta transporta 15 t de um produto cuja massa especfica 1,105 g/cm3. possveldescarregar todo o produto em um tanque com capacidade para 13000 litros?

3) A massa especfica da gua pura de 1 g/cm3 e a do cido sulfrico 98% de pureza de 1,83 g/cm3. Amassa especfica de uma mistura de cido sulfrico e gua ser de:

a) 1 g/cm3;

b) 1,83 g/cm3;

c) 2,83 g/cm3;

d) Qualquer valor entre 1 g/cm3

e 1,83 g/cm3

a depender da quantidade de cido sulfrico misturado gua.

4) A densidade do cloro gs em relao ao ar de 2,50. Podemos afirmar que:

a) o cloro mais pesado que o ar;

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b) o ar mais pesado que o cloro;

c) nada podemos concluir pois o problema no informa a quantidade de cada gs.

d) Ambos possuem o mesmo peso especfico.

5) Um tanque de estocagem de CIDO NTRICO encontra-se com espao vazio suficiente para recebermais 60 t. Por quanto tempo mais este tanque poder receber produto, sem transbordar, considerando que a

produo da planta de 6.000 litros/hora de CIDO, com massa especfica de 1,05 g/cm3?6) Um tanque que possua capacidade para estocar 430 t de SODA CUSTICA 50% (massa especfica1,50 kg/litro) foi recuperado para ser utilizado na estocagem de Acrilato de Metila (densidade 0,96 30oC/4oC).Quantas toneladas de Acrilato de Metila podemos estocar?

7) Entamboramos 190 litros de cido actico em um tambor cujo volume mximo de 200 litros. Nestaoportunidade, madrugada, a temperatura ambiente era 15 oC. Se, no dia seguinte, a temperatura ambienteatingiu 35oC, o tambor transbordou? Coeficiente de dilatao volumtrica do produto: 0,00107/oC.

8) Calcular a massa especfica do lcool etlico a 50oC sabendo-se que a 20oC 0,790 g/cm3. KV = 0,0003cm3/OC

9) A seguir, informamos as presses de vapor (expressas em mmHg), em funo da temperatura, para ohexano e o heptano.

T ( oC ) HEXANO HEPTANO

69 760 295

75 915 348

80 1060 426

85 1225 498

90 1405 588

95 1577 675

99,2 1765 760

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a) Qual o composto mais voltil?

b) Hexano temperatura de 75oC e submetido a uma presso externa de 1000 mmHg encontra-se emque estado?

c) Quais as temperaturas de ebulio do hexano e heptano puros presso atmosfrica?

10) Consideremos duas substncias A e B inicialmente mesma temperatura de 30oC. O calor especficoda substncia A 0,5 kcal/kg oC e da substncia B 0,6 kcal/kg oC. Se adicionarmos 10 kcal de calor s duassubstncias, qual a que atingir maior temperatura?

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11 VAPOR DE GUAVAPOR DE GUA

Veremos inicialmente alguns conceitos preliminares:

1.1 Energia Cintica Interna:

a energia do movimento ou velocidade moleculares. Quando a energia adicionada a uma substncia aumenta

o movimento ou velocidade das molculas, a energia cintica interna da substncia aumenta, aparecendocomo elevao de temperatura.

1.2 Energia Potencial Interna:

a energia de separao molecular ou configurao. a energia apresentada pelas molculas como resultadode sua posio em relao s demais.

1.3 Temperatura e Calor:

Temperatura uma funo da energia cintica interna e, como tal, uma medida da velocidade molecularmdia.

Calor definido como energia em trnsito de um corpo para outro como resultado de uma diferena detemperatura entre os dois corpos.

1.4 Entalpia:

A entalpia de uma substncia a qualquer condio termodinmica (presso, temperatura) dada, a soma detoda a energia que lhe fornecida para lev-la quela condio a partir de uma condio inicial arbitrariamentetomada como ponto zero da entalpia.

Por conveno, a entalpia da gua zero a 0oC e presso atmosfrica (gua no estado lquido).

1.5 Calor Especfico:Conforme visto anteriormente, a quantidade de energia, em kcal, necessria para mudar a temperatura de 1kg de uma substncia de 1oC. Para a gua, o calor especfico de 1 kcal/kg oC.

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1.6 Calor Sensvel e Calor Latente:

Quando o calor adicionado gua temperatura ambiente, por exemplo, a temperatura desta gua sobeaproximadamente 1oC para cada kcal adicionada a 1 kg de gua. O aumento de temperatura pela adio decalor pode ser percebido pelos nossos sentidos. Isto chamado de calor sensvel.

Se adicionarmos 99,1 kcal a 1 kg de gua temperatura de 0oC e presso atmosfrica, sua temperatura subir

at 100o

C. A partir da ela entrar em ebulio e, para qualquer outra adio de calor, no haver aumento detemperatura e sim uma mudana de estado de lquido para vapor. O calor adicionado durante a mudana deestado no percebido pelos nossos sentidos como um aumento de temperatura, ele fica escondido no vaporformado e chamado calor latente.

Calor Sensvel: Qs = m c T

Calor Latente: Ql = m H

Qs e Ql calor sensvel e calor latente, respectivamente, em kcal;

m a massa da substncia em kg;

c o calor especfico da substncia em kcal/kg oC;

T a variao de temperatura em oC;

H a entalpia de fuso ou vaporizao em kcal/kg.

1.7 Temperatura de Saturao:

a temperatura na qual um fluido muda da fase de lquido para a fase de vapor ou, inversamente, da fase devapor para a fase lquida. A temperatura de saturao depende da presso a qual o lquido est submetido. Porexemplo, se a gua estiver submetida a uma presso maior que a atmosfrica, ela no entrar em ebulio a100oC, mas a uma temperatura maior. Quanto maior a presso qual o lquido estiver submetido, maior ser atemperatura de ebulio (a relao no linear).

1.8 Lquido Sub-resfriado:

a substncia no estado lquido que est abaixo da temperatura de ebulio a uma dada presso. Exemplo:H2O a 90oC e presso atmosfrica.

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1.9 Lquido Saturado:

a substncia no estado lquido que encontra-se na temperatura de ebulio a uma dada presso. Para a guaevaporar a 1 atm de presso , ela necessita, antes, atingir a temperatura de 100oC.

1.10 Vapor Saturado Seco:

a substncia no estado vapor que encontra-se na temperatura de ebulio a uma dada presso.1.11 Vapor mido:

o vapor dgua contendo uma certa quantidade de gua no estado lquido. A qualidade do vapor mido dada pelo seu ttulo que o nmero que expressa a quantidade de vapor saturado seco existente no vapormido. Para a sua determinao deveremos fazer a relao entre a massa de vapor seco e a massa total dovapor mido. expresso em unidade decimal ou percentual.

avs

vs

mm

mX

+=

X = ttulo do vapormvs = massa do vapor saturado seco;

ma = massa de gua ou gotculas em suspenso no vapor.

1.12 Vapor Superaquecido:

o vapor a qualquer temperatura acima da temperatura de saturao a uma dada presso. A qualidade dovapor superaquecido dada pelo grau de superaquecimento que informa quantos graus o vapor encontra-seacima da temperatura de saturao na sua presso.

Tabela de Propriedades do Vapor Saturado

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Presso(kgf/cm2)

Temperatura (oC) HIS (Kcal/kg) HVAP(Kcal/kg)

HVS (Kcal/kg) (m3/kg)1,0 99,1 99,1 539,4 638,5 1,725

2,0 119,6 119,9 525,9 645,8 0,9023,0 132,9 133,4 516,9 650,3 0,617

4,0 142,9 143,6 509,8 653,4 0,471

5,0 151,1 152,1 503,7 655,8 0,382

10,0 179,0 181,2 481,8 663,0 0,198

Hls a entalpia do lquido saturado;

Hvap a entalpia de vaporizao;Hvs a entalpia do vapor saturado;

o volume especfico.

Propriedades do Vapor Saturado:

- Possui uma relao constante entre presso e temperatura. possvel controlar-se a temperatura deum processo atuando-se apenas sobre a presso.

- facilmente condensvel, cedendo prontamente seu calor latente.

- Suas propriedades so bem conhecidas conforme indicado na tabela.

Propriedades do Vapor Superaquecido:

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- No possui gotculas de gua em suspenso. As gotculas de gua so nocivas a equipamentos,tubulaes, vlvulas, turbinas pois provocam eroso.

- Por no provocar eroso, permite usarmos velocidades maiores no escoamento e, consequentemente,tubulaes de menor dimetro, representando menor investimento.

- Possui maior quantidade de calor que o vapor saturado de mesma presso. Esta vantagem seria

desprezada considerando-se que esta quantidade de calor deve ser adicionada na caldeira o que, emprincpio, representaria maior gasto de combustvel. Isto no traduz a verdade pois para se obter ovapor superaquecido apenas se fazem algumas passagens a mais nos gases de combusto atravsdos superaquecedores.

1.13 Vapor de Reevaporao:

Imaginemos uma fbrica consumindo 10 t/h de vapor a uma presso de 7 kgf/cm2. Este vapor, se saturado,contm 660,8 kcal/kg (calor total). O vapor, aps gerado, enviado aos consumidores onde fornece seu calorlatente. Aps a condensao do vapor, os purgadores drenam o condensado, retirando-o dos equipamentospara dar lugar a novo vapor. Este condensado deixa o equipamento contendo todo o seu calor sensvel. Esta

quantidade de calor, de acordo com a tabela de vapor saturado, de 171,3 kcal/kg a 7 kgf/cm2

. Aps sua sadado equipamento, a presso cai ou para a atmosfrica ou para a presso da linha de retorno de condensado.Vamos supor que o sistema de retorno de condensado esteja a 2,0 kgf/cm2 . O condensado nestas condies depresso estar a 119,6oC e poder conter apenas 119,9 kcal/kg. A 7 kgf/cm2 (antes do purgador) ele possua169,6oC e 171,3 kcal/kg. Esta diferena de calor, 51,4 kcal/kg, ser responsvel pela reevaporao de parte docondensado sada do purgador. O vapor formado conhecido como vapor flash ou vapor de descompresso.

Desta forma, podemos produzir vapor saturado de menor presso a partir de condensado de maior presso.Quanto menor a presso de operao de um tambor de flash, maior ser a quantidade de vapor produzida mas,o seu aproveitamento torna-se mais difcil por se tratar de vapor de menor temperatura.

No caso do exemplo anterior, a quantidade evaporada seria de :

(10.000 kg/h * 51,4 kcal/kg) / 645,8 kcal/kg (calor latente a 2,0 kgf/cm2) = 795,91 kg/h

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1.14 Reduo da Presso do Vapor:

Alguns equipamentos dentro de um processo industrial, podem necessitar consumir vapor a uma pressoinferior aos demais.

Neste caso, quando o vapor gerado estiver a uma presso mais alta do que a necessria, sempre interessanteconsiderar a distribuio do vapor a alta presso (menor dimetro das tubulaes) e reduzi-la prximo ao

ponto de consumo.

Diz-se que o vapor, aps uma vlvula redutora de presso, superaquecido. Isto teoricamente verdadeirodesde que o vapor a montante da vlvula seja 100% seco, o que raramente ocorre. O vapor, em condiesnormais, mido e, neste caso, a reduo de presso servir para melhorar a qualidade do mesmo. Vamos verem detalhes como isto ocorre. Sabemos que praticamente a quantidade total de calor permanece a mesma naentrada e na sada da vlvula. Assim, se o vapor a montante da vlvula estiver a 10 kgf/cm2 de pressoabsoluta, pela tabela de propriedades do vapor saturado verificamos que o vapor ter 663 kcal/kg de calor totale, como no haver perda de calor no processo de reduo de presso, ento teremos a mesma quantidade decalor na sada da vlvula. Supondo que estejamos reduzindo a presso para 3 kgf/cm2 absoluta, pela mesma

tabela veremos que o calor total ser de 650 kcal/kg e teremos 663 650 = 13 kcal/kg de superaquecimento.No entanto, supondo-se que o vapor a montante da vlvula fosse 95% seco, a quantidade real de calor naentrada da vlvula seria:

Q = 0,95 x Hvap + HlsQ = 0,95 x 482 + 181 = 638 kcal/kg

Como j vimos, a 3 kgf/cm2 de presso absoluta, o vapor saturado contm 650 kcal/kg de calor total, compostopor 133 kcal/kg de calor sensvel mais 517 kcal/kg de calor latente. Se a quantidade de calor total disponvelera de 638 kcal/kg, ento teremos 638 133 = 505 kcal/kg de calor latente. Teremos 505/517 = 0,98, isto ,vapor 98% seco na sada da vlvula. Notamos que, com a reduo de presso, a qualidade do vapor foi

melhorada em 3%. importante observar ainda que, com a reduo de presso, haver um acrscimo novolume especfico do vapor sendo necessrio, algumas vezes, alterar o dimetro da tubulao a jusante davlvula redutora visando manter a mesma velocidade de escoamento.

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Exerccios:

1) Determine a quantidade de calor na entrada de uma vlvula redutora de presso de vapor, sabendo quenecessita-se reduzir a presso de 10 kgf/cm2 para 4 kgf/cm2 e que na montante o vapor 92% seco.

2) Determine a entalpia do vapor saturado a 8 kgf/cm2. A seguir, calcule a quantidade total de calor entreguepor 15 t/h desse vapor, em uma fbrica.

3) Defina vapor mido e vapor superaquecido, diferenciando com exemplos.

4) Uma fbrica consome 20 t/h de vapor saturado presso de 5 kgf/cm2. O condensado gerado a umapresso de 2,0 kgf/cm2. Calcule a quantidade de condensado evaporada, em kg/h.

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22 EESTTICASTTICADOSDOS FFLUIDOSLUIDOS

2.1 Presso:

definida como a fora atuando por unidade de rea. A presso diretamente proporcional fora aplicada.

As unidades de presso mais utilizadas e respectivos valores de referncia so:

1,033 Kgf/cm2 = 10 m.c. a = 760 mmHg = 13,56 lbf/in2 (psi).

- Presso Atmosfrica: a presso devida ao da fora-peso do ar atmosfrico sobre a superfcieterrestre. A altitude influi na presso atmosfrica.

- Presso Relativa (manomtrica): uma medida de presso que usa como base zero a pressoatmosfrica. Como ela relativa, podemos Ter valores positivos e negativos.

Positivos: presses superiores atmosfrica;

Negativos: presses inferiores atmosfrica (vcuo).

- Presso Absoluta: esta medio usa como base zero a presso nula, isto , o chamado vcuo absoluto.Assim sendo, as medidas nesta escala so sempre positivas.

De acordo com as definies podemos concluir que:

Presso Absoluta = Presso Atmosfrica + Presso Relativa.

Obs.: se a presso relativa for menor que a presso atmosfrica (vcuo) ser expressa com valor negativo.

PRESSO P1

P. RELATIVA P1

P. ATMOSFRICA

(ZERO DA ESCALA RELATIVA)PRESSO P2 P. RELATIVA P2

PRESSO NULA

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P. ABSOLUTA P1

P. ABSOLUTA P2


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Suponhamos que no exemplo acima, a presso atmosfrica seja de 760 mmHg, P1 seja 200 mmHg e P2 300mmHg (relativas).

- P1 (relativa) = +200 mmHg;

- P1 (absoluta) = 760 + 200 = 960 mmHg;

- P2 (relativa) = - 300 mmHg;

- P2 (absoluta) = 760 - 300 = 460 mmHg.

2.2 Presso dos lquidos em repouso;

Qualquer lquido quando se encontra contido em um recipiente, exerce uma presso sobre as paredes e ofundo, bem como sobre qualquer corpo slido nele colocado. A presso em um determinado ponto desse lquidodepende da distncia vertical do ponto superfcie livre do lquido e do seu peso especfico.

Chama-se superfcie livre a superfcie do lquido que est em contato com outro fluido (lquido ou gs). Norepouso, a superfcie livre de um lquido pode ser determinada por um plano horizontal.

Calcula-se a presso num determinado ponto atravs da seguinte frmula:

P = x hP a presso num determinado ponto da massa do lquido;

representa o peso especfico do lquido;

h a distncia vertical da superfcie livre do lquido ao ponto considerado.

Esta presso exclusivamente devida ao lquido e no a fatores externos. Qualquer outra presso exercidasobre o lquido devida a fatores externos dever ser adicionada presso calculada. Por exemplo, a presso Pexercida no fundo de um recipiente aberto ser:

P = Plquido + PambienteSe quisermos saber a diferena de presso entre dois pontos situados no interior de um mesmo lquido emrepouso, usamos a frmula: P = h x

20


21/99

2.3 Princpio dos Vasos Comunicantes:

Interligando vrios recipientes de diferentes formas, verifica-se que se um lquido for despejado em um deles, onvel alcanado ser o mesmo em todos os outros.

Parece, primeira vista, que na base do vaso B deveria haver presso maior que na de A de modo que o lquidoseria forado de B para A.

A equao da hidrosttica afirma que a presso depende somente da profundidade abaixo da superfcie e noda forma do recipiente. Desde que a profundidade do lquido seja a mesma em todos eles, a presso na base decada um ser a mesma e o sistema estar em equilbrio.

Exerccios:

1) Se a presso relativa em um ponto for de 2,0 kgf/cm2 e a presso atmosfrica local for de 720 mmHg,qual ser a presso absoluta neste ponto?

2) Qual a presso, em kgf/cm2, que equilibra uma coluna de mercrio de 760 mm?

3) Em certo instante, o manmetro instalado no coletor de topo de uma coluna de destilao acusa umvcuo de 260 mmHg. Obter:

- a presso relativa em kgf/cm2 e psig;

- a presso absoluta em mca e psia.

4) Transformar 760 mmHg em mca.

21

A B


22/99

33 EESCOAMENTOSCOAMENTODEDE FFLUIDOSLUIDOS::

3.1 Introduo:

O escoamento de qualquer fluido em uma tubulao resulta sempre em uma certa perda de energia do fluido,

energia essa que gasta em para vencer as resistncias que se opem ao escoamento. Essas resistncias sode duas naturezas:

- resistncias externas ao fluido resultante do atrito contra as paredes, mudanas de direo eturbilhonamentos conseqentes;

- resistncias internas ao fluido resultantes do atrito das prprias molculas do fluido, umas com asoutras.

As resistncias externas sero tanto maiores quanto maiores forem a velocidade do fluido e a rugosidade dasparedes e quanto menor for o dimetro da tubulao. Por outro lado, as resistncias internas sero tantomaiores quanto maiores forem a velocidade e a viscosidade do fluido.

Esta parcela de energia perdida, chamada de PERDA DE CARGA traduz-se em uma gradual diminuio dapresso do fluido que vai caindo ponto a ponto no sentido do escoamento (pressure drop).

Obs.: perda de carga em equipamentos (trocadores de calor, filtros, colunas de destilao, chamins, etc.) influenciada pelos mesmos fatores que a perda em tubulaes e acessrios. Em alguns casos, a rea livre parao escoamento torna-se bastante pequena (um filtro, por exemplo, possui pequena rea para o escoamento,ocasionando elevada perda de presso). Um trocador de calor tambm provoca elevadas perdas de presso,pois projetado para produzir turbulncia no fluido, objetivando melhorar a troca de calor.

3.2 Classificao do Regime de Escoamento:

O escoamento de um fluido em uma tubulao pode ser laminar ou turbulento.

O escoamento dito laminar quando todos os filetes lquidos so paralelos entre si e as velocidades em cadaponto no variam em direo e grandeza. J no escoamento turbulento as partculas movem-se em todas asdirees.

22


23/99

O fato de existirem dois tipos distintos de escoamento foi demonstrado por Reynolds que, atravs deexperimentos, chegou a um nmero admensional para determinar o tipo de escoamento.

Obs.: Para Re4000 o escoamento consideradoturbulento e dentro deste intervalo considerado transio.

Na prtica, normalmente, o escoamento turbulento, s sendo laminar quando temos velocidade deescoamento muito baixa e/ou fluidos muito viscosos. A viscosidade determinada a partir da temperatura e dotipo de fluido (em anexo).

Exemplo de clculo do nmero de Reynolds:

Dados: Tubulao de 6 sch 40, sob vazo de 72 m3/h, fluido com massa especfica de 0,8 g/cm3 eviscosidade absoluta de 0,7 cp.

As unidades devem estar compatveis, pois o Re um nmero adimensional. Trabalhando comunidades de cm:

6 sch 40 Di =15,41 cm

A = D2/4 A = 3,14 * 0,15412/4 = 0,01864 m2

V = Q/A = 72 m3/h / 0,01864 = 3862,4 m/h V = 3862,4 m/h / 3600 s/h = 1,07 m/s = 107 cm/s

Re = 15,41 * 107 * 0,8/0,7 = 1884,42

23

DV=Re

=e


24/99

3.3 Vazes Mssica e Volumtrica:

Definimos vazo como a quantidade de substncia que escoa na unidade de tempo. Existem dois tipos:vazo mssica (dimenso de M/T) e vazo volumtrica (L3/T).

T

mm =

A vazo volumtrica bastante utilizada e suas unidades so m3/h, litros/s, ft3/s e gpm (gales porminuto). As unidades usuais de vazo mssica so kg/h e lbm/h.

Conhecendo-se a vazo volumtrica e a rea transversal da tubulao, calcula-se facilmente a velocidadede escoamento:

A

QV =

Onde V a velocidade de escoamento do fluido, Q a vazo e A a rea de seco transversal datubulao. Outra forma mais fcil de obteno da velocidade o uso da tabela padro de velocidade (1

m/s) para vazes em funo do dimetro nominal e respectivas espessuras de tubulao (em anexo).3.4 Equao da Continuidade:

Se considerarmos uma tubulao como a seguinte:

24

A2


25/99

Se o regime permanente, ento a vazo mssica na seco 1 igual vazo mssica na seco 2, ou seja:

m1 = 1 x V1 x A1 e

m2 = 2 x V2 x A2Como m1 = m2 1 x V1 x A1 = 2 x V2 x A2

Se o fluido for incompressvel ento = constante e a vazo volumtrica tambm ser constante

Q = A1 x V1 = A2 x V2

3.5 Equao de Bernoulli:

Vamos considerar a figura seguinte representando o trecho de uma tubulao:

25

1

2

A1

V1 V2


26/99

Se P1, V1 e Z1, bem como P2, V2 e Z2 so, respectivamente, as presses, velocidades e alturas nos pontos 1 e 2,ento, considerando que no h perda de energia no escoamento do fluido, podemos escrever:

gzg

vPgz

g

vP

cc

2

2

22

1

2

11

22++=++

que a equao de Bernoulli sendo a massa especfica do fluido e g a acelerao da gravidade e g c o fatorde proporcionalidade..

Obs.: Todos os termos da equao de Bernoulli possuem dimenses lineares e so chamados isoladamente de

carga e a soma deles de carga total.

26


27/99

3.6 Perda de Carga:

At agora consideramos na equao de Bernoulli o lquido como um fluido perfeito. A situao real, entretanto,deve levar em conta as resistncias ao escoamento e a perda de energia por atrito. Deveremos ento inserir naequao um termo que considere esta perda. Assim:

bf

cc

whgz

g

vPgz

g

vP++++=++

2

2

22

1

2

11

22

hf representa a energia perdida pelo lquido durante o escoamento (perda de carga) e w b representa o trabalhoadicionado ao sistema pela bomba.

A perda de carga de um sistema pode ser desmembrada em duas, chamadas de perda de carga por frico ounormal e perda de carga por acessrios (vlvulas, curvas, filtros, etc.) ou localizada.

Fatores que influenciam a perda de carga:

- comprimento e dimetro da tubulao;

- rugosidade da tubulao;

- tempo de operao da tubulao;

- nmero de acessrios da tubulao;

- viscosidade e densidade do fluido;

- velocidade do fluido.

3.7 Clculo da Perda de Carga por Frico:

As equaes utilizadas no clculo da perda de carga por frico so terico-experimentais, obtidas a partir dasexperincias de cada pesquisador. Uma das mais utilizadas a de Darcy - Weisbach:

hfrepresenta a perda de carga na tubulao por frico;f o fator de frico (admensional); L o comprimento total da tubulao; D representa o dimetrointerno da tubulao, encontrado via tabela (em anexo) ;

27

g

fLvhf2

=


28/99

vKhl

2

2

=

V a velocidade de escoamento do fluido; g a acelerao da gravidade. O fator de frico f obtido atravsde frmulas experimentais ou grficos. No caso de escoamento em regime laminar:

Para escoamento turbulento, o fator de frico depende do nmero de Reynolds e da rugosidade relativa ( /D)

da tubulao. Pode ser determinado com o auxlio do Diagrama de Moody.3.8 Clculo da perda de Carga Localizada:

Existem dois mtodos utilizados no clculo da perda de carga localizada:

- mtodo direto;

- mtodo do comprimento equivalente.

No mtodo direto, o clculo feito atravs da equao:

hl representa a perda de carga localizada;

K um coeficiente determinado experimentalmente e encontrado na literatura para diversos acidentes;V a velocidade de escoamento do fluido.

J o mtodo do comprimento equivalente consiste em determinar um comprimento reto de tubulao com amesma perda de carga que o acessrio considerado. Calculado o seu comprimento equivalente, o clculo daperda de carga feito como se a tubulao fosse um nico trecho reto com um comprimento total igual aocomprimento reto adicionado ao comprimento equivalente de todos os acessrios utilizando-se a equao deDarcy vista anteriormente.

Exemplo: Imagine que uma tubulao de 4 sch 40 est instalada uma vlvula do tipo globo cujo valor de L/D =450, fator adimensional caracterstico de cada acessrio de tubulao. Assim, o L/D deve ser multiplicado pelorespectivo dimetro interno em metros que, neste caso, de 0,1023 m (4 sch 40). O clculo fica, ento: 450 *0,1023 = 46,0350 m, ou seja, como se a vlvula correspondesse a um trecho de 46,035 m de comprimentode tubulao.

28

Re

64=f


29/99

4.8.1 Perda de Carga Localizada para expanses

A perda de carga localizada associada a uma expanso sbita pode ser calculada de acordo com as seguintesequaes:

h = k (V1 V2)2

2g

= k (1 A1/A2)2 V12

2g

= k [1 (D1/D2)2 ]2 V12

2g

= k [ (D2/D1)2 1]2 V22

2

Geralmente, ofator k tabelado,podendo tambmser calculado,assim: K = 3,5 (tg /2 )1,22

Sendo ongulo total cnico doexpansor, em graus.

Exerccios:1) Cite 5 fatores causadores de perda de carga, listando-os por ordem de importncia.

2) Uma vlvula possui fator K = 200. Se ela est instalada em uma tubulao de 4 sch 40 cuja vazo deprocesso de 72 m3/h, determine a sua perda de carga equivalente.

29

D

1

D

2

V1 V2


30/99

3) Defina perda de carga.

4) Se um trecho de tubulao de 6 sch 80 possui 15 m de comprimento e apresenta 5 curvas de 90,determine a sua perda de carga, sabendo que a vazo de processo vale 54 m3/h e que o fluido apresentaviscosidade de 0,8 cp e massa especfica de 0,75 g/cm3.

5) Um fluido escoando em regime laminar apresenta as seguintes condies:

Dimetro da tubulao = 4 sch 40

Massa especfica = 0,98 g/cm3

Viscosidade = 0,75 cp

Velocidade = 1,34 m/s

Determine o correspondente fator de atrito para esse escoamento.

30


31/99

44 BBOMBASOMBAS CCENTRFUGASENTRFUGAS::

Bombas so equipamentos que conferem energia de presso aos lquidos com a finalidade de transport-los deum ponto para outro.

Nas bombas centrfugas, a movimentao do lquido produzida por foras desenvolvidas na massa lquidapela rotao de um rotor. Este rotor essencialmente um conjunto de palhetas ou de ps que impulsionam o

lquido.O rotor pode ser aberto, fechado ou semi aberto. A escolha do tipo de rotor depende das caractersticas dobombeamento. Para fluidos muito viscosos ou sujos usam-se, preferencialmente, os rotores abertos ou semiabertos. Nestes casos, os rotores fechados no so recomendados devido ao risco de obstruo.

Para uma bomba centrfuga funcionar preciso que a carcaa esteja completamente cheia de lquido que,recebendo atravs das ps o movimento de rotao do impelidor, fica sujeito fora centrfuga que faz comque o lquido se desloque para a periferia do rotor causando uma baixa presso no centro o que faz com quemais lquido seja admitido na bomba. O fluido a alta velocidade (energia cintica elevada) lanado para aperiferia do impelidor onde o aumento progressivo da rea de escoamento faz com que a velocidade diminua,transformando energia cintica em energia de presso.

As bombas centrfugas caracterizam-se por operarem com vazes elevadas, presses moderadas e fluxocontnuo.

4.1 Fatores que influenciam as curvas caractersticas

Rotao do impelidor (n) ao alterar a rotao da bomba, a vazo, a altura manomtrica desenvolvida e apotncia absorvida variam de acordo com as relaes:

3

11

2

1111

=

==

n

n

P

P

n

n

H

H

n

n

Q

Q

Dimetro do impelidor (D) para as bombas geometricamente semelhantes, a variao de D estabelece asseguintes relaes:

31


32/99

5

2

1

2

1

2

2

1

2

1

3

2

1

2

1

=

=

=

D

D

P

P

D

D

H

H

D

D

Q

Q

quando a nica variao ocorre no dimetro do impelidor e se estas variaes so pequenas valem asseguintes relaes:

5

11

2

1111

=

== D

D

P

P

D

D

H

H

D

D

Q

Q

Natureza do fluido as curvas fornecidas pelos fabricantes referem-se operao com gua. Aooperar com fluidos mais viscosos, as curvas sofrem alterao no sentido de um aumento da potnciaabsorvida e uma reduo de H. a eficincia tambm sofre alterao.

Tamanho e idade da bomba bombas geometricamente semelhantes tambm so teoricamentesemelhantes. Numa srie de bombas semelhantes, as menores so menos eficientes devido o aumentorelativo das rugosidades e das folgas e imperfeies. A idade provoca desgastes nas bombas alterando assuas curvas caractersticas.

4.2 Altura Manomtrica do Sistema:Uma bomba instalada num determinado sistema para fornecer energia ao fluido de modo que ele possavencer uma srie de resistncias que se opem ao seu movimento ao longo do sistema.

A altura manomtrica total (AMT) que so as resistncias do sistema contra a qual a bomba deve operar, formada dos seguintes itens:

- Altura manomtrica esttica (diferena de altura).

- Altura manomtrica de presso (diferena de presso existente no lquido entre o ponto de suco e ode descarga.

- Altura manomtrica de velocidade;- Altura manomtrica de frico.

32


33/99

A AMT de um sistema ser calculada a partir da altura manomtrica de suco (hs) e da altura manomtrica dedescarga (hd).

aa

bb cc

ZZ

ZZdd

PPdd

PP

g

VVPPH bcbc

2

22 +

=

A altura manomtrica de suco hs a carga esttica de suco menos as perdas de carga para a vazo

considerada

33

fss

sbb

s hP

Zg

VPh +=+=

2

2

a

b

Z

PP


34/99

A altura manomtrica de descarga hd a altura manomtrica medida no bocal de descarga (a ser vencida pela

bomba).

fd

d

d

cc

d hP

Zg

VPh ++=+=

2

2

b c

Z

P

Altura manomtrica total a diferena entre as alturas manomtricas de descarga e suco, isto , representa

a energia que a bomba necessita suprir ao fluido para este vencer todas as resistncias do sistema.

Assim, para clculo da altura manomtrica total de um sistema, devemos considerar todos osfatores:

AMT = ZD ZS + PD PS + VD2 VS2 + hf

2g4.3 Curvas Caractersticas de uma Bomba Centrfuga:

Todas as bombas centrfugas, operando a uma dada velocidade e com um determinado fluido, admitem umasrie de curvas caractersticas, fornecidas pelos fabricantes, que descrevem seu funcionamento nas faixas devazes e alturas manomtricas para as quais foram projetadas. As curvas mais importantes so:

34


35/99

- Altura Manomtrica ( H ) x Vazo ( Q );

- Potncia Consumida ( P ) x Vazo ( Q );

- Rendimento Total ( ) x Vazo ( Q );

- NPSH requerido ( NPSH ) x Vazo ( Q ).

Obs.: - Se uma bomba opera com a descarga bloqueada, a potncia consumida no ser transferida ao lquidosob a forma de trabalho mas sim, sob a forma de calor causando o aquecimento e danos s partes mecnicasda bomba.

rendimento de uma bomba dado pela relao:

= a potncia cedida ao lquido/potncia recebida do motor.

A bomba deve ser projetada para trabalhar sempre prxima ao ponto de mxima eficincia. Se abomba trabalha continuamente com vazes muito abaixo da vazo de mxima eficincia, alm doelevado custo energtico, existe um desgaste mecnico que diminui a vida til do equipamento.

A potncia calculada em HP (horsepower) funo de diversos fatores, conforme mostrado na

frmula a seguir:POT = * Q * H 1

102 0,746Onde Q = vazo em m3/h;

H = altura manomtrica total em m;

= peso especfico do fluido bombeado em kgf/m3;

POT = potncia em HP;

102 = fator de converso = valor da eficincia em % (ex, se a eficincia de 80%, ento na frmula deve constar 80)

35


36/99

As curvas caractersticas so vlidas para uma dada bomba operando a uma velocidade fixa e com um rotor dedeterminado dimetro. Existem certas relaes, chamadas Relaes Caractersticas, que permitem prever oque ocorrer se forem modificados a velocidade ou o dimetro do rotor de uma certa bomba. So elas:

- Variao na rotao:

a vazo varia de modo diretamente proporcional;

a AMT varia proporcionalmente ao quadrado da rotao; a potncia consumida varia com o cubo da rotao.

- Variao no dimetro do rotor:

a vazo diretamente proporcional ao dimetro;

a AMT proporcional ao quadrado do dimetro;

a potncia consumida varia com o cubo do dimetro.

importante lembrar que as curvas caractersticas das bombas na maioria das vezes vm calculadas para gua

temperatura ambiente e limpa. No caso de se estar transportando outro lquido, necessrio corrigir ascurvas de acordo com a viscosidade do fluido, e a curva BHP x Q de acordo com o peso especfico.

4.4 Ponto timo de trabalho de uma bomba

O ponto de operao de uma bomba centrfuga definido como sendo a interseco da curva H x Q do sistemacom a curva H x Q da bomba. Portanto, o ponto de operao define a vazo no qual o sistema completo (vasos,tubulaes e bomba) vai operar.

Se plotarmos as curvas caractersticas da bomba e a curva do sistema em um mesmo grfico, obtermos oponto te trabalho nas intersees destas curvas.

A interseo da curva do sistema como a curva (H x Q da bomba) nos fornece Htrabalho e QTrabalho.

A interseo da curva (H x Q)Bomba com a curva ( x Q)Bomba nos fornece o Trabalho.

A interseo da curva (H x Q)Bomba com a curva (Pot x Q)Bomba nos fornece o PotTrabalho.

36


37/99

QT

PotT

HT

TH x Q sistema

x Q

Potx Q

H x Qbomba

Conforme ilustra a figura ao lado.

4.5 Saldo de Carga de Suco - Cavitao:

Deve-se Ter sempre em mente que, em operaes de bombeamento, a presso em qualquer ponto da linha desuco nunca deve ser menor que a presso de vapor P v do lquido bombeado na temperatura de trabalho,caso contrrio haveria vaporizao do lquido, com conseqente reduo da eficincia de bombeio. Neste caso,ocorreria cavitao no rotor da bomba pela imploso das bolhas de vapor. Este processo acompanhado porelevado nvel de rudo e vibrao, e violenta corroso das partes internas da bomba.

Deste modo, para evitar estes efeitos negativos, a energia disponvel para levar o fluido do reservatrio at obocal de suco da bomba dever ser a altura manomtrica de suco hs menos a presso de vapor (expressa

como coluna lquida) do lquido na temperatura de bombeio. Esta energia disponvel chamada Saldo de Cargade Suco (Net Positive Suction Head - NPSH) e calculada como segue:

NPSHD = ZS + PS + PATM PV + VS2 - hfS

2g

necessrio estabelecer uma diferena entre NPSH disponvel(NPSHD) e NPSH requerido (NPSHR); o primeiro caracterstica do sistema no qual a bomba opera, enquantoque o NPSH requerido funo da bomba em si,representando a energia mnima que deve existir entre acarga de suco e a presso de vapor do lquido para que abomba possa operar satisfatoriamente.

37


38/99

Tanto o NPSH disponvel quanto o requerido variam com a vazo do lquido; o NPSH disponvel reduzido com oaumento de vazo, devido ao aumento da perda de carga por atrito. O NPSH requerido, sendo funo davelocidade do fluido no interior da bomba, aumenta com a vazo. Pelo que foi dito acerca do NPSH disponvel erequerido, ficou claro que a bomba opera satisfatoriamente se:

NPSHD > NPSHR + 0,6 m4.6 Associao de bombas

As bombas so associadas em srie e paralelo. A associao de bombas em srie uma opo quando, paradada vazo desejada, a altura manomtrica do sistema muito elevada, acima dos limites alcanados por umanica bomba. J a associao em paralelo fundamentalmente utilizada quando a vazo desejada excede oslimites de capacidade das bombas adaptveis a um determinado sistema.

4.7 Principais aplicaes das bombas.

As bombas so usadas nos mais diversos ramos da industria. As bombas podem ser utilizadas para transportarlquidos quentes e frios, com slidos em suspenso ou no, tambm so usadas como bombas dosadoras emprocessos de controle onde estas adicionam mais ou menos constituintes de acordo com a operao as bombasesto visveis nos processos industriais e as bombas centrfugas, mais especificadamente , nas industriapetroqumica, devido a sua grande aplicabilidade. Sem as bombas, as industrias ficariam de braos cruzados

38

ASSOCIAOEM SRIE

Associao em Paralelo


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para poderem realizar suas operaes rotineiras, dependendo exclusivamente da ao da gravidade, que nemsempre possvel usar ou tecnicamente invivel.

Exerccios:1) Tendo em vista a seguinte situao descrita na tabela abaixo, escolha uma das bombas para operao

no sistema, ou sugira alteraes no sistema para fins de uma possvel utilizao de uma delas.

BOMBA AMT NPSH POTNCIA

A 80 m 2,0 m 5 HP

B 85 m 2,5 m 10 HP

C 90 m 3,0 m 15 HP

SISTEMA 83,5 m 3,2 m 11 HP

2) Um operador observa que uma das bombas do processo sob sua responsabilidade encontra-se emcavitao. O que pode ter sido alterado nesse processo ? Justifique luz da teoria sobre escoamento defluidos.

3) Descreva o que ocorrer com um processo caso a bomba nele instalada tenha o rotor substitudo por umoutro 25% maior.

4) Quando devem ser usadas bombas em srie ? E em paralelo ?

5) Explique o que poder acontecer, caso um sistema tenha a tubulao de descarga trocada de 3 para

4. O que vai ocorrer com a AMT e a potncia requerida ? Como isso afetar uma bomba atualmenteinstalada ?

39


40/99

55 TRANSMISSO DE CALORTRANSMISSO DE CALOR5.1 Introduo

Na maior parte dos processos qumicos h libertao ou absoro de calor e numa vastssima gama deinstalaes industriais h que se aquecer ou resfriar fluidos.

Assim, em fornos, evaporadores, unidades de destilao, secadores e reatores qumicos h a necessidade de setransmitir calor.

Alternativamente, pode ser necessrio evitar a perda do calor de um recipiente quente ou de uma tubulao

de vapor dgua.O controle do fluxo de calor na condio desejada constitui um captulo dos mais importantes das operaesunitrias.

A transferncia de calor a cincia que trata das taxas de troca de calor entre um corpo quente denominadofonte e um corpo frio denominado receptor.

Existem trs modos diferentes para a transmisso de calor de uma fonte para um receptor: conduo,conveco e radiao.

40


41/99

A transmisso de calor

foi descrita como

estudo das taxas de

troca de calor entre

fontes e receptores de

calor. Os processo detransmisso de calor

tratam sobre taxas de

troca da calor

medida que ocorrem

no equipamento de

transmisso de calor dos processo qumicos e da engenharia.Este tratamento focaliza melhor a importncia da diferena de temperatura entre a fonte e receptor, que ,

antes de mais nada, a fora motriz que rege a transmisso de calor.5.2 Transferncia de Calor por Conduo

Consideremos por exemplo um copo contendo leite at sua metade. Apesar de apenas a parte inferior do copoestar em contato direto com o leite, todo ele estar quente depois de decorridos alguns instantes.

Isto ocorre porque quando colocamos leite em contato com a parte interna do copo, esta adquire mais energiaem virtude do recebimento de calor do leite. Esta energia acrescentada faz com as partculas vibrem com maisintensidade, transmitindo a energia adicional s partculas mais prximas, que tambm passam a vibrar maisintensamente e assim sucessivamente.

CONDUOOPROCESSODETRANSMISSODECALORATRAVSDOQUALAENERGIAPASSADEPARTCULAPARAPARTCULASEMQUEASMESMASSEJAMDESLOCADAS.

41


42/99

5.3 Conduo atravs de uma parede plana

Na conduo ocorre a transmisso de calor atravs de um material fixo tal como a parede esttica indicada nafigura abaixo.

O fluxo de calor por hora proporcional variao de temperatura atravs da parede plana e rea da paredeA. Se T fora temperatura em qualquer parte da parede e x for a espessura da parede na direo do fluxo decalor, quantidade de calor, quantidade de calor que flui ser dada por:

x

TTkAQ

)(12

=

k a constante de proporcionalidade, uma propriedade de transporte denominada condutividade trmica, e determinada experimentalmente.

As condutividades trmica dos slidos so muito maiores que as dos lquidos, que, so muito maiores que asdos gases. mais fcil transmitir calor atravs de um slido do que atravs de um lquido e a que no gs.

42

Face QuenteFace Fria


43/99

Alguns slidos, tais como, os metais, possuem condutividades trmicas elevadas e denominam-se condutores.Outros possuem baixas condutividades e so pobres condutores de calor; este so isolantes.

5.4 Conduo atravs de uma parede mista

Quando a parede consiste de diversos materiais colocados juntos em srie com na construo de um forno ouna cmara de combusto de uma caldeira. Diversos tipos de tijolos refratrios so normalmente empregados,so mais frgeis e caros do que aqueles necessrios nasproximidades da superfcie externa, onde as temperaturas so

consideravelmente mais baixas.Fluxo de calor que entra pela face esquerda deve ser igual ao fluxode calor que deixa a face direita, uma vez que o estadopermanente exclui a possibilidade de acmulo do calor.

43

++==

3

3

2

2

1

1

41 1

kx

kx

kxA

TTR

TQ

3

3

2

2

1

1

RT

RT

RT

RTQ

====


44/99

Assim a taxa transferncia de calor de: KbxbKaxaTT

AQ//

)( 12+

=

5.5 Conduo atravs de um tubo

As condies de transferncia de calor atravs de um tubo de parede espessa, quando se mantm, constantes

as temperaturas no interior e no exterior, esto representadas.

O fluxo de calor dado por:

44

=1

2

21

ln2

rr

TT

lrkQ


45/99

em que l o comprimento do tubo.

5.6 Transferncia de Calor por Conveco

Voc j se perguntou por que numa sala de sauna o ar mais quente est na regio de cima, embora a fonte decalor esteja na parte de baixo? O que ocasiona este fato?

Ar mais prximo da fonte de calor se aquece primeiramente ficando menos denso que o restante. Ento elesobe e o ar de cima, por estar maisfrio e portanto, mais denso, desce,ocorrendo a troca de posio entreeles.

Assim, o calor est sendo transmitidoa toda a massa de ar, devido aomovimento das massas de ar quentee frio. A esse movimento d-se onome de CONVECO.

Inversamente a sauna, o arcondicionado operam retirando calorde um ambiente. Porm eles causammelhor efeito quando colocados naparte superior da sala, porque destaforma provocam a conveco do ar,com a descida do ar frio e a subida do ar quente.

Algumas aplicaes da conveco:

45


46/99

Num refrigerador, o congelador fica localizado na parte superior, pois o ar em contato com o mesmo sofre umresfriamento, provocando a subida do ar menos denso, formando assim correntes de conveco.

A retirada de gases residuais da combusto, pelas chamins, resultado das correntes de conveco.

A formao de brisas nas regies litorneas em parte se deve ao fato de o calor especfico da areia ser bemmenor que o da gua. Durante o dia a areia se aquece mais rapidamente que a gua, o ar acima da areia seexpande, torna-se menos denso, sobe e substitudo pelo ar frio do mar, provocando portanto correntes deconveco. De noite o processo de inverte.A transmisso de calor por conveco devida ao movimento do fluido. O fluido frio adjacente a uma superfciequente recebe calor, o qual transmitido para todo o volume do fluido frio misturando-se com ele.

A conveco livre ou natural ocorre quando o movimento do fluido frio no incrementado por agitaomecnica. Porm, quando o fluido for agitado mecanicamente, o calor ser transmitido por conveco forada.

Este tipo de transmisso de calor pode ser descrito por uma equao que emita a forma da equao daconduo e dada por

A constante de proporcionalidade h um termo que influenciado pela natureza da agitao e deve seravaliada experimentalmente. Esta constante denomina-se coeficiente de pelcula. Temos ainda que T s atemperatura uniforme da superfcie e T a temperatura do fluido que escoa sobre a superfcie. Esta equao chamada de Lei de Newton do Resfriamento. Os seguintes fatores interferem no coeficiente de pelcula:

Viscosidade do fluido o seu aumento reduz o valor de h

Vazo do fluido o seu aumento aumenta o valor de h

Massa especfica do fluido o seu aumento aumenta o valor de h

Calor especfico do fluido o seu aumento aumenta o valor de h

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( )= TTAhQ S


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47


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48


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5.7 Aplicao associada de conduo e conveco

Na conduo de calor numa parede plana, a temperatura uma funo exclusiva da coordenada x e o calor setransfere somente nesta direo. Na figura abaixo (a), uma parede plana separa dois fluidos em temperaturasdiferentes. A transferncia de calor ocorre por conveco do fluido quente a T,1 para uma face da parede a Ts,1,por conduo atravs da parede, e por conveco da outra face da parede a

Ts,2 para o fluido frio a T,2 .

A representao mediante circuitos eltricos proporciona um instrumento tilpara conceituar e quantificar os problemas de transferncia de calor. A taxade transferncia de calor definida a partir de cada elemento do circuito, isto

49

AhkA

L

Ah

Rtot21

11++=

44

342312

11

4,1,

21

2)/ln(

2)/ln(

2)/ln(

21

LhrLkrr

Lkrr

Lkrr

Lhr

TTq

CBA

r

++++

=

tot

xR

TTq

2,1, =


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5.8 Transferncia de calor em Aletas

Embora existam muitas situaes diferentes que envolvem os efeitos combinados da conduo e da conveco,a aplicao mais freqente aquela na qual uma aleta usada especificadamente para aumentar a taxa detransferncia de calor entre um slido e o fluido adjacente.

So exemplos as aletas de resfriamento dos cabeotes de motores de motocicletas e de aparadores de grama,o dos tubos aletados que se usam para promover troca de calor entre o ar e o fluido de operao de umacondicionador de ar. A figura abaixo mostra duas montagens comuns de tubos aletados.

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Numa certa aplicao, a escolha deuma configurao particular dealetas pode depender deconsideraes de espao, peso, afabricao e o custo, e tambm da

medida em que as aletas reduzem ocoeficiente de conveco dasuperfcie e aumenta a perda decarga associada ao escoamentosobre elas. Essas so algumasdesvantagens associadas ao seuuso em trocadores de calor.

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5.9 Transferncia de calor por Radiao

A terra recebe energia emitida pelo sol, que passa pelo vcuo aquecendo-a.

Essa energia, que no necessita de meio

para se propagar, chama-se energia radiante.

A transmisso da energia radiante feita

atravs de ondas eletromagnticas que se

propagam no vcuo com a velocidade de 300.000

km/s.

Corpo que emite a energia radiante

chamado de emissor ou radiador, o que recebe,

receptor. As ondas eletromagnticas so formadaspor diversas ondas de freqncia diferentes,

chamadas de radiao. As mais comuns so:

Raios csmicosRaios Raios XRaios UltravioletaLuz visvel

Raios infravermelhosMicroondasOndas de rdio e TV

52

Freq

nc

ias

De

cresce

nt

es

Das ondas eletromagnticas, as que se transforma mais facilmenteem calor quando absorvidas so as infravermelhas, tambmchamadas de ondas de calor.


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A radiao encarada como um fenmeno inerente somente a corpos quentes, luminosos. Vemos que no bem assim, a radiao um terceiro mecanismo de transmisso de calor, que difere da conduo e conveco.Ambos os mecanismos necessitam da presena de um meio para conduzir o calor de uma fonte para umreceptor. A transmisso de calor por radiao no necessita de um meio intermedirio, e o calor pode sertransmitido por radiao atravs do vcuo.

A radiao envolve transmisso da energia radiante de uma fonte para um receptor. Quando radiao emanade uma fonte para um receptor, uma parte da energia absorvida e outra parte refletida pelo receptor. Combase na 2 lei da termodinmica, verifica-se que a taxa de produo de uma fonte dada por

Esta relao conhecida como a lei da quarta potncia, na qual T a temperatura absoluta. a constantede Stefan-Boltzmann, porm um fator peculiar a cada radiao e denomina-se emissividade. Aemissividade, assim como a condutividade trmica k ou o coeficiente de transmisso de calor h, tambm deve

ser determinada experimentalmente.Na radiao, necessrio qualificar a condio sob a qual toda a radiao proveniente da fonte completamente recebida pelo receptor. Isto ocorrer quando dois planos radiante forem infinitamente grandes,de modo que a quantidade de radiao emitida pelas partes laterais da fonte e atinge as partes laterais doreceptor seja insignificante. Se ambas as placas os planos forem corpos negros, a quantidade de calortransferida ser:

onde o corpo negro uma superfcie ideal que tem como propriedades absorver toda radiao incidente,

independentemente do comprimento de onda e da direo.

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4ATQ =

)(4

2

4

1 TTAQ =


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Caso os dois planos no sejam corpos negros e possuam emissividade diferentes, a troca de energia lquidaser diferente. Alguma energia emitida pelo primeiro plano ser absorvida, e a restante ser irradiada de voltapara a fonte, ento, a quantidade de calor transferida ser:

5.10 Trocadores de Calor

Os processos de troca trmica entre dois fluidos em diferentes temperaturas, e separados por uma fronteiraslida, um processo comum em muitas aplicaes da engenharia. O dispositivo usado para corporificar estatroca o trocador de calor, que tem aplicaes especficas no aquecimento e no resfriamento de ambientes,no condicionamento de ar, na produo de energia, recuperao de calor e no processamento qumico.

Os trocadores ou permutadores de calor do tipo tubular constituem o grosso do equipamento de transferncia

de calor com ausncia de chama, nas instalaes de processos qumicos.O equipamento de transferncia de calor pode ser identificado pelo tipo ou pela funo. Quase todo tipo deunidade pode ser usado para efetuar qualquer ou todas estas funes. Abaixo, a tabela mostras as principaisdefinies dos equipamento de troca trmica.

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)(111 4

2

4

1

1

21

TTQ

+=


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55


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Os principais tipos de trocadores de calormultitubulares so:

Permutadores com espelho flutuante. Tipo AES (a)

Permutadores com espelho fixo. Tipo BEM (b), otipo mais usado que qualquer outro.

Permutadores com cabeote flutuante e gaxetaexterna. Tipo AEP (c)

Permutadores de calor com tubo em U. Tipo CFU(d)

Permutadores do tipo refervedor com espelhoflutuante e removvel pelo carretel. Tipo AKT (e)

Permutadores com cabeotes e tampasremovveis. Tipo AJW (f)

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57


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Outros tipos de trocadores de calor para lquidos e gases so :

Tubos duplo so sustados a muito temo, principalmente quando as velocidades de fluxo so baixas e as faixasde temperaturas so altas. Estes segmentos de tubos duplos so bem adaptados ao pequeno dimetro, poispossibilitam o uso de pequenos flanges de sees com paredes delgadas, em comparao com o equipamentoconvencional multitubulado.

Trocadores com raspagem interna - este tipo de trocador tem um elemento rotativo munido de lminasraspadoras montadas em molas, para raspagem da superfcie interna. Os trocadores com raspagem internaso essencialmente convenientes para a transferncia de calor com cristalizao, ou transferncia de calor emcondies de pesada incrustaes das superfcies; ou a transferncia de calor em fluidos muitos viscosos. Sousados, para cristalizao, nas fbricas de parafina e nas fbricas petroqumicas.

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Permutador do tipo placa consiste em placas que servem como superfcies de transferncia de calor e de umaarmao que as suporta. As chapas so facilmente limpas e substitudas. A rea necessria pode ser atingidapela adio ou subtrao de chapas.

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5.11 Dimensionamento Trmico de Trocadores de Calor

Uma diferena de temperatura cria a fora motriz que determina a transmisso de calor de uma fonte a umreceptor. Sua influncia sobre um sistema de transmisso de calor, incluindo tanto como um receptor, oobjeto para o nosso estudo.

Os tubos concntricos, mostrados abaixo, conduzem duas correntes, e, em cada uma destas duas, existe umcoeficiente de pelcula particular, e suas respectivas temperaturas variam da entrada para a sada. O

escoamento em contracorrente possibilita a manuteno de gradientes trmicos ao longo de todo o trocador,sendo assim mais eficiente.

A fim de estabelecer a diferena de temperatura entre uma dada temperatura geral T de um fluido quente euma temperatura t de um fluido frio, necessrio levar em considerao tambm todas as resistncias entre astemperaturas. No caso de dois tubos concntricos, sendo o tubo interno muito fino, as resistncias encontradas

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01

11

hk

L

hR

m

m ++=


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so resistncias peculiar do fluido do tubo, a resistncia da parede do tubo L m/km, e a resistncia peculiar dofluido na parede anular. Uma vez que Q igual a t/ R

costume substituir 1/U por R onde U denomina-se coeficiente total de transmisso de calor. Levando-se emconta que um tubo real possui reas diferentes em suas superfcies interna e externa, hi e ho devem-se referir mesma rea de transmisso de calor. Se a rea externa A do tubo interno for usada, ento hi deveria possuir seele fosse originalmente calculado com base na rea maior A em vez de Ai, ento

Considerando um sistema contracorrente temos, geralmente ambos os fluidos sofrem variaes de temperaturaque no so lineares quando as temperaturas so plotadas contra o comprimento. Entretanto, existe umavantagem para uma deduo baseada numa curva de T t contra L, uma vez que ela permita identificao dadiferena de temperatura em qualquer parte ao longo do comprimento do tubo. Para deduo da diferena detemperatura entre dois fluxos, as seguintes hipteses devem ser feitas:o coeficiente total de transmisso de calor constante em todo o comprimento da trajetria,

o calor especfico constante em todos os pontosda trajetria,

no existem mudanas de fase parciais no sistemae

as perdas de calor so desprezveis; ento

A equao geral de transferncia de calor fica,ento:

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mlTAUQ =

( ) ( )

=

==

1

2

12

12

21

1221

lnlnt

t

tt

tT

tT

tTtTMLTDT

ml

0

111

hA

AhU ii

+=


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Exerccios:

1) Uma face de uma placa de cobre de 3 cm deespessura mantida a 400C e a outra face mantida a 100C. Qual a taxa detransferncia de calor por m2 atravs daplaca ? Dados : Kcobre = 370 W/m C a 250C

.2) Uma parede composta formada por uma

placa de cobre de 2,5 cm, uma camada deamianto de 3,2 mm e uma de fibra de vidrode 5 cm. A parede submetida diferenade temperatura de 560C. Calcule a taxa decalor por unidade de rea da parede. Dados:Kcobre = 370 W m 1 C 1 Kamianto = 0,161 W m 1 C 1 Kfibra = 0,048 W m 1 C 1 .

3) Um tubo de ao de 5 cm de dimetro externo

coberto com 6,4 mm de amianto, seguidode uma camada de 2,5 cm de fibra de vidro.A temperatura da parede do tubo 315C, ea temperatura externa do isolamento 38C.Calcule a temperatura da interface entre oamianto e a fibra de vidro. Dados: Kamianto= 0,166 W m 1 C 1 , K fibra vidro =0,048 W m 1 C 1 .

4) Uma parede plana est exposta a umatemperatura ambiente de 200F (ver figura

abaixo). A parede est coberta com uma finacamada de isolante , cuja condutividadetrmica de 0,3 Btu h 1 ft 1 F 1 e atemperatura da parede em contato com o

isolante de 800F. A parede perde calorpara o meio ambiente por conveco. Calculeo valor da espessura de isolante que deve seraplicada,

sabendo que o coeficiente depelcula que deve ser mantido na

superfcie externa do isolante deve serde 15 Btu h-1 ft-2 F-1 e que a temperaturaexterna do isolante no deve exceder a140F.

P

A

R ISOLANTE

E

D

E

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5) Diferencie os mecanismos de

transmisso de calor por conduo e

conveco, quanto eficcia.

6) Uma fonte radiante atravessa duas placas de

mesma emissividade. Em um dado momento,

uma das placas trocada por outra de maioremissividade. O que ocorrer com a taxa de

transmisso de calor ?

7) Defina coeficiente de pelcula. Como este

afetado pelas variveis do sistema ?

8) Aponte as desvantagens relativas ao uso

de aletas em trocadores de calor.

9) Entre dois trocadores de calor, comcorrentes em paralelo e conjugadas, qual

voc escolheria ? Justifique sua resposta.

10) Dadas as seguintes condies

existentes em um trocador de calor: TEFF= 20oC, TSFF = 47oC, TEFQ = 80oC, TSFQ =

50oC, determine o valor da Tml .

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66 DESTILAODESTILAO

A destilao como opo de um processo unitrio deseparao, vem sendo utilizado pela humanidadedesde o perodo que passa pela era dos antigosalquimistas.

O que, como, quando e porque podemos utilizar estaoperao objeto de intenso estudo.

O enfoque do processo de destilao centrado nabusca pela eficincia e consequentemente reduode energia.

objetivo desta parte da disciplina, capacitarestudantes do curso de qumica, nos processosprodutivos de unidades purificadoras, atravs domelhor entendimento dos fenmenos observados.

6.1 Principais Definies

Temperatura de ebulio: temperatura na qual, auma determinada presso, uma substnciaexperimenta uma mudana do estado lquido para oestado vapor.

Temperatura de ponto de bolha: temperatura naqual uma determinada mistura lquida apresenta aformao da 1 bolha de vapor.

Temperatura de ponto orvalho: temperatura na qualuma determinada mistura gasosa apresenta aformao da 1 gota de lquido.

* Obs: no caso de componentes puros o ponto debolha coincide com o ponto de ebulio e o ponto de

orvalho com o ponto de condensao.

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Presso Parcial: a presso parcial de um gs numrecipiente contendo uma mistura gasosa definidacomo a presso que esse gs exerceria se estivessesozinho no recipiente.

Presso de vapor: suponha um lquido numrecipiente fechado. As molculas do lquido estoem constante agitao e aquelas que seencontrarem na superfcie livre tem um tendncianatural de escaparem da fase lquida, formando umafase vapor. Quando este fenmeno ocorre, umestado de equilbrio atingido, e, a presso exercidapelo vapor formado chamada de presso de vapordo lquido a temperatura T, desde que atemperatura seja mantida constante.

Vcuo: ocorre quando a presso de um determinadomeio menor que a presso externa a ele.(geralmente essa presso externa a atmosfrica,ou seja 1 atm).

Calor: a energia trmica em trnsito, que transferida entre os corpos, a diferentestemperaturas.

Calor latente: o calor envolvido na mudana deestado fsico numa dada presso sem alterar atemperatura de uma unidade do fluido.

Calor sensvel: o calor responsvel peloaquecimento ou resfriamento de uma dada massade fluido.

Estado gasoso: observado quando existe uma baixaatrao intermolecular, permitindo movimentaorpida e independente entre as molculas.

Estado lquido:caracterizado por possuir um estadointermedirio de interao molecular, entre o gs eum slido.

Estado slido: alta interao entre suas molculas eforma definida.

Vapor saturado: o vapor que em determinadas

condies de temperatura e presso se encontracom sua fase lquida, o chamando equilbrio lquido-vapor.

Vapor superaquecido: o vapor saturado seco forada fase de equilbrio, estando numa temperaturasuperior a temperatura de saturao (ebulio).

Lquido saturado: o lquido que em certascondies de presso e temperatura se encontra emequilbrio com a sua fase vapor.

Lquido subresfriado: o lquido que sob certascondies de presso se encontra fora da fase deequilbrio estando numa temperatura de saturao.

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Equilbrio lquido-vapor (ELV): uma mistura lquidaest em equilbrio com seu vapor quando o n demolculas do estado lquido que passa para o vapor igual ao n de molculas do estado vapor quepassa para o lquido.

Entalpia: o calor absorvido ou liberado a presso

constante. Como entalpia uma funo de estado,seu valor depende somente do contedo de calordos estado inicial e final.

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Mudana de FaseMudana de Fase

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6.2 Destilao - Conceitos

Conceito: uma operao que visa separar oscomponentes de uma fase lquida atravs de suavaporizao parcial. Os vapores so mais ricos noscomponentes mais volteis do que no liquido, o quepossibilita a separao de fraes enriquecidas noscomponentes desejados.

Este processo de separa de lquidos uma das

operaes bsicas mais importantes da indstria ,que possibilita separa os componentes de umamistura lquida na forma de substncias puras.

Processo: as operaes de destilao realizam-se emestgios nos quais duas correntes (um lquido e umvapor) entram em contato para produzir duas outrascorrente cujas composies diferem das originais.

De um modo geral, o vapor que sai de um estgioacha-se enriquecido nos componente mais volteis.O lquido por sua vez, sai com menor quantidade devolteis do que o lquido alimentado.

6.3 Curvas de Equilbrio

Os clculos de destilao ficam mais simples quandoos dados de equilbrio so postos numa curva y vs x,denominada curva de equilbrio, onde y a fraomolar na fase vapor e x e a frao molar na faselquida.

Podemos tambm utilizar a curva de equilbrio noprocesso de destilao para determinar as condiesde equilbrio para cada prato.

Um dos mtodos para calcular o n de pratos

tericos necessrios para realizar a separao, ode McCabe-Thiele.

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6.4 Parmetros importantes

Azeotropia: propriedade na qual o lquido emebulio de uma mistura, forma um vapor que temexatamente a mesma composio, portanto nopodendo separa os componentes desta misturacomo o ponto de ebulio determinado:

azetropo de mnimo ponto de ebulio : ocorrequando o azetropo formado tem um ponto de

ebulio menor que os dos componentesseparadamente.

azetropo de mximo ponto de ebulio : ocorrequando o azetropo formado tem um ponto deebulio maior que os dos componentesseparadamente.

Volatilidade: um parmetro que indica a maior oumenor tendncia de uma substncia passar doestado lquido para o vapor. Portanto, quanto maiosa presso de vapor de uma substncia maior suavolatilidade, pois maior ser a tendncia de suamolculas passarem do estado lquido para o estadovapor.

volatilidade relativa : definida como a razo davolatilidade entre dois componentes.

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6.5 Tipos de Destilao

Uma destilao pode ser conduzida de umavariedade de modos, cada um dos quais apresentavantagem e desvantagens numa determinadasituao particular. Observa-se, todavia, que osdiversos modos de operar so modificaes dosseguintes mtodos que podem ser consideradosfundamentais:

diferencial

de equilbrio (FLASH)

por arraste de vapor

fracionada

extrativa

azeotrpica

6.5.1Destilao Diferencial

Esta operao tambm conhecida como destilaoRayleigh ou simples, descontnua. A carga colocada no fervedor e aquecida at suatemperatura de ebulio. Imediatamente depoisvapor formado atravs de um condensador. Tanto ovapor, que se encontra enriquecido no componentemais leve , como o lquido do refervedor podem sero produto da operao.

A aparelhagem utilizada consta de um refervedorque vai vaporizando a carga, e de um condensador.No laboratrio

esta operao realizada num balo de vidro depescoo curto no qual adaptado o condensador.

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6.5.2Destilao de Equilbrio

tambm chamada de destilao FLASH, podendoser realizada em batelada ou em operao contnua.Este segundo modo de operar mais freqente.

A alimentao lquida pr-aquecida alimentadanum tanque de expanso, no qual uma parte dolquido vaporiza. O vapor produzido e o lquido novaporizado so retirado continuamente do tanquelogo que se forma.

Vrias unidades do tipo descrito podero serutilizadas em srie, de modo a ser realizadaoperao multiestgio a fim de aumentar aflexibilidade deste tipo de operao.

6.5.3Destilao por arraste

um mtodo variante de destilao simples,consiste em injetar vapor vivo no fervedor em vezde realizar o aquecimento atravs de um trocador.

O vapor que sai da mistura arrastapreferencialmente o componente mais voltil.

Este mtodo bastante comum, sendo conhecidotambm pelo nome de destilao com vapor.

Seu maior emprego a vaporizao de misturascom caractersticas desfavorveis de transfernciada calor ou de lquidos que se decompem quandodestilados normalmente presso atmosfrica.

utilizada para misturas lquidas insolveis nosolvente.

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6.5.4Destilao Fracionada

As operaes at agora descritas propiciam pouco

enriquecimento do vapor produzido.Na destilao fracionada opera-se com vaporizaese condensaes sucessivas num equipamento demenor custo, conhecido como coluna defracionamento.

S poder ser utilizada quando os componentes damistura tiver pontos de ebulio bem diferentes.

As colunas de fracionamento podem ser:

pratos

recheio

Este tipo de destilao pode ser efetuada embatelada ou continuamente.

6.5.4.1Torres de Pratos

O contato lquido-vapor feito em estgios, isto , ovapor entra em contato com o lquido a intervalosdeterminados.

Tipos de Pratos:

perfurados

valvulados

Zonas de uma coluna:

zona de stripping ou esgotamento : so estgios nosquais a concentrao de componentes menosvolteis esto na

corrente lquida, de maneira geral, a zona destripping encontra-se abaixo do ponto dealimentao.

Zona de retificao ou enriquecimento : so estgiosnos quais a concentrao dos componentes maisvolteis esto na fase vapor, normalmente esta zonaencontra-se acima do prato de alimentao.

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6.5.4.1.1 Tipos de Fluxo em uma Bandeja

O fluxo em uma bandeja admite dos regimesdiferentes: regime com formao de spray eformao de espuma.

Do ponto de vista do fluxo sob a bandeja, podemoster:

fluxo cruzado : o lquido entra por um dos lados doprato, percorre- e desce para o prato inferior pelooutro lado.

fluxo dividido : usado em torres de grandedimetro, o lquido entra no centro e flui paraextremidades, de onde cai para o prato inferior,onde o fluxo ser das extremidades para o centro.

fluxo radial : proporciona boa distribuio, sendoutilizvel em torres grandes; sua desvantagem oalto custo inicial

fluxo cascata : usado em torres de grandedimetro, a fim de evitar o grande gradiente dealtura de lquido, que seria prejudicial aofracionamento, constri-se o prato em degraus,evitando grandes variaes de nvel.

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6.5.4.2 Coluna de Recheio

Torre de recheio: o contato entre o lquido-vapor

contnuo, ou seja, ao longo de todo equipamentono h espao em que no haja o contato.

As colunas recheadas so preferidas nas operaesem que colunas de dimetros relativamentepequenos, inferiores a 500 mm, so suficientes paraoperar com a vazes desejadas de lquidos, ou noscasos em que se exige baixas quedas de presso.

A transferncia de massa entre as fases promovidapelo recheio, o qual tem funo de aumentar asuperfcie interna de uma coluna, permitindo oaumento de contato entre a fase lquida e gasosa.

A eficincia de uma coluna associada do recheio,no qual se procura associar as seguintescaractersticas: rea superficial versus volume.

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6.5.4.2.1 Tipos de Recheio

Existe um grande nmero de tipos de recheios no

mercado mundial, mas apenas um pequeno grupo efetivamente usado. Os recheios podem serclassificados basicamente em dois grupos:

Randmicos: contitudos de peas de no mximo 90mm, que so colocados ao acaso no leito parapermitir uma distribuio desarrumada de seuselementos.

Aneis de raschig

Selas de Berl

Selas IntaloxAnis de Pall

IMTP

Recheios Estruturados: so todos que podem sercolocados na torre de uma forma ordenada ou

arrumada, sendo, por isto, muitas vezes, tambmchamado ordenados ou arrumados.

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6.5.4.3 Acessrios

Condensadores: o equipamento destinado apromover o refluxo atravs da coluna.

Condensador parcial: implicar sempre nacaracterizao da corrente de refluxo na condio delquido saturado.

Condensador total: do ponto de vista dacaracterizao da corrente de refluxo e produto ocondensador total ser dimensionado com o objetivode obter um lquido saturado ou subresfriado.

Refervedor: a fonte de energia utilizada paraproporcionar a transferncia de massa normalmente fornecida por refervedor. Os tipos mais

comuns so os refervedores termosifo que podemser verticais ou horizontais, os de circulao foradae os kettle (chaleiras).

Demister: consiste em um dispositivo utilizado notopo de um equipamento e com o objetivo de retergotculas arrastadas pelo vapor, aglutinando asgotculas tornando-as maiores e mais pesadas,permitindo, assim, o seu retorno, por aao dagravidade, para o sistema.

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6.6 Problemas freqentes em torres dedestilao

Inundao (flooding): a excessiva acumulao de

lquido em uma coluna, sendo que, para colunas debandejas, essa ocorrncia normalmentecaracterizada segundo os itens abaixo:

Spray entre as bandejas: ocorre quando a taxa delquido baixa, permitindo que o vapor pulverize ofilme lquido nas bandejas.

Formao de espuma entre as bandejas: ocorrequando a taxa de lquido alta, associada comaumento da vazo de vapor. Aumenta-se assim onvel da espuma entre as bandejas.

Retorno pelo vertedouro.

Estrangulamento de lquido.

Nvel alto: problemas de eficincia de destilao soassociados a esse fato em funo de possibilidadede afogamento de bandejas ou baixa alimentao devapor. So possveis causas desse problema oexcesso de vazo de refluxo ou reduo na vazo devapor no refervedor.

Pratos secos: ocorre em funo de deficincia nocontrole de vazo de alimentao ou refluxo ouainda em alguns casos durante a partida pelo FLASHdo lquido de alimentao. A principal conseqncia a perda de perfil da coluna, possibilitando oaumento de pesados no produto destilado.

Falha no sistema de condensador de topo:acarretar no aumento de presso da coluna,elevando assim a sua temperatura. O aumento detemperatura e presso da coluna modificar sempreo seu perfil de separao, provocando aumento de

pesados no topo. Suas possveis causas so oresfriamento deficiente por baixa vazo de gua oupor entupimento dos tubos do condensador.

Falha no sistema de refervedor: em funo deplug

36748305 apostila de operacoes unitarias integral[1]

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