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TA 631 – OPERAÇÕES UNITÁRIAS TA 631 – OPERAÇÕES UNITÁRIAS II
(Transferência de quantidade de movimento)
Aula 01: 01/03/2012Introdução às operações unitárias. Conceito de
transferência de impulso. Classificação das operações de transferência de impulso.
1
Objetivos da disciplinaObjetivos da disciplina
Capacitar o aluno a resolver problemas de dimensionamento de equipamentos na indústria de alimentos (exceto aqueles envolvendo transporte de calor e massa).
Estudar as operações unitárias de transporte, mistura, separação e redução de tamanho de partículas de fluidos e sólidos.
Possibilitar que o aluno discuta criticamente as operações unitárias estudadas.
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IntroduçãoIntrodução
1.Dimensionamento da instalação industrial: desenho, dimensionamento e construção.
2.Operação: supervisão, manutenção e otimização.
3.Administração, logística, vendas e planejamento.
4.Pesquisa: básica ou aplicada para o desenvolvimento de produtos e processos.
Geralmente, o engenheiro atua em quatro campos:
3
O que o engenheiro faz?O que o engenheiro faz?
• Seleciona o tipo de equipamento adequado
• Dimensiona os equipamentos
• Calcula o tempo de processamento
• Elabora os balanços de massa e energia da operação
• Calcula os custos do investimento necessário
• Calcula os custos operacionais
• Avalia o desempenho do processo4
Aplicação da Física e da Química
• Estrutura física da matéria
• Composição química dos materiais
• Leis da mecânica
• Transferência de massa e energia
• Modelagem matemática e simulação dos fenômenos físicos
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Projetos x Experimentação
• Testar modelos (escala laboratorial) e protótipos (escala maior) até chegar na escala industrial.
• Regular o funcionamento de sistemas
• Medir variáveis físicas em processos
6ºC atm
Projetos
• Por semelhança:
respeitam-se as restrições geométrica, cinemática e dinâmica na mudança de escala (modelos, protótipos e escala industrial)
• Por coeficiente de transferência:
respeitam-se as leis da conservação de massa, momentum e energia no volume de controle (balanços macroscópicos).
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Setores de atuação do engenheiro
• Indústrias
• Instituições públicas e privadas
• Empresas de consultoria e assessoria
• Instituições de ensino e pesquisa
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Qualidades do profissional de engenharia
• Formação básica multidisciplinar• Raciocínio analítico• Estudo continuado• Conhecimento sistêmico• Conhecimentos gerais• Participação social• Capacidade de síntese
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Relações humanas
• O Engenheiro emprega boa parte do tempo se relacionando com pessoas.
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Trabalho em equipe Trabalho em equipe (o engenheiro não trabalha sozinho)(o engenheiro não trabalha sozinho)
• Respeito aos colegas• Capacidade de expor e discutir idéias• Renúncia de idéias ultrapassadas• A pessoa progride:
–pelo que sabe;
–pelo que produz;
–pelo que pratica.
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Aperfeiçoamento contínuo
• Atualização: livros, revistas técnicas e científicas, seminários, congressos, feiras industriais
• Diploma = ponto de partida
• Especializações e pós-graduação lato sensu
• Pós-graduação stricto sensu: Mestrado e Doutorado
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Ética profissional
• Responsabilidade na e com a organização local, com a humanidade e com a vida.
• A Ética deve ser a base sobre a qual é estabelecido o comportamento do profissional perante a sociedade, o empregador e o cliente.
• A formação do Engenheiro tem um custo social que deve ser resgatado através de sua atuação consciente na sociedade, ou seja, a sociedade deve se beneficiar do trabalho do Engenheiro.
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A industrialização dos produtos agrícolas, A industrialização dos produtos agrícolas, pecuários e pesqueiros tem por objetivo:pecuários e pesqueiros tem por objetivo:
• Facilitar o manuseio e o transporte
• Aumentar a vida de prateleira
• Melhorar algumas qualidades:toxicidade, sabor, textura, aparência e valor nutritivo
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Campo de atuação da engenharia de alimentos
Recursos naturais
Produção agropecuária
Pré-processamento
Industrialização
TransporteArmazenamentoComercialização
Alimento processado para consumoAlimento processado para consumo
Produtos do campoProdutos do campo
Matéria primas agrícolasMatéria primas agrícolas
Produtos alimentíciosProdutos alimentícios
RECURSOS RECURSOS TECNOLÓGICOSTECNOLÓGICOS
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Três enfoques para o estudo dos processamentos industriais
1. Estudar a tecnologiatecnologia de um certo tipo de indústria, por exemplo: indústria cervejeira, laticínios, indústria
açucareira, pastifícios, entre outros.
2. Estudar as operações usuais operações usuais a muitos tipos de indústria, por exemplo: evaporação, refrigeração,
extrusão, extração, centrifugação, etc.
3. Estudar os fenômenos de transferência fenômenos de transferência de quantidade de momentum, calor e massa.
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As operações unitárias e os princípios de transferência
Força ou Força ou fluxo por fluxo por
unidade de unidade de superfíciesuperfície
=Coeficiente Coeficiente
de de transferênciatransferência
Gradiente Gradiente de de
potencialpotencialx
FluxoFluxoGradienteGradiente
MomentumMomentumVelocidadeVelocidade
CalorCalor
MassaMassa
TemperaturaTemperatura
Concentração, potencial químicoConcentração, potencial químico
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Tecnologia de Tecnologia de alimentosalimentos
=
Processos Processos unitáriosunitários
Mudanças Mudanças químicas, químicas, biológicas e biológicas e microbiológicasmicrobiológicas
Operações Operações unitáriasunitárias
MudançasMudanças físicasfísicas
+
Tendo em vista a imensa quantidade de equipamentos industriais existentes no mercado e sua equivalência funcional, a única maneira possível de entender o funcionamento dos mesmos é pelo critério de operações unitáriasoperações unitárias.
Engenharia
Ciência
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Fluido é um meio que se deforma continuamente quando sujeito a uma tensão.
yv
A
Ft
Uma camada de fluido desliza sobre a outra. Existe atrito entre as camadas de fluido. A razão entre a tensão aplicada e a taxa de deformação é a viscosidade do fluido.
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ObjetivoObjetivoMateriaisMateriais
TransporteTransporte MisturaMistura SeparaçãoSeparaçãoModificação Modificação de tamanhode tamanho
Fluidos Fluidos (líquidos e (líquidos e
gases)gases)
BombeamentoBombeamentoVentilaçãoVentilação
CompressãoCompressão
Agitação Agitação MisturaMistura
CentrifugaçãoCentrifugação(L-L)(L-L) AtomizaçãoAtomização
Fluidos e Fluidos e sólidossólidos
TransporteTransporte PneumáticoPneumáticoTransporte Transporte hidráulicohidráulicoPerda de Perda de
pressão em pressão em leitos leitos
empacotadosempacotados
FluidizaçãoFluidizaçãoSuspensão de Suspensão de
sólidos em sólidos em líquidoslíquidos
(agitação)(agitação)
Filtração Filtração (L-S)(L-S)
Centrifugação Centrifugação (L-S)(L-S)
Sedimentação Sedimentação (L-S)(L-S)
SeparaçãoSeparação pneumáticapneumática
(G-S)(G-S)
PrensagemPrensagem
SólidosSólidosTransporte Transporte
Mecânico de Mecânico de sólidossólidos
Misturadores de Misturadores de sólidossólidos PeneiragemPeneiragem MoagemMoagem
Operações unitárias de quantidade de movimento
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Operações unitárias de transferência de impulso
1. Bombeamento de líquidos
2. Escoamento gravitatório de líquidos
3. Ventilação (gases)
4. Compressão (gases)
5. Decantação
6. Centrifugação
7. Agitação de líquido
8. Mistura de líquidos e líquido-gás
9. Atomização líquido-gás (aspersão)
10. Atomização líquido-líquido (homogeneização)
11. Movimentação de fluidos através de sólidos porosos21
Operações unitárias de transferência de quantidade de movimento
12. Fluidização
13. Transporte pneumático
14. Transporte hidráulico
15. Decantação de sólidos
16. Filtração
17. Ultra-filtração
18. Centrifugação sólido-líquido
19. Separação com ciclones
20. Mistura líquido-sólido
21. Prensagem
22. Fluxo a granel (sólidos particulados)22
Operações unitárias de transferência de quantidade de movimento
23. Peneiração
24. Decantação sólido-sólido
25. Mistura sólido-sólido
26. Moagem, trituração, desfibração de sólidos
27. Compactação de sólidos
28. Aglomeração de partículas sólidas
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Bombas
Decantador Ciclone de separação
Centrífuga
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Operações unitárias de transferência de calor
1. Branqueamento
2. Cozimento e fritura
3. Pasteurização e esterilização
4. Evaporação e condensação
5. Congelamento
6. Crio-concentração
7. Refrigeração
8. Geração de vapor
9. Forneamento
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Operações unitárias de transferência de massa
1. Destilação
2. Absorção de gases
3. Umidificação e de desumidificação de ar
4. Secagem
5. Extração líquido-líquido
6. Extração sólido-líquido
7. Cristalização
8. Adsorção e troca iônica
9. Separação por membranas
10. Desaeração
11. Higienização química26
Destilação
Desidratação de alimentos
Separação por membranas
Cristalização 27
As operações unitárias em uma indústria de alimentos
Exemplo:
Diagrama de blocos simplificado
da produção de etanol
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Preparação
Cana-de-açúcarCana-de-açúcar
Prensagem- difusão
Cana picadaCana picadaÁgua quenteÁgua quente
Fermentação
Destilação
Álcool etílico 96º GLÁlcool etílico 96º GL
VinhotoVinhoto
VinhoVinhoÁgua friaÁgua fria
VaporVapor
Caldo de Caldo de 14 º Brix14 º Brix
BagaçoBagaço
Prensagem
Bagaço úmidoBagaço úmido
CaldoCaldo
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O estudo das operações unitárias permite predizer o comportamento de sistemas.
Usam-se as seguintes ferramentas:
a) Princípios ou leis da conservação de massa, quantidade de movimento e entalpia
b) Equações constitutivas ou descritivas do fenômeno de transferência
c) Equações de estado (gases ideais, Van der Walls, etc.)
d) Condições de contorno
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Problemas de condições de contorno são comuns em Engenharia
- Equações diferenciais ordinárias em problemas de condição de contorno: valores conhecidos para a variável dependente em mais de um ponto e uma equação diferencial descritiva do comportamento desta variável em um intervalo.
- Geralmente deseja-se obter o "perfil" que descreve o comportamento da variável dentro de um intervalo, ex. perfis de velocidade, temperatura e concentração em problemas de transferência de momentum, calor e massa.
- As condições de contorno representam as interfaces entre meios onde se conhece o valor para a variável ou os parâmetros do fenômeno de transferência.
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