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Operações Unitárias 1 CURSO DE FORMAÇÃO DE OPERADORES DE REFINARIA OPERAÇÕES UNITÁRIAS

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Operações Unitárias

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CURSO DE FORMAÇÃO DE OPERADORES DE REFINARIAOPERAÇÕES UNITÁRIAS

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Operações Unitárias

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Operações Unitárias

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CURITIBA2002

OPERAÇÕES UNITÁRIASVALTER ROITMAN

Equipe Petrobras

Petrobras / Abastecimento

UN´s: Repar, Regap, Replan, Refap, RPBC, Recap, SIX, Revap

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Operações Unitárias

665.53 Roitman, Valter.R741 Curso de formação de operadores de refinaria: operações unitárias /

Valter Roitman. – Curitiba : PETROBRAS : UnicenP, 2002.50 p. : il. (algumas color.) ; 30 cm.

Financiado pelas UN: REPAR, REGAP, REPLAN, REFAP, RPBC,RECAP, SIX, REVAP.

1. Operação unitária. 2. Química. 3. Balanço. I. Título.

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Operações Unitárias

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Apresentação

É com grande prazer que a equipe da Petrobras recebe você.Para continuarmos buscando excelência em resultados, dife-

renciação em serviços e competência tecnológica, precisamos devocê e de seu perfil empreendedor.

Este projeto foi realizado pela parceria estabelecida entre oCentro Universitário Positivo (UnicenP) e a Petrobras, representadapela UN-Repar, buscando a construção dos materiais pedagógicosque auxiliarão os Cursos de Formação de Operadores de Refinaria.Estes materiais – módulos didáticos, slides de apresentação, planosde aula, gabaritos de atividades – procuram integrar os saberes téc-nico-práticos dos operadores com as teorias; desta forma não po-dem ser tomados como algo pronto e definitivo, mas sim, como umprocesso contínuo e permanente de aprimoramento, caracterizadopela flexibilidade exigida pelo porte e diversidade das unidades daPetrobras.

Contamos, portanto, com a sua disposição para buscar outrasfontes, colocar questões aos instrutores e à turma, enfim, aprofundarseu conhecimento, capacitando-se para sua nova profissão naPetrobras.

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Cidade:

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Unidade:

Escreva uma frase para acompanhá-lo durante todo o módulo.

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Operações Unitárias

Sumário1 CONCEITOS FUNDAMENTAIS SOBRE

OPERAÇÕES UNITÁRIAS ................................................... 71.1 Introdução ....................................................................... 71.2 Conceitos Fundamentais ................................................. 7

1.2.1 Conversão de unidades ........................................ 71.3 Balanço Material ............................................................. 81.4 Balanço Energético ......................................................... 81.5 Sugestão para aplicação nos cálculos

de Balanços Mássicos e Energéticos .............................. 8

2 PROCESSO DE DESTILAÇÃO ............................................. 92.1 Introdução ....................................................................... 92.2 Conceitos Fundamentais ................................................. 9

2.2.1 Volatilidade .......................................................... 92.2.2 Equilíbrio Líquido – Vapor .................................. 9

2.3 Destilação Descontínua ou Destilação Simples ............. 92.3.1 Balanço Material e Térmico .............................. 10

2.4 Destilação por Expansão Brusca ou Destilaçãoem um único Estágio ................................................... 102.4.1 Balanço Material ............................................... 102.4.2 Balanço Térmico ............................................... 10

2.5 Destilação Fracionada .................................................. 102.5.1 Colunas de destilação ou de retificação ............. 112.5.2 Seções de uma Coluna de destilação ................ 132.5.3 Balanço Material ............................................... 142.5.4 Balanço Térmico ............................................... 152.5.5 Influência das principais variáveis

na destilação fracionada .................................... 152.6 Fatores que influenciam as principais variáveis

na destilação fracionada .............................................. 162.6.1 Propriedades da carga ....................................... 162.6.2 Eficiência dos dispositivos de separação

das torres (Pratos) .............................................. 172.7 Problemas que podem ocorrer em bandejas

de colunas de destilação .............................................. 172.7.1 Problema de arraste ........................................... 172.7.2 Problema de Pulsação ....................................... 172.7.3 Problema de vazamento de líquido ................... 172.7.4 Problema de inundação ..................................... 18

3 PROCESSOS DE ABSORÇÃO E ESGOTAMENTO ........ 193.1 Introdução .................................................................... 193.2 Conceitos ..................................................................... 19

3.2.1 Absorção ........................................................... 193.2.2 Esgotamento ...................................................... 19

3.3 Solubridade de Gases em Líquidos ............................. 193.4 Potencial que promove a absorção .............................. 213.5 Refluxo Interno Mínimo .............................................. 21

3.5.1 Absorção ........................................................... 213.5.2 Esgotamento ...................................................... 21

3.6 Resumo dos Fatores que Influenciam osProcessos de Absorção e Esgotamento ........................ 21

3.7 Equipamentos .............................................................. 22

4 PROCESSOS DE EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO ........ 234.1 Introdução .................................................................... 234.2 Conceito ....................................................................... 234.3 Mecanismo da Extração .............................................. 234.4 Equipamentos do Processo de Extração ...................... 24

4.4.1 De um único estágio .......................................... 244.4.2 De múltiplos estágios ........................................ 24

4.5 Equilíbrio entre as Fases Líquidas ............................... 254.6 Fatores que influenciam a Extração ............................ 26

4.6.2 Qualidade do solvente ....................................... 264.6.3 Influência da temperatura ................................. 26

5 FLUIDIZAÇÃO DE SÓLIDOS E SEPARAÇÃO SÓLIDO 275.1 Fluidização de sólidos .................................................... 27

5.1.1 Conceito ............................................................ 275.1.2 Objetivo da Fluidização .................................... 275.1.3 Tipos de Fluidização ......................................... 275.1.4 Dimensões do Leito Fluidizado ........................ 27

5.2 Separação sólido-gás ................................................... 285.2.2 Arranjos entre os Ciclones ................................ 285.2.1 Fatores que influenciam o funcionamento

de um Ciclone ................................................... 285.3 Noções básicas do processo de Craqueamento

Catalítico ...................................................................... 29

6 BOMBAS ............................................................................. 316.1 Curvas características de Bombas Centrífugas ........... 316.2 Curva da carga (H) versus vazão volumétrica (Q) ...... 316.3 Curva de potência absorvida (PABS.) versus

vazão volumétrica (Q) ................................................. 326.4 Curva de rendimento (h) versus vazão

volumétrica (Q) ............................................................ 336.5 Curvas características de Bombas ............................... 336.6 Altura Manométrica do Sistema .................................. 336.7 Construção gráfica da Curva de um Sistema .............. 346.8 Ponto de Trabalho ........................................................ 34

6.8.1 Alteração da Curva (H x Q) do Sistema ........... 356.8.2 Fatores que influenciam a Curva

(H x Q) da Bomba ............................................. 356.9 Fenômeno da Cavitação ............................................... 35

6.9.1 Inconvenientes da Cavitação ............................ 356.9.2 Principal Região da Cavitação .......................... 356.9.3 Causas Secundárias da Cavitação ..................... 36

6.10 NPSH (Net Pressure Suction Head) ............................ 366.10.1NPSH disponível ............................................... 376.10.2NPSH requerido ................................................ 376.10.3NPSH disponível versus NPSH requerido ........ 37

6.11 Associação de Bombas ................................................ 376.11.1Associação de Bombas em Série ...................... 376.11.2Associação de Bombas em Paralelo .................. 38

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Operações Unitárias

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1ConceitosFundamentais sobreOperações Unitárias

1.1 IntroduçãoA disciplina denominada Operações Uni-

tárias é aquela que classifica e estuda, separa-damente, os principais processos físico-quími-cos utilizados na indústria química. Os pro-cessos mais comuns encontrados nas indústriasquímicas são a Destilação Atmosférica e aVácuo, os processos de Absorção e Adsor-ção, a Extração Líquido-Líquido e Líqui-do-Gás, o processo de Filtração, assim comoalguns mais específicos, como por exemplo, oCraqueamento Catalítico, Hidrocraquea-mento, Hidrotratamento de correntes ins-táveis e outros utilizados principalmente na In-dústria Petrolífera.

1.2 Conceitos FundamentaisAlguns conhecimentos são fundamentais

para que se possa estudar de forma adequada adisciplina denominada Operações Unitárias,como conhecimentos sobre conversão de uni-dades, unidades que podem ser medidas linea-res, de área, de volume, de massa, de pressão,de temperatura, de energia, de potência. Outroconceito-base para “Operações Unitárias” é ode Balanço, tanto Material quanto Energético.

1.2.1 Conversão de unidadesÉ necessário conhecer as correlações exis-

tentes entre medidas muito utilizadas na In-dústria Química, como é o caso das medidasde temperatura, de pressão, de energia, demassa, de área, de volume, de potência e ou-tras que estão sempre sendo correlacionadas.

Alguns exemplos de correlações entre medidas li-neares

1 ft = 12 in1 in = 2,54 cm1 m = 3,28 ft1 m = 100 cm = 1.000 mm1 milha = 1,61 km1 milha = 5.280 ft1 km = 1.000 m

Alguns exemplos de correlações entre áreas1 ft2 = 144 in2 1 m2 = 10,76 ft2

1 alqueire = 24.200 m2 1 km2 = 106 m2

Alguns exemplos de correlações entre volumes1 ft3 = 28,32 L 1 ft3 = 7,481 gal1 gal = 3,785 L 1 bbl = 42 gal1 m3 = 35,31 ft3 1 bbl = 0,159 1 m3

Alguns exemplos de correlações entre massas1 kg = 2,2 lb 1 lb = 454 g1 kg = 1.000 g 1 t = 1.000 kg

Alguns exemplos de correlações entre pressões1 atm = 1,033 kgf/cm2

1 atm = 14,7 psi (lbf/in2)1 atm = 30 in Hg1 atm = 10,3 m H2O1 atm = 760 mm Hg1 atm = 34 ft H2O1 Kpa = 10–2 kgf/cm2

Algumas observações sobre medições depressão:

– Pressão Absoluta = Pressão Relativa +Pressão Atmosférica

– Pressão Barométrica = Pressão Atmos-férica

– Pressão Manométrica = Pressão Rela-tiva

Alguns exemplos de correlações entre temperaturastºC = (5/9)(tºF – 32)tºC = (9/5)(tºC) + 32tK = tºC + 273tR = tºF + 460 (temperatures absolutas)

Algumas observações sobre medições detemperatura:

Zero absoluto = –273ºC ou – 460ºF(DºC/DºF) = 1,8(DK/DR) = 1,8

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Operações UnitáriasAlguns exemplos de correlações entre potências1 HP = 1,014 CV 1 HP = 42,44 BTU/min1KW = 1,341 HP 1 HP = 550 ft.lbf/s1KW = 1 KJ/s 1 KWh = 3.600 J1KW = 1.248 KVA

Alguns exemplos de correlações de energia1 Kcal = 3,97 BTU 1BTU = 252 cal1BTU = 778 ft.lbf 1Kcal = 3,088 ft.lbf1Kcal = 4,1868 KJ

1.3 Balanço MaterialComo se sabe, “na natureza nada se cria,

nada se destrói, tudo se transforma”, ou seja, amatéria não é criada e muito menos destruída,e, portanto, num balanço material envolvendoum certo sistema, a massa que neste entra de-verá ser a mesma que dele estará saindo. Noprocessamento uma tonelada, por exemplo, porhora de petróleo em uma refinaria, obtém-seexatamente uma tonelada por hora de produ-tos derivados deste processo, como gás com-bustível, GLP, gasolina, querosene, diesel eóleo combustível. A queima de um combustí-vel em um forno ou em uma caldeira é outroexemplo, porém menos evidente em que ocorreo mesmo balanço de massa: pode-se citar quedurante a queima de 1 tonelada de um certocombustível em um forno ou uma caldeira,considerando-se que são necessárias 13 tone-ladas de ar atmosférico, tem-se como resulta-do 14 toneladas de gases de combustão.

Em um Balanço Material, não se deve con-fundir massa com volume, pois as massas es-pecíficas dos produtos são diferentes. Assim,um balanço material deverá ser realizado sem-pre em massa, pois a massa de um certo pro-duto que entra em um certo sistema, mesmoque transformada em outros produtos, sempreserá a mesma que está saindo deste sistema,enquanto os volumes sofrem variação confor-me a densidade de cada produto.

1.4 Balanço EnergéticoExistem diversos tipos de energia, por exem-

plo, Calor, Trabalho, Energia de um corpo emmovimento, Energia Potencial (um corpo emposição elevada), Energia elétrica e outras.

Assim como a matéria, a energia de umsistema não pode ser destruída, somente po-derá ser transformada em outros tipos de ener-gia, como por exemplo, o motor de uma bom-ba que consome energia elétrica e a transfor-ma em energia de movimento do líquido, ca-lor e energia de pressão.

A água, no alto de um reservatório, aomovimentar um gerador, transforma sua ener-gia potencial em energia elétrica, calor e ener-gia de movimento (energia cinética). Nestecaso, o balanço de energia do sistema poderiaser representado pela seguinte expressão:

Energia Potencial da água do reservatório =Energia elétrica fornecida pelo gerador + ca-lor de aquecimento do gerador + Energia demovimento da água após a turbina.

No caso de um forno ou uma caldeira queaquece um certo líquido, o balanço de energiaobservado será:

Calor liberado pela queima do combustível =Calor contido nos gases de combustão quesaem do forno ou da caldeira + Calor contidonos produtos que deixam o forno ou a caldeira.

É importante ressaltar que, muito emboraas diversas formas de energia sejam medidasem unidades diferentes, tais como, energia elé-trica em KWh, trabalho em HP . h, calor emcaloria, em um balanço energético é necessá-rio que todas as formas de energia envolvidasno balanço estejam expressas na mesma uni-dade de energia.

1.5 Sugestão para aplicação nos cálculosde Balanços Mássicos e Energéticos

Como regra geral, antes de iniciar cálcu-los que evolvam balanços mássicos e/ou ba-lanços energéticos, deve-se:

a) transformar todas as vazões volumétri-cas em vazões mássicas, pois o balan-ço deve ser realizado sempre em mas-sa, uma vez que a vazão em massa nãovaria com a temperatura.

b) faça um esquema simplificado do pro-cesso em que serão realizados os ba-lanços;

c) identifique com símbolos, as vazões eas composições de todas as correntesenvolvidas nos processos em que es-tão sendo realizados os balanços;

d) anote, no esquema simplificado de pro-cesso, todos os dados de processo dis-poníveis como vazões, composições,temperaturas, pressões, etc;

e) verificar que composições são conhe-cidas ou podem ser calculadas;

f) verificar quais vazões mássicas sãoconhecidas ou podem ser calculadas;

g) selecionar a base de cálculo conveni-ente a ser adotada para o início da re-solução do problema.

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Operações Unitárias

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2Processo deDestilação

2.1 IntroduçãoA destilação é uma operação que permite

a separação de misturas de líquidos em seuscomponentes puros ou próximos da pureza, pormeio de evaporação e condensação dos com-ponentes em questão. Na destilação, portanto,pode-se afirmar que o agente de separação é ocalor, pois o vapor formado tem composiçãodiferente da mistura original.

O processo de destilação é muito utiliza-do em toda a indústria química, como porexemplo, na obtenção de álcool retificado deuma mistura de fermentação, ou ainda, na in-dústria petrolífera para a separação das fraçõescontidas no petróleo bruto, como gás combus-tível, GLP, nafta, querosene, diesel, gasóleo,óleo combustível. É um processo muito utili-zado também na indústria petroquímica, paraa separação de frações da nafta petroquímica.

2.2 Conceitos FundamentaisAlguns conceitos são fundamentais para

a melhor compreensão do mecanismo de se-paração que ocorre na destilação, são eles avolatilidade e o equilíbrio líquido – vapor.

2.2.1 VolatilidadeA separação em uma coluna de destilação

acontece devido à volatilidade relativa de umcomponente com relação ao outro. Geralmen-te, salvo raras exceções, a fração mais volátilem uma mistura é aquela que em estado puropossui maior pressão de vapor, ou seja, temmaior tendência a evaporar. Como exemplo,tem-se que, devido ao critério massa molar, ometano é mais volátil do que o etano, que porsua vez é mais volátil que o propano, que porsua vez é mais volátil que o butano e assimpor diante; então a separação destes é possívelutilizando-se o agente calor e equipamentosadequados, denominados colunas ou torres dedestilação para processos contínuos ou desti-ladores para processos descontínuos ou embateladas.

2.2.2 Equilíbrio Líquido – VaporAo colocar em recipiente sob vácuo, de-

terminada quantidade de uma mistura líquida,por exemplo, uma mistura de hidrocarbone-tos, mantendo-se constante a temperatura desterecipiente, o líquido tenderá a vaporizar-se atéque alcance a pressão de equilíbrio entre a fasevapor e a fase líquida, isto é, as moléculas dafase líquida passarão para a fase vapor, aumen-tando a pressão do recipiente até que se tenhao equilíbrio entre as fases líquido e vapor. Oponto de equilíbrio é atingido quando o nú-mero de moléculas que abandona o líquidopara a fase vapor é exatamente igual ao núme-ro de moléculas que abandona o vapor para afase líquida. Tem-se, aí, o equilíbrio termodi-nâmico entre as fases líquido – vapor.

2.3 Destilação Descontínua ou DestilaçãoSimples

A destilação simples ou descontínua é reali-zada em bateladas.

Conforme é possível observar na figuraacima, a carga de líquido é introduzida em umvaso provido de aquecimento, entrando emebulição. Os vapores são retirados pelo topoatravés do condensador, onde são liqüefeitose coletados em outros recipientes.

A primeira porção do destilado será a maisrica em componentes mais voláteis. A medidaque prossegue a vaporização, o produto va-porizado torna-se mais volátil e o líquido residualtorna-se menos volátil, pois o percentual de

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Operações Unitáriascomponentes leves no líquido residual vai sen-do esgotado. O destilado, que é o vapor con-densado, poderá ser coletado em porções se-paradas denominadas de cortes. Estes podemproduzir uma série de produtos destilados comvários graus de pureza. Então, considerando-seuma mistura de três substâncias:

Substância A – Muito volátil e em pe-quena quantidade,

Substância B – Volatilidade média e emgrande quantidade,

Substância C – Muito pouco volátil e empequena quantidade.

Quando uma destilação em batelada oudestilação simples é efetuada, o primeiro cor-te, pequeno, conteria predominantemente qua-se toda a substância A, o segundo corte, gran-de, conteria quase toda a substância B, porémestaria contaminado com um pouco das subs-tâncias A e C, e o líquido residual seria, prati-camente, a substância C pura. Assim sendo,apesar dos três cortes conterem todas as trêssubstâncias, alguma separação teria ocorridoneste processo de destilação.

2.3.1 Balanço Material e TérmicoNeste tipo de processo, é muito difícil efe-

tuar um balanço material e térmico de formainstantânea, uma vez que as temperaturas, as-sim como as composições do líquido e do va-por variam continuamente. É evidente, porém,que, ao final desta operação, a soma do resíduoe do destilado deve ser igual à carga inicial do vaso.

2.4 Destilação por Expansão Brusca ouDestilação em um Único Estágio

O processo de destilação por expansãobrusca é uma operação em um único estágio,no qual uma mistura líquida é parcialmentevaporizada. As fases líquido e vapor resultan-tes deste processo são separadas e removidasda coluna. O vapor será muito mais rico nasubstância mais volátil do que na carga origi-nal ou no líquido residual.

Este tipo de operação é muito utilizado naprimeira fase do fracionamento do petróleo emuma refinaria, pois esta torre reduz o tamanhoda torre de fracionamento atmosférico.

2.4.1 Balanço MaterialSegundo o princípio geral da conservação

da matéria, o balanço material para este pro-cesso pode ser escrito da seguinte forma:

F = D + W

Em que:F = vazão mássica de cargaD = vazão mássica de vaporW = vazão mássica de líquido

2.4.2 Balanço Térmico De acordo com o princípio da conserva-

ção de energia, o balanço energético para esteprocesso pode ser escrito da seguinte forma:

Calor que entra no sistema = Calor que sai do sistema QF + QA = QD + QW

Em que:QF = conteúdo de calor da cargaQA = conteúdo de calor cedido ao siste-

ma pelo aquecedorQD = conteúdo de calor da cargaQW = conteúdo de calor da carga

2.5 Destilação FracionadaA destilação fracionada é o tipo de desti-

lação mais utilizada em indústrias de grandeporte. Nos dois tipos de destilação abordadosanteriormente, destilação em batelada e porexpansão brusca, a separação das diversassubstâncias que compõem a mistura é realiza-da de forma imperfeita ou incompleta. Na des-tilação fracionada, é possível a separação emvárias frações, em uma mesma coluna, poispode-se ter temperaturas, vazões e composi-ções constantes em um dado ponto da coluna.

A destilação fracionada é uma operaçãode separação de misturas por intermédio devaporizações e condensações sucessivas, que,aproveitando as diferentes volatilidades dassubstâncias, torna possível o enriquecimentoda parte vaporizada, com as substâncias maisvoláteis. Estas vaporizações e condensaçõessucessivas são efetuadas em equipamentosespecíficos, denominados de torres ou colu-nas de destilação.

O processo, em linhas gerais, funcionacomo esquematizado na figura a seguir:

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Operações Unitárias

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A mistura a ser destilada é introduzidanum ponto médio da coluna, ponto F, denomi-nado ponto de alimentação. No seu interior, amistura irá descer até atingir a base da colunaonde encontrará aquecimento do refervedor.O refervedor, um trocador de calor aquecidopor vapor d'água ou outra fonte térmica qual-quer, aquecerá a mistura até atingir sua tem-peratura de ebulição. Neste ponto, a misturaemitirá vapores que irão circular em sentidoascendente na coluna, em contracorrente coma mistura da alimentação da coluna. Os vapo-res ascendentes atingirão o topo da coluna eirão para um condensador, onde serão liqüe-feitos e deixarão a coluna como produto dedestilação, D. Na base da coluna, a mistura,isenta de componentes mais voláteis, deixa oequipamento como produto residual, W.

O processo, resume-se, então, em alimen-tar a coluna de destilação com a mistura quese quer separar, F, no ponto médio da coluna; fa-zer a circulação ascendente do vapor em contra-corrente com o líquido descendente da coluna, comremoção do destilado, D, no topo da torre e dolíquido residual, W, no fundo da coluna.

A volatilidade relativa do produto a ser des-tilado permite a separação dos componentesmais voláteis, e o contato íntimo entre as faseslíquida e vapor ao longo da coluna promove aperfeita separação dos componentes desejados.

Para melhorar a separação das frações de-sejadas, utiliza-se o retorno de parte do desti-lado, D, na forma de refluxo, Lo, que enrique-ce o produto de topo da coluna, D, com pro-dutos mais voláteis, melhorando a pureza doproduto destilado, D.

Como pode ser observado, neste processonão existem reações químicas, somente trocatérmica, devido ao refervedor de fundo e aocondensador de topo, e também troca de mas-sa entre o vapor ascendente e o líquido des-cendente no interior da coluna de destilação.

2.5.1 Colunas de destilação ou de retificaçãoAs colunas de destilação são constituídas

por três partes essenciais:

RefervedorÉ, geralmente, encontrado na base da co-

luna de destilação, conforme pode ser obser-vado na figura a seguir:

Sua finalidade é proceder o aquecimentoda base e, em conseqüência, promover a eva-poração dos componentes mais voláteis. Po-dem ser construídos com dispositivos de aque-cimento com vapor d'água, por aquecimentocom circulação de frações de óleos quentes ou,até mesmo, através de resistências elétricas.Os vapores formados na base da coluna circu-larão de forma ascendente. Parte destes serãocondensados ao longo do percurso na torre,retornando na forma líquida, permitindo, des-ta forma, um contato íntimo entre o vapor as-cendente e o líquido descendente ao longo datorre. Dependendo do tipo de interno da colu-na, o contato entre a fase líquida e vapor po-derá atingir níveis que melhorarão as condi-ções da separação desejada.

Na coluna de destilação, os componentesmais pesados da mistura condensam eretornam à base da coluna, de onde são retira-dos como líquido residual, W. Os componen-tes mais leves atingem o topo da coluna e sãoretirados como produto destilado, D, após pas-sarem pelo condensador.

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Operações UnitáriasCondensador

Tem como finalidade proceder à conden-sação dos vapores leves que atingem o topoda coluna. Após a condensação, tem-se o pro-duto destilado desejado, D, com a composi-ção especificada.

O processo requer, portanto, dois troca-dores de calor, ambos de mudança de fase,refervedor procedendo a vaporização e ocondensador efetuando a condensação dasfrações. Em alguns projetos, o refervedorpoderá ser substituído por uma injeção de va-por d'água no fundo da coluna de destilação.

Tipos de Torres de DestilaçãoNa coluna, há o contato entre as fases lí-

quida e vapor. O problema resume-se em con-tato perfeito entre as fases, e conseqüentemen-te, a altura da torre deve ser adequada ao tipode separação que se deseja. A cada misturacorresponderá uma altura definida de coluna,que poderá ser perfeitamente calculada para aseparação desejada. Existem três tipos conven-cionais de colunas de destilação: colunas compratos e borbulhadores, colunas com pratosperfurados e colunas com recheios. Todas fun-cionam com o mesmo princípio, ou seja, pro-mover de forma mais perfeita possível o con-tato entre as fases líquido e vapor.

Colunas com pratos e borbulhadoresSão as mais usuais e também podem ser

denominadas de “bandejas”. Colunas destetipo adotam pratos ou bandejas superpostas eque variam em número e detalhes conforme amistura que se pretende destilar. Os pratos sãoconstituídos por borbulhadores, tubos de as-censão e de retorno, conforme apresentado nafigura a seguir.

Onde:1 – Borbulhador2 – Tubo de ascensão3 – Tubo de retornoV – VaporL – LíquidoOs borbulhadores são dispositivos com

formato cilíndrico, com aparência de um copodotado de ranhuras laterais até certa altura,conforme figura a seguir.

Os borbulhadores são fixados sobre ostubos de ascensão dos vapores e destinados àcirculação ascendente do vapor de um prato aoutro. Sobre cada tubo de ascensão, encontra-se um borbulhador. O tubo de retorno temcomo finalidade fazer o retorno, prato a prato,do excedente da fase líquida condensada so-bre o prato. Assim sendo, existe sobre cadaprato ou bandeja, um nível de líquido constante,regulado pela altura do tubo de retorno, e quedeve corresponder ao nível do topo dos borbu-lhadores. Os borbulhadores são dispostos de talforma que fiquem na mesma altura do início dotubo de retorno de líquido, a fim de que se tenhauma ligeira imersão na camada líquida.

Os vapores devem circular em contracor-rente com o líquido, ou melhor, de forma as-cendente, passando pelos tubos de ascensão,borbulhando através das ranhuras dos borbu-lhadores e condensando em parte nas bande-jas e parte retornando à bandeja imediatamen-te inferior.

Os tubos de retorno funcionam tambémcomo selos hidráulicos, impedindo que o va-por circule através deles.

A figura a seguir ilustra bem o que foicomentado anteriormente:

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Operações Unitárias

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Colunas com pratos perfuradosNeste tipo de coluna, os pratos com bor-

bulhadores são substituídos por pratos dota-dos de perfurações, cujo diâmetro varia entre0,8 e 3 mm. O funcionamento é idêntico àscolunas que utilizam pratos com borbulhado-res. Geralmente, neste tipo de coluna, não exis-te o tubo de retorno e os pratos ocupam toda aseção da coluna, porém existem projetos emque as colunas com pratos perfurados são do-tadas de tubo de retorno.

Colunas com RecheioNeste tipo de coluna, os pratos ou bande-

jas são substituídos por corpos sólidos comformatos definidos. Estes corpos, denomina-dos recheios, podem ser anéis do tipo Rachig,Pall, Lessing ou ainda selas do tipo Berl,Intalox e outros. Alguns destes recheios po-dem ser observados na figura seguinte.

A finalidade do recheio é provocar o con-tato das fases líquido-vapor. Os corpos do re-cheio devem ser de alta resistência à corrosão,razão pela qual são, geralmente, de cerâmicaou de aço inoxidável. Dependendo da tempe-ratura do processo pode-se utilizar tambémrecheios plásticos de alta resistência.

As torres que utilizam recheios são muitocompetitivas com as torres que contêm pratos

com borbulhadores ou pratos perfurados e apre-sentam ainda algumas vantagens, tais como:

1. geralmente são projetos mais econômi-cos, por serem mais simplificados;

2. apresentam pequena perda de carga;3. não estão sujeitas às formações de es-

puma.Os recheios são disponibilizados em se-

ções, sobre suportes de sustentação, o que im-pede uma compactação e/ou uma descompac-tação localizada, que formaria caminhos pre-ferenciais ao longo da coluna.

O tamanho dos elementos dos recheios,geralmente, variam entre 0,5 e 8 cm.

2.5.2 Seções de uma Coluna de destilaçãoComo visto anteriormente, em uma colu-

na de destilação, o vapor da mistura que sai deum prato atravessa o líquido do prato superior,deixando seus componentes menos voláteis.O calor liberado pela condensação destes com-ponentes vaporiza, então, os compostos maisvoláteis do líquido contido no prato superior.Existe, portanto, uma troca de calor e massaao longo das bandejas da torre e nota-se que, àmedida que se sobe na coluna, os vapores tor-nam-se mais voláteis (mais leves) e, à medidaque se desce na coluna, os líquidos tornam-semenos voláteis (mais pesados).

Seção de enriquecimento ou absorçãoÉ a parte da coluna compreendida entre o

prato de entrada da carga e o topo da coluna.Nesta seção, são concentradas as frações ousubstâncias mais leves (mais voláteis), ou seja,em todos os pratos acima do prato de alimen-tação, a percentagem de compostos mais le-ves é maior do que na carga. As substânciasmais pesadas são removidas dos vapores queascendem, pelo refluxo interno de líquido quedesce pelo interior da torre, líquido que tam-bém é denominado como refluxo interno.

Seção de esgotamentoÉ a parte da coluna compreendida entre o

prato de entrada da carga e o fundo da coluna.Nesta seção são concentradas as frações ousubstâncias mais pesadas (menos voláteis), ouseja, em todos os pratos abaixo do prato dealimentação, a percentagem de compostosmais pesados é maior do que na carga. Os com-ponentes ou substâncias mais pesadas, são re-movidos dos vapores que ascendem, pelo re-fluxo de líquido que desce pelo interior da tor-re, também denominado de refluxo interno.

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Operações Unitárias

2.5.3 Balanço MaterialNeste processo, o balanço material deve-

rá ser realizado nas várias seções da coluna,conforme figura a seguir:

Em que:V = vazão mássica do vapor de topoD = vazão mássica do produto de topoL = vazão mássica do refluxo externoF = vazão mássica da cargaW = vazão mássica do produto de fundoVm = vazão mássica de vapor na seção

de absorçãoVn = vazão mássica de vapor na seção

de esgotamentoLm = vazão mássica de líquido na seção

de absorção (refluxo interno)Ln = vazão mássica de líquido na seção

de esgotamento (refluxo interno)QC = calor retirado pelo condensadorQR = calor introduzido pelo refervedorqF = calor contido na cargaqD = calor contido no produto de topoqW = calor contido no produto de fundo

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Operações Unitárias

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Os principais balanços materiais para esteprocesso são:

Na envoltória I:

F = D + W

Na envoltória II:

Vm = Lm + D

Na envoltória III:

Ln = Vn + W

No condensador:

V = L + D

2.5.4 Balanço TérmicoOs principais balanços materiais para este

processo são:

Balanço Térmico Global

F . qF + Qr = D . qD + W . qW + QC (1)

Como é possível observar na expressão(1), o calor retirado do condensador, QC, de-pende do calor introduzido no sistema pelorefervedor, Qr, uma vez que os demais termosda expressão são fixados por projeto.

Balanço térmico no condensador

V . qV = L . qL + D . qD + QC (2)

Sabe-se que, qL = qD e V = L + D, por-tanto a equação (2) pode ser reescrita comouma nova expressão:

(L + D) . qV = L . qL + D . qL + QC ®(L + D) . qV = (L + D) . qL + QC

(L + D) . qV – (L + D) . qL = QC ®(L + D) . (qV – qL) = QC

(L + D) = QC / (qV – qL)

(qV – qL) = Calor de condensação do vapor detopo da coluna de destilação.

2.5.5 Influência das principais variáveis nadestilação fracionada

A figura a seguir será utilizada para quepossam ser feitas as observações necessáriassobre a influência das principais variáveis queocorrem neste tipo de processo.

Razão de RefluxoNas torres de destilação fracionada existem

dois tipos de refluxo, externo e o interno, quegeram, desta forma, as razões de refluxo exter-na e interna. A razão de refluxo interna aconte-ce tanto na região de absorção, quanto na re-gião de esgotamento. As seguintes expressõespodem ser escritas para as razões de refluxo:

Razão de refluxo externo:

Re = ( L/D)

Razão de refluxo interna: Na seção de absorção:

(Ri)abs = ( Lm / Vm )

Na seção de esgotamento:

(Ri)esg = ( Vn / Ln )

O grau de fracionamento que acontece emuma coluna de destilação é determinado pelasrazões de refluxo interna na torre, que por suavez são geradas a partir da carga e do refluxoexterno à torre de destilação, ou seja, o reflu-xo interno na seção de absorção, Lm, é geradopelo refluxo externo, L, enquanto que na se-ção de esgotamento, Ln, é gerado pelo refluxointerno Lm mais a carga F.

Na seção de enriquecimento ou absorção,quanto mais líquido Lm descer na torre porunidade de massa de vapor que sobe, tantomelhor será a separação, pois, nesta seção, afinalidade é reter os compostos pesados (me-nos voláteis) contidos nos vapores. Quantomaior a razão (Lm/Vm), tanto melhor será, en-tão, o fracionamento nesta região da torre dedestilação.

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Operações UnitáriasNa seção de esgotamento, tem-se o con-

trário da seção de absorção, quanto mais va-por subir na torre por unidade de massa delíquido que desce, melhor será a separaçãonesta seção da torre, já que a finalidade, nes-ta região, é a remoção dos compostos leves(mais voláteis) do líquido que desce pelatorre. Portanto, na seção de esgotamento,também denominada de stripping, quantomaior a razão (Vn / Ln), melhor será o fracio-namento.

Resumindo, pode-se afirmar que, para umadeterminada coluna, o grau de fracionamentoé tanto maior quanto maior for a razão de re-fluxo interna.

Razão de Refluxo Versus número de pratos daColuna

Existe uma relação entre o número de pra-tos ou bandejas de uma coluna de destilação ea razão de refluxo interna ou externa desteequipamento.

Quanto menor for o número de pratos oubandejas de uma coluna, pior será seu fracio-namento. Podem ser construídas torres comgrande número de pratos para operarem compequena razão de refluxo interna, assim comotorres com pequeno número de pratos e razõesde refluxo interno elevadas, para uma cargacom as mesmas características.

Tendo em vista a relação anteriormentedescrita, a condição de refluxo ou razão derefluxo mínimo corresponderá a uma colunacom um número infinito de pratos para queseja atingido o fracionamento desejado, assimcomo a condição de refluxo ou razão de reflu-xo total corresponderá a uma coluna com umnúmero mínimo de pratos para que o fracio-namento desejado seja atingido. Nenhumadestas condições é satisfatória, uma vez queuma torre com número de pratos infinito é umprojeto totalmente inviável economicamente,bem como a construção de uma coluna quenão produza, pois para o refluxo total não setem retirada de produtos, como pode ser veri-ficado pelo cálculo abaixo:

Na seção de absorção, o seguinte balançomaterial é observado:

Vm = Lm + DLm = Vm – D

Dividindo-se os dois termos da equaçãopor Vm, tem-se que:

(Lm / Vm) = 1 – (D/Vm)

Quando ocorrer refluxo total, então D = 0,logo:

(Lm / Vm) = 1 ® Lm = Vm, ou seja, a quan-tidade de líquido que desce na seção de absor-ção é igual à quantidade de vapor que sobenesta seção, não havendo, portanto, produção.

Na seção de esgotamento, observa-se oseguinte balanço material:

Ln = Vn + WVn = Ln – W

Dividindo-se os dois termos da equaçãopor Ln, obtém-se que:

(Vn / Ln) = 1 – (W/ Ln)

No caso da seção de esgotamento, todo olíquido residual será vaporizado no refervedor,então W = 0, então:

(Vn / Ln) = 1 ® Vn = Ln, isto é, a quantida-de de vapor que sobe na seção de esgotamen-to é igual à quantidade de líquido que por eladesce e não há produção.

Quando a coluna é operada, portanto, emrefluxo total, o fracionamento é praticamenteperfeito, porém o gasto com energia é muitoelevado e não há produção na coluna, o quetorna o processo economicamente inviável.

A relação entre o número de pratos ou es-tágios e a razão de refluxo pode ser observadano gráfico a seguir:

A razão de refluxo interna mínima é aquelaque corresponde a um refluxo externo, L, mí-nimo, por conseqüente, os projetos de colunasde destilação são concebidos prevendo-se,geralmente, um refluxo externo com valoresque variam entre 1,5 a 2 vezes o valor da ra-zão de refluxo mínima. Este valor é denomi-nado razão de refluxo operacional, RR oper,como pode ser observado no gráfico anterior.

2.6 Fatores que influenciam as principaisvariáveis na destilação fracionada2.6.1 Propriedades da carga

Como cada carga a ser processada podeexibir uma característica, pois as proporções

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Operações Unitárias

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entre os componentes a serem separados po-dem ser diferentes, haverá, então, uma razãode refluxo para cada carga a ser processada. Adiferença de volatilidade entre os componen-tes da carga, de uma torre de destilação fracio-nada, exerce grande influência sobre as variá-veis citadas. Como exemplo, pode-se citar acomparação entre a separação de uma misturacontendo 50% de etano e 50% de eteno deoutra contendo 50% de hexano e 50% de eteno.No primeiro caso, a separação entre o etano eo eteno requer tanto uma quantidade de reflu-xo, bem como uma quantidade de estágios(pratos) na coluna muito maiores do que na daseparação da mistura entre o hexano e o eteno,pois estes dois últimos compostos possuemgrande diferença de volatilidade.

2.6.2 Eficiência dos dispositivos de separaçãodas torres (Pratos)

Como mencionado, o componente ousubstância que vaporiza a partir do líquido deum determinado prato da coluna é mais volá-til que os componentes contidos no líquidodeste prato, e ainda que este vapor esteja emequilíbrio com o líquido do prato, o númerode moléculas que abandona a fase líquida paraa fase vapor é igual ao número de moléculasque voltam da fase vapor para a fase líquida –princípio do equilíbrio. Para que o equilíbrio,seja atingido é necessário um certo tempo decontato entre as fases. No caso do prato oubandeja de uma torre de destilação, este tem-po depende dos detalhes construtivos destabandeja: quanto mais alto o líquido contidoneste prato ou bandeja, maior será o tempo decontato entre as fases, pois o líquido perma-necerá mais tempo no prato, e, em consequên-cia o vapor gastará mais tempo para atravessá-lo. O prato que conserva um maior nível delíquido é aquele que mais se aproxima do equi-líbrio entre as fases líquido-vapor e, por isso,é denominado de “prato ideal”. O prato idealé o dispositivo que permite o maior enriqueci-mento em componentes mais voláteis do va-por que penetra no líquido deste prato.

A eficiência de um prato de uma colunade destilação fracionada poderá ser quantifi-cada pelo enriquecimento de componentesmais voláteis no líquido deste prato, que nocaso do prato ideal é de 100%. O valor per-centual da eficiência de um prato real, em umacoluna de destilação fracionada, está entre 50e 80%, é tanto maior, quanto melhor for o pro-jeto da torre, para as condições de operação

especificadas. Se, por exemplo, uma torre, pro-jetada para uma determinada condição e espe-cificação de carga, mudanças em suas carac-terísticas especificadas, a mesma não corres-ponderá satisfatoriamente às condições inicial-mente previstas, diminuindo desta forma, suaeficiência e, conseqüentemente, podendo com-prometer os resultados inicialmente previstospara aquele projeto. Portanto, o fracionamen-to em uma coluna de destilação depende daeficiência dos seus pratos.

2.7 Problemas que podem ocorrer embandejas de colunas de destilação2.7.1 Problema de arraste

O arraste é o transporte, efetuado pelo va-por, de gotículas de líquido do prato inferiorpara os pratos superiores. A quantidade de lí-quido arrastado depende da velocidade do va-por ao longo da torre. No arraste, o líquido doprato inferior contamina o líquido do pratosuperior com compostos pesados (menos vo-láteis), piorando o fracionamento ao longo dacoluna. O arraste pode ser provocado pelo au-mento da vazão volumétrica do vapor, que, porsua vez, pode ser decorrente da redução dapressão em alguma região da coluna.

As torres de destilação a vácuo são cons-truídas com um diâmetro muito maior do queas torres de destilação atmosféricas, pois comosuas pressões são muito baixas, provocam va-zões volumétricas muito elevadas.

2.7.2 Problema de PulsaçãoEste fenômeno ocorre quando a vazão de

vapor, que ascende de um prato inferior paraum superior da coluna, não tem pressão sufi-ciente para vencer continuamente a perda decarga apresentada pela bandeja em questão. Ovapor, então, cessa temporariamente sua pas-sagem por esta bandeja e, quando sua pressãovolta a ser restabelecida, vence a perda de car-ga no prato de forma brusca. Assim diminui apressão do vapor quase que instantaneamentee cessa a passagem do vapor pelo prato atéque seja novamente restabelecida sua pressão.Esta situação permanece até que seja norma-lizada a condição de pressão ao longo da coluna.

2.7.3 Problema de vazamento de líquidoÉ o fenômeno da passagem de líquido da

bandeja superior para a bandeja inferior, atra-vés dos orifícios dos dispositivos existentesnos pratos e que são destinados à passagem

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Operações Unitáriasdo vapor. Este fenômeno ocorre, quando a va-zão de vapor é baixa e a vazão de líquido éexcessivamente alta.

2.7.4 Problema de inundaçãoA inundação, em uma torre de destilação,

ocorre quando o nível de líquido do tubo deretorno de um prato atinge o prato superior.Poderá acontecer em regiões localizadas natorre ou, caso o problema não seja soluciona-do a tempo, em uma das seções e até mesmo,na torre como um todo.

Anotações

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Operações Unitárias

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3Processos de Absorçãoe Esgotamento

3.1 IntroduçãoComo observado no capítulo sobre o pro-

cesso de destilação, nas colunas de destilaçãofracionada, a seção acima do ponto de alimen-tação da carga da torre é denominada de seçãode absorção e a seção abaixo do ponto de ali-mentação da carga da torre é denominada deseção de esgotamento. No entanto, existemprocessos que utilizam somente absorção ouesgotamento, e, de acordo com a necessidadedo processo, são projetadas torres que operamsomente com processos de absorção ou, en-tão, apenas com processos de esgotamento.

As colunas de absorção e de esgotamen-to, geralmente, não possuem estágios de trocade calor, isto é, não apresentam nem refervedor,nem condensador.

3.2 Conceitos3.2.1 Absorção

É uma operação em que uma mistura ga-sosa, V1, é colocada em contato com um líqui-do, L1, para nele serem dissolvidos um ou maiscompostos que se quer remover da misturagasosa. Geralmente, existe uma diferença devolatilidade muito grande entre os componen-tes da fase gasosa e os da fase líquida. Propor-ciona-se, com isso, somente a absorção doscomponentes mais pesados da mistura gaso-sa, sem a perda de componentes da misturalíquida por evaporação.

3.2.2 EsgotamentoÉ a operação inversa à da absorção, ou

seja, tem como finalidade remover compostosde um líquido, L1, utilizando-se uma correntede gás ou de vapor, V1, Neste caso, são utili-zados gases ou vapores totalmente insolúveisno líquido ou então gases ou vapores comvolatilidade muito mais alta do que o líquidoem questão.

Na realidade, tanto no processo de absor-ção, quanto no processo de esgotamento, existeo mecanismo de transferência de massa de umafase para outra. No caso da absorção, há trans-ferência de compostos da fase gasosa para afase líquida e, no caso do processo de esgota-mento, há transferência de compostos da lí-quida para a fase gasosa.

3.3 Solubridade de Gases em LíquidosQuando se coloca um gás em contato com

um líquido, num recipiente fechado numa certacondição de temperatura e pressão, parte dasmoléculas da fase gasosa passa, inicialmente,para a fase líquida, até que se atinja o ponto deequilíbrio para estas condições de temperatu-ra e pressão. Neste ponto, a concentração dogás no líquido é denominada de “solubilidadede equilíbrio do gás neste líquido”, nas condi-ções de temperatura e pressão em questão.

% do gás = solubilidade de equilíbrio.No exemplo acima, a fase gasosa é cons-

tituída somente por um tipo determinado degás. No caso de haver uma mistura de duasou mais substâncias gasosas, em que somen-te uma delas é solúvel no líquido, a “solubi-lidade de equilíbrio” dependerá da pressãoparcial deste gás, na mistura gasosa. O valor dapressão parcial de uma sustância é o percentual

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Operações Unitáriasmolecular desta substância em relação à pres-são total da mistura, ou seja:

(PParcial)A = (%molecularA / 100) x PTotal

Por exemplo, numa mistura gasosa emque a pressão total do sistema é de 20 kgf/cm2,tem-se 30% de moléculas de propano; assim apressão parcial do propano na mistura destesistema será: (30/100) x 20 = 6 kgf/cm2.

É possível relacionar a pressão parcial de um determinado gás com a sua solubilidade deequilíbrio num determinado líquido, e com isto, gerar gráficos com curvas de solubilidade deequilíbrio em função da pressão parcial de equilíbrio, como pode ser observado a seguir.

A solubilidade de equilíbrio de um de-terminado gás, a uma certa temperatura, emum determinado líquido, aumenta, com o au-mento da pressão parcial do gás, ou ainda,com o aumento da concentração do gás noreferido líquido, desde que a temperatura semantenha constante (vide figura a seguir).

Concentração ou solubilidade de equilíbrio.

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Operações Unitárias

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Como pode ser observado no gráfico, como aumento da temperatura, a solubilidade dogás diminui. Na temperatura de 10ºC e comuma pressão parcial de equilíbrio de 50 mm Hg,a concentração ou solubilidade de equilíbrioda amônia em água será de 11%. Com a mes-ma pressão parcial de 50 mm Hg, na tempera-tura de 30ºC, a concentração ou solubilidadede equilíbrio da amônia na água será de 5%.

3.4 Potencial que promove a absorçãoConforme abordado anteriormente, quan-

do um líquido e um gás estão em equilíbrio (onúmero de moléculas da fase gasosa que pas-sa para a fase líquida é igual ao número demoléculas que passam da fase líquida para afase gasosa), nas condições de temperatura epressão estabelecidas não haverá mais altera-ção da concentração do gás absorvido no lí-quido. Porém, caso haja alteração, por exem-plo, da pressão parcial do gás a ser absorvidopelo líquido, sem a alteração da variável tem-peratura, então ocorrerá a passagem de molé-culas da fase gasosa para a fase líquida até anova situação de equilíbrio.

Baseado nestes conceitos, o potencial,que promove a absorção de um gás A em umcerto líquido, poderá ser equacionado da se-guinte forma:

(Potencial de absorção)A = (Pressão Parcial)A –(Pressão Parcial de Equilíbrio)A

Para ilustrar o assunto, pode-se tomar,como exemplo, o gráfico anterior, que repre-senta amônia sendo absorvida em água.

1º Exemplo:Qual será o potencial de absorção da amô-

nia em água, à temperatura de 30ºC, conside-rando-se que na água existe uma concentra-ção de amônia de 5%, com pressão parcial de50 mm Hg?

Resposta: Como observado no gráfico emquestão, para o valor de concentração ou so-lubilidade de equilíbrio igual a 0,05 e t = 30ºC,o resultado da pressão parcial de equilíbriocorresponde a 50 mm Hg. A força motriz oupotencial de absorção para este caso será:

(Força Motriz) = 50 – 50 = 0, ou seja, nes-ta condição, o gás já está em equilíbrio com olíquido e não há, portanto, mais absorção.

2º Exemplo:Haveria absorção da amônia na água no

exemplo 1, caso dobrasse a pressão parcial da

amônia, mantendo-se a temperatura em 30ºC?Em caso positivo, qual seria a concentraçãoou solubilidade de equilíbrio para esta novacondição?

Resposta: Nova pressão parcial = 2 x 50 =100 mm Hg

(Força Motriz) = 100 – 50 = 50 mm Hg,portanto como o potencial é > 0, haverá ab-sorção.

De acordo com o gráfico, para a nova con-dição de equilíbrio, em que a pressão parcial éde 100 mm de Hg, na temperatura de 30ºC, anova condição de concentração de amôniacorresponderia a 8%.Nota: A pressão parcial de equilíbrio é sempre obtidagraficamente, através das curvas de solubilidade.

3.5 Refluxo Interno MínimoNo caso dos processos de absorção e esgo-

tamento, existe uma razão de refluxo mínimo,para que a operação desejada seja efetuada.

3.5.1 AbsorçãoPara o processo de absorção, existe uma

relação L/V mínima, a fim de que a operaçãode absorção desejada possa ser efetuada. Quan-to maior a relação L/V, melhor será a absor-ção, pois o líquido, L, ficará menos concen-trado no composto a ser absorvido. Com oaumento da relação L/V, tem-se, assim, umaumento no potencial de absorção.

3.5.2 EsgotamentoNo caso do processo de esgotamento, exis-

te uma relação V/L mínima, para que a opera-ção de esgotamento desejada possa ser efetua-da. Quanto maior a relação V/L, melhor seráo esgotamento, pois o vapor, V, ficará menosconcentrado no composto a ser esgotado. Como aumento da relação V/L, haverá, então, umaumento no potencial de esgotamento.

3.6 Resumo dos Fatores que Influenciamos Processos de Absorção e Esgotamento

Favorece a absorção Favorece o esgotamentoAumento da pressão do gás(aumento da pressão parcialdo composto a ser absorvido)Redução da temperaturaBaixa concentração do com-posto a ser absorvido no líqui-do utilizado para a absorçãoAlta relação L/V

Redução da pressão do gás(redução da pressão parcial docomposto a ser esgotado)Aumento da temperaturaBaixa concentração do com-posto a ser esgotado no vaporutilizado para o esgotamentoAlta relação V/L

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Operações Unitárias

3.7 EquipamentosPara a operação de absorção e esgotamen-

to, são utilizados os mesmos equipamentos quepara a operação de destilação, principalmentetorres com recheios, embora torres com pra-tos com borbulhadores ou com pratos valvu-lados também sejam empregadas.

As torres com recheios são mais utiliza-das em processos de absorção, pois nesta ope-ração as vazões de líquido e vapor, geralmen-te, não sofrem muita alteração ao longo doprocesso. Na operação correta, a torre está cheiade gás e o líquido desce através da coluna. Orecheio, desta forma, está sempre coberto poruma camada de líquido permanentemente emcontato com o gás. A vazão de líquido não podeser muito pequena, caso contrário o recheionão ficaria molhado de maneira uniforme. Avazão de vapor não pode ser excessivamentealta, pois dificultaria a descida do líquido natorre.

A transferência de massa entre as fases épromovida pelo recheio no interior da coluna.Este mantém o contato íntimo e contínuo en-tre as fases em toda a extensão de cada leitorecheado.

Anotações

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Operações Unitárias

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4Processos de ExtraçãoLíquido-Líquido

4.1 IntroduçãoA operação denominada Extração Líqui-

do-Líquido é empregada nos processos de se-paração de um ou mais compostos de umamistura líquida, quando estes não podem serseparados por destilação de forma economi-camente viável.

Geralmente, tais separações ocorrem nosseguintes casos:

a) os componentes a serem separados sãopouco voláteis – seria necessário, en-tão, utilizar processos com temperatu-ras muito altas, combinadas com pres-sões muito baixas, com a finalidade deconseguir a separação desejada;

b) os componentes a serem separados têmaproximadamente as mesmas volatili-dades – neste caso, seria necessária autilização de colunas de destilação comum número muito grande de estágiosde separação (pratos), conseqüente-mente torres muito elevadas, a fim deconseguir a separação desejada;

c) os componentes são susceptíveis à de-composição – os compostos ou com-ponentes a serem separados sofrem de-composição quando atingem a tempe-ratura necessária para a separação;

d) o componente menos volátil que se querseparar está presente em quantidademuito pequena – não seria economi-camente viável, em tal situação, vapo-rizar toda a mistura líquida para ob-ter o produto desejado.

4.2 ConceitoO processo de Extração Líquido-Líquido

é a operação no qual um composto dissolvidoem uma fase líquida é transferido para outrafase líquida.

A fase líquida, que contém o composto aser separado, é denominada de solução e ocomposto a ser separado é denominado desoluto.

A fase líquida, utilizada para fazer a se-paração do soluto, é denominada de solvente.O solvente deverá ser o mais insolúvel possí-vel na solução.

De acordo com a natureza do compostoque se quer extrair da solução, isto é, o soluto,basicamente, há dois tipos de extração:

a) extração de substâncias indesejáveis –o soluto é uma impureza que deverá serretirada da solução. O produto dese-jado neste processo de separação é asolução livre do soluto. Como exem-plo, pode ser citada a extração de com-postos de enxofre existentes nos deri-vados de petróleo, como a gasolina, oquerosene e outras correntes. Um ou-tro exemplo é a retirada de compostosaromáticos de correntes de óleos lubri-ficantes para purificação dos mesmos;

b) extração de substâncias nobres – osoluto é, neste caso, o composto dese-jado após a operação de separação, orestante da solução é o produto inde-sejável do processo. Como exemplo,tem-se citar a separação do butadienode uma mistura entre o buteno e o bu-tadieno, na indústria petroquímica, uti-lizando-se como solvente neste proces-so de extração uma solução aquosa deacetato cupro-amoniacal.

4.3 Mecanismo da ExtraçãoO mecanismo do processo de extração

ocorre, basicamente, de acordo com as seguin-tes etapas:

a) mistura ou contato íntimo entre o sol-vente e a solução a ser tratada. Ao lon-go desta etapa, ocorrerá a transferênciado soluto da solução para a fase sol-vente;

b) a separação entre a fase líquida da so-lução, denominada de rafinado, e a faselíquida solvente, denominada de extrato;

c) recuperação do solvente e do soluto.

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Operações UnitáriasPara a recuperação do soluto do solvente, é

necessário que estes tenham características quepermitam a separação dos mesmos através deum simples processo de destilação ou qualqueroutro tipo de separação simples e possível.

O ciclo da extração pode ser representadopela figura seguinte, de forma que a massa es-pecífica do solvente é menor do que a massaespecífica da solução, para que seja possível aextração.

4.4 Equipamentos do Processo deExtração4.4.1 De um único estágio

Neste tipo de equipamento, os líquidos sãomisturados, ocorre a extração e os líquidosinsolúveis são decantados. Esta operação po-derá ser contínua ou descontínua. Este equi-pamento é correspondente ao esquema da fi-gura anterior.

4.4.2 De múltiplos estágiosBaseado, ainda, no exemplo da figura an-

terior, caso o rafinado (A + B) seja mais uma

vez processado e a este seja adicionada novaporção de solvente, será possível extrair maissoluto da solução e o rafinado tornar-se-á ain-da mais puro. Quanto maior o número de está-gios, maior será a extração.

Se, ao invés de ser utilizado solvente novoe puro para cada caso, um sistema em contra-corrente, for empregado, o solvente puro en-trará em contato com a carga em contracor-rente e tem-se então um sistema de múltiplosestágios, que formam uma sucessão de estágiossimples.

Como exemplo, pode-se observar a figura aseguir, que mostra um sistema para dois estágios.

a) torre de dispersão;

b) torre com recheios;

c) torre agitada.

Nota: Não são utilizados pratos com borbulhadores emequipamentos de extração.

Os equipamentos que fazem a extraçãolíquido-líquido em múltiplos estágios utilizamo princípio desta figura uma única coluna, ge-ralmente, semelhantes a uma torre de destila-ção, podendo ou não conter recheios ou aindabandejas. Os principais tipos de equipamen-tos são:

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Operações Unitárias

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Os equipamentos mencionados anteriormente podem ser observados nas figuras a seguir:

4.5 Equilíbrio entre as Fases LíquidasExiste uma analogia, que se pode fazer,

entre os processos de esgotamento e ou absor-ção em relação ao processo de extração.

A fase líquida do solvente, o extrato,pode ser considerada como a fase vapor,enquanto que a fase líquida da solução, orafinado, pode ser considerada a fase líquida.

Na absorção e no esgotamento, quando as duasfases entram em equilíbrio, não há mais alte-ração da composição nem da fase líquida, nemda fase vapor. Da mesma forma na extração,quando é atingido o equilíbrio entre as fases,então não haverá mais alteração das composi-ções do extrato e do rafinado, o que está ilus-trado na figura a seguir.

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Operações Unitárias

4.6 Fatores que influenciam a Extração4.6.1 Relação Solvente-Carga

De forma semelhante ao processo de ab-sorção, na extração, também existe uma rela-ção mínima solvente/carga, abaixo da qualnão é possível efetuar a extração desejada.Quanto maior a relação solvente/carga, me-lhor será a extração, pois uma concentraçãomaior de solvente na solução aumentará o po-tencial de transferência de massa do soluto paraa fase líquida do solvente, com a conseqüenteformação do extrato.

4.6.2 Qualidade do solventeNos casos em que o solvente é recupera-

do, após a extração, quanto mais isento desoluto ele retornar para a torre de extração,melhor será a extração, pois sua composiçãoestará mais afastada da composição de equilí-brio com a carga e maior será a transferênciade soluto da fase da solução (carga) para a fasesolvente.

4.6.3 Influência da temperaturaEmbora seja adequado que o solvente

apresente insolubilidade na carga, isto na prá-tica não ocorre, pois sempre existe , ainda quepequena, uma solubilidade mútua entre as fa-ses que aumenta com a elevação da tempe-ratura. A composição das duas fases em equi-líbrio muda, então, com a alteração da tempe-ratura. Isto pode influenciar de forma negati-va na extração desejada. Portanto, nunca sedeve operar com temperaturas acima das re-comendadas para um certo processo de extra-ção, pois poderá ocorrer a dissolução de parteou até mesmo de todo o solvente na carga ouvice-versa, impedindo a separação das duasfases líquidas. Caso haja uma certa dissolu-ção de solvente na carga ou vice-versa, o equi-pamento não terá uma operação satisfatóriacom conseqüente queda de eficiência no pro-cesso de extração.

Anotações

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Operações Unitárias

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5Fluidização de Sólidose Separação Sólido

5.1 Fluidização de sólidos5.1.1 Conceito

Para compreender melhor o conceito defluidização de sólidos, suponha que um fluidolíquido ou gasoso esteja escoando vagarosa-mente através de um leito de partículas sóli-das finamente divididas. Os sólidos agem comoum obstáculo à passagem deste fluido, ocasio-nando uma queda de pressão (DP), devido aoatrito, que aumenta com o aumento da veloci-dade. Ao aumentar ainda mais a velocidadedo fluido, os canais de passagem formados pelomesmo aumentam e as partículas sólidas fi-cam mais separadas. Nesse ponto, inicíasse afluidização do leito de sólidos, pois estes per-dem suas características e passam a se com-portar como fluidos, de modo a seguir as leisde escoamento de fluidos, em que a pressão éproporcional à altura do leito.

Caso continue o aumento da velocidadede escoamento do fluido, haverá um ponto emque as partículas sólidas serão arrastadas, des-fazendo-se, desta maneira, o leito sólido.

5.1.2 Objetivo da FluidizaçãoA principal aplicação da operação com

leito fluidizado é em processos cujas reaçõesquímicas envolvam catalisadores, como nocaso do processo de craqueamento catalítico.Neste, o catalisador sólido finamente divididoestá em forma de leito fluidizado. O estadofluidizado do catalisador, além de garantir seumelhor contato com a carga devido ao aumen-to da área específica do catalisador com ele,permite que o catalisador seja escoado de umvaso para outro por diferença de pressão, comose fosse um líquido. Evita-se, desta forma, autilização de equipamentos de transporte desólidos, como caçambas, esteiras rolantes, cor-reios ou outros métodos de transporte de lei-tos sólidos.

5.1.3 Tipos de FluidizaçãoExistem dois tipos de fluidização, a parti-

culada e a agregativa.A fluidização particulada ocorre, prin-

cipalmente, quando o fluido é um líquido, en-quanto a fluidização agregativa ocorre quan-do o fluido é um gás.

Na fluidização particulada, o início doprocesso é caracterizado por um rearranjo daspartículas de forma a oferecer maior área livrepara o escoamento, porém sem que as partícu-las percam o contato entre elas.

Na fluidização agregativa, o início é ca-racterizado por um fenômeno semelhante àebulição, ou seja, bolhas de gás atravessam oleito sólido e rompem-se na superfície, em-purrando as partículas de sólido para cima.

A fluidização do tipo agregativa é aquelaque ocorre no processo de craqueamento ca-talítico.

5.1.4 Dimensões do Leito FluidizadoA altura necessária do equipamento que

contém o leito aumenta com a velocidade deescoamento do fluido, pois o volume de vaziosfica maior com o aumento da velocidade. Aspartículas menores têm velocidade de quedamenor do que as maiores, ou seja, se uma par-tícula de 1 mm não é arrastada pelo fluido, umaoutra de 0,1 mm poderá ser arrastada e aban-donar o leito. Com o constante choque entreas partículas sólidas, aos poucos, elas vão sen-do reduzidas a tamanhos cada vez menores.Para que estas partículas não sejam arrastadas,seria necessária a utilização de velocidadesmuito baixas para o escoamento dos fluidos,o que equivale a construir equipamentos comdiâmetros muito elevados. Mesmo com aconstrução de equipamentos com diâmetrosmuito elevados, ainda haveria o problema deque as partículas maiores não seriam movi-mentadas de forma adequada no leito. Por ou-tro lado, quando ocorre a redução de tama-nho das partículas, sempre existe o arraste de

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Operações Unitáriaspartículas finas para fora do leito. Nos casosem que o fluido é um gás, como no processode craqueamento catalítico, estas partículasfinas são retiradas através de equipamentos es-peciais, denominados ciclones, que promovemo retorno destas para o equipamento que con-tém o leito de sólidos.

5.2 Separação sólido-gásA separação de partículas sólidas de um

gás pode ser efetuada através de diversas ma-neiras, por exemplo, filtração, precipitaçãoeletrostática, aspersão com líquidos, ciclonese outros processos. O mais utilizado em refi-narias, geralmente, é o ciclone, especialmenteempregado em processos de craqueamentocatalítico, onde são retidas as partículas finasdo processo de craqueamento.

No processo de craqueamento catalítico,o gás que entra nos ciclones pela abertura la-teral encontra-se carregado de partículas decatalisador, saindo pela parte superior, o gáspurificado e, por baixo, as partículas de catali-sador, que voltam ao leito.

Dentro do ciclone, as partículas de sóli-dos chocam-se contra as paredes, perdem ve-locidade e, em conseqüência se precipitam.

5.2.2 Arranjos entre os CiclonesPara se obter maior eficiência de remoção de partículas nos ciclones, é possível fazer com-

binações de ligações entre os mesmos. Estas ligações poderão ser em série ou em paralelo,dependendo de cada caso desejado.

Para altas vazões de gás, utilizam-se as ligações em paralelo, com a finalidade de reduzir aperda de pressão (perda de carga) originada pelo processo de separação nos ciclones.

Na figura a seguir observam-se os arranjos mencionados.

O ciclone é um separador por decantação,em que a força da gravidade é substituída pelaforça centrífuga. A força centrífuga que agesobre às partículas pode variar de 5 a 2.500 ve-zes a mais do que a força da gravidade sobre amesma partícula, dependendo das condições dogás e do projeto do ciclone. O ciclone é um equi-pamento muito eficiente e por isso muito utili-zado nos processos de separação sólido-gás.

5.2.1 Fatores que influenciam o funcionamentode um Ciclone

a) Diâmetro das partículas: o ciclone nãoé muito eficiente para partículas meno-res do que 0,005 mm.

b) Velocidade do gás na entrada do ciclo-ne: é muito importante notar que quan-to maior a velocidade do gás que entrano ciclone, mais partículas finas serãoretirada do gás. A velocidade do gásque vai para o ciclone não pode seraumentada de forma indiscriminada,pois a perda de pressão (perda de car-ga) que ocorre no interior do ciclonepoderá ser muito grande.

c) Viscosidade: O aumento da viscosidadedo gás dificulta a remoção das partículas.

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Operações Unitárias

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5.3 Noções básicas do processo de Craqueamento Catalítico

Um ciclone em operação é apresentado a seguir:

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Operações UnitáriasNo processo de craqueamento catalítico,

a carga (gasóleo) entra em contato com o ca-talisador no riser, onde são iniciadas as rea-ções, que ocorrem em fase gasosa. O riser éum tubo de grande dimensão, que fica a mon-tante do reator. O reator, por sua vez, funcionacomo um vaso separador entre os produtosformados e o catalisador.

O catalisador em forma de pó, ou seja,partículas muito finas, quando retirado do rea-tor, está impregnado com coque; por isso ne-cessita de retificação para retornar ao reator.No regenerador, o coque do catalisador é quei-mado na presença de ar, que vem do blower(soprador). Os gases gerados na combustão docatalisador (CO2, CO, H2O, H2, N2, O2 em ex-cesso, e outros gases), antes de serem envia-dos para a atmosfera, passam em uma caldei-ra recuperadora de calor (caldeira de CO), paraque o calor latente dos gases, bem como a quei-ma do CO na caldeira possam ser aproveita-das na geração de vapor.

Os ciclones, que estão localizados no topodo reator, evitam que o catalisador contamineos produtos que saem do reator.

Os produtos gerados no reator seguem parauma torre de fracionamento, onde são separa-dos em frações, como GLP, nafta craqueada,diesel de FCC (LCO) e óleo combustível deFCC. Na torre de fracionamento, ainda éproduzids uma fração denominada borra, que,por conter algum catalisador arrastado do pro-cesso de craqueamento, retorna para o iníciodo processo, junto com a carga.

Anotações

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Operações Unitárias

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6Bombas6.1 Curvas características de BombasCentrífugas

As curvas características de bombas tra-duzem o funcionamento do equipamento emquestão. São produzidas a partir de dadosempíricos (experimentais) do próprio fabrican-te do equipamento, fazendo a bomba vencerdiversas alturas de coluna de líquido, varian-do a vazão do líquido e ao mesmo tempo veri-ficando a potência absorvida pelo eixo da bom-ba e a sua eficiência.

As curvas características, fornecidas pe-los fabricantes de bombas são:

a) curva de carga (H) versus vazão volu-métrica (Q);

b) curva de potência absorvida (Pabs)versus vazão volumétrica (Q);

c) curva de rendimento (h) versus vazãovolumétrica (Q).

Podem ser obtidas teoricamente ou, então,em testes de performance do equipamento emquestão.

6.2 Curva da carga (H) versus vazãovolumétrica (Q)

A carga de uma bomba pode ser definidacomo a energia por unidade de peso. As cur-vas de carga versus vazão, fornecidas pelosfabricantes, apresentam, portanto, normalmen-te uma das seguintes unidades:

kgf x m / kgf = m ou lbf x ft / lbf = ft

A curva “carga” versus “vazão” recebediferentes denominações, de acordo com a for-ma que apresenta:

a) Curva tipo “rising”Nesta curva, a altura manométrica (H)aumenta continuamente com a diminui-ção da vazão, como pode ser observa-do na figura a seguir:

b) Curva tipo “Drooping”Nesta curva, a altura manométrica, naausência de vazão (vazão zero ou va-zão de shut-off), é menor do que a de-senvolvida pelo equipamento para ou-tras vazões, conforme apresentado nafigura a seguir:

c) Curva tipo “steep”Nesta curva, a altura manométrica (H)aumenta rapidamente com a diminui-ção da vazão, conforme se observa nafigura a seguir:

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Operações Unitáriasd) Curva tipo “Flat”:

As curvas características de bombas po-dem ser conceituadas como curvas do tipo es-tável e instável.

1. Curva tipo “estável”Curvas do tipo estável são aquelas em que

um determinado valor de altura manométrica(H) corresponderá somente a uma vazão (Q),como é o caso das curvas dos itens a, c, d(rising, steep, flat).

2. Curva tipo “instável”São aquelas em que um determinado va-

lor de altura manométrica (H) poderá corres-ponder a uma ou duas vazões (Q), como é ocaso da curva do item b (drooping).

6.3 Curva de potência absorvida (PABS.)versus vazão volumétrica (Q)Geralmente, quando se escolhe uma bom-

ba, a maior preocupação é com a potência ab-sorvida pela bomba, pois esta é a requeridapelo acionador da bomba. A seleção do equi-pamento será feita, portanto, com base nestedado de potência.

É importante que se faça a distinção entre“potência útil cedida ao fluido” e “potênciaabsorvida pela bomba”.

A potência útil cedida ao fluido não levaem consideração as perdas que ocorrem noequipamento, enquanto que a potência absor-vida no eixo da bomba é a energia efetivamenteentregue à bomba, para que esta realize traba-lho desejado. A potência absorvida pela bom-ba considera, então, a eficiência do equipamento.

a) Potência útil cedida ao fluido: a potên-cia cedida ao fluido, que não consideraa eficiência da bomba, é a potência re-cebida por ele para a realização do tra-balho de deslocamento do mesmo epode ser expressa pelas equações se-guintes:

PC = r . Q . H / 550

em que:PC = potência cedida em HPr = massa específica em lb/ft3

Q = vazão volumétrica em ft3/sH = altura manométrica em ft

PC = g . Q . H / 550

em que:PC = potência cedida em HPg = peso específico em lbf/ft3

Q = vazão volumétrica em ft3/sH = altura manométrica em ft

PC = g . Q . H / 75

em que:PC = potência cedida em CVg = peso específico em kgf/m3

Q = vazão volumétrica em m3/sH = altura manométrica em m

b) Potência absorvida pela bomba: é a po-tência que a bomba recebe do aciona-dor (motor, turbina ou outro equipa-mento). Analogamente à potência ce-dida, a potência absorvida pode ser ex-pressa pelas equações seguintes:

Pabs = r . Q . H / 550 . h

em que:Pabs = potência absorvida em HPr = massa específica em lb/ft3

Q = vazão volumétrica em ft3/sH = altura manométrica em fth = rendimento da bomba

Pabs = g . Q . H / 550 . h

em que:Pabs = potência cedida em HPg = peso específico em lbf/ft3

Q = vazão volumétrica em ft3/sH = altura manométrica em fth = rendimento da bomba

Pabs = g . Q . H / 75 . h

em que:Pabs = potência cedida em CVg = peso específico em kgf/m3

Q = vazão volumétrica em m3/sH = altura manométrica em mh = rendimento da bomba

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A curva de potência absorvida versus va-zão volumétrica é normalmente fornecida pelofabricante do equipamento e tem a forma quepode ser observada no gráfico a seguir:

6.4 Curva de rendimento (h) versusvazão volumétrica (Q)

O rendimento total pode ser definido pelaseguinte expressão:

h = Potência útil cedida ao fluido / Potênciaabsorvida = PC / Pabs

A curva de rendimento em função da va-zão também é fornecida pelo fabricante doequipamento e tem a forma apresentada nográfico que segue:

6.5 Curvas características de BombasTodas as curvas apresentadas anteriormen-

te são fornecidas normalmente pelo fabrican-te de forma conjunta, ou seja, no mesmo grá-fico, conforme demonstrado na figura a seguir:

Uma outra forma de apresentar a curva derendimento, utilizada pelo fornecedor, pode serobservada no gráfico da figura seguinte:

Através do gráfico, para um par de valo-res H x Q, determina-se o valor do rendimen-to (h) da bomba sob tais condições. No exem-plo do gráfico, para o par H1, Q1, o valor dorendimento da bomba, nestas condições, seriaaquele entre h3 e h4.

6.6 Altura Manométrica do SistemaA carga da bomba, H, quando expressa em

medida linear, por exemplo, metros (m) ou pés(ft), representa qual a altura manométrica quea bomba é capaz de elevar o fluido para cadavazão desejada.

A altura manométrica do sistema é a altu-ra correspondente à diferença de pressão entrea sucção e a descarga da bomba, acrescida dadiferença de pressão devido às perdas por atritona tubulação e nos acessórios da mesma (per-da de carga no sistema).

Considerando a figura seguinte, para setransferir um líquido, do reservatório A para oreservatório C, através de uma bomba B, estádeverá fornecer ao sistema uma carga suficien-te para:

1. compensar a altura geométrica entre osreservatórios (S);

2. compensar a diferença de pressão en-tre o ponto de sucção e o ponto de des-carga (Pd – Ps);

3. compensar a perda de carga na tubula-ção e acessórios da mesma, no trechocompreendido entre os reservatórios.

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Operações Unitárias

Pode-se concluir que enquanto a carga, H,é uma característica da bomba, a altura mano-métrica é uma característica do sistema. A car-ga, H, expressa em medida linear, representaa altura manométrica que a bomba é capaz devencer em determinada vazão.

6.7 Construção gráfica da Curva de umSistema

O gráfico, que apresenta a variação da al-tura manométrica em função da vazão, é de-nominado de curva do sistema, ou seja, mos-tra a variação da energia necessária por unida-de de massa ou peso que o sistema solicita emfunção da vazão.

A determinação da curva de um sistemapoderá ser feita seguindo os passos abaixo in-dicados:

1. fixam-se várias vazões, em torno deseis, escolhendo-se entre estes pontosos correspondentes à vazão de shut-off(vazão zero) e a vazão com a qual sedeseja que o sistema seja operado (va-zão de operação);

2. calculam-se as alturas manométricascorrespondentes às vazões fixadas noitem anterior, ou seja:Q1 ® H1

Q2 ® H2

Q3 ® H3

Q4 ® H4

Q5 ® H5

Q6 ® H63. com os valores dos pares H, Q, locar

os pontos em um gráfico e construir acurva do sistema.

A curva de um sistema apresenta a formasemelhante ao gráfico da figura a seguir:

6.8 Ponto de TrabalhoO ponto de trabalho, também conhecido

como ponto de operação, pode ser encontradoquando se plota curva do sistema no mesmo grá-fico em que se encontram as curvas característi-cas da bomba. A intersecção entre a curva dosistema e a curva H versus Q da bomba mostra oponto de operação ou ponto normal de trabalho,conforme pode ser observado na figura a seguir:

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Operações Unitárias

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Do gráfico anterior, pode-se observar queos pontos normais de trabalho para a bombaem questão são os seguintes:

a) vazão normal de operação: QT;b) carga ou head normal de operação: HT;c) potência absorvida no ponto normal de

operação: PT;d) rendimento da bomba no ponto normal

de operação: hT.Existem diversos recursos que possibili-

tam a modificação, da curva (H X Q) da bom-ba e da curva (H X Q) do sistema, desta for-ma existe a possibilidade da mudança do pon-to de trabalho normal, para o atendimento deuma outra necessidade operacional.

6.8.1 Alteração da Curva (H x Q) do SistemaAlterar a curva (H X Q) do sistema con-

siste, basicamente, em modificar o próprio sis-tema para o qual foi levantada a curva. Estasalterações podem ser realizadas de diversasformas, como por exemplo, a variação daspressões dos reservatórios, a modificação dodiâmetro das linhas, a modificação das cotasdo líquido a ser transferido, modificação dosacessórios da linha, etc, ou seja, qualquer al-teração que implique em alteração da energianecessária para a movimentação do líquidoentre os pontos considerados.

Um simples fechamento de uma válvulade descarga altera a curva do sistema conside-rado, pois estará ocorrendo um aumento daperda de carga do líquido neste sistema, exi-gindo mais energia para a realização da trans-ferência do líquido. Neste caso, a curva do sis-tema terá um súbito aumento e haverá, parauma bomba com curva estável, um decrésci-mo de vazão, conforme demonstrando no grá-fico a seguir:

6.8.2 Fatores que influenciam a Curva (H x Q)da Bomba

As curvas características das bombas po-derão ser alteradas modificando-se alguns fa-tores ou efeitos no próprio equipamento emquestão:

1. modificação da rotação da bomba;2. modificação do diâmetro externo do

impelidor;3. modificação das características do fluido;4. efeito do desgaste do equipamento

(tempo de operação da bomba).

6.9 Fenômeno da CavitaçãoCaso a pressão absoluta, em qualquer pon-

to de um sistema de bombeamento de líquido,for reduzida abaixo da pressão de vapor do lí-quido, na temperatura de operação, parte des-te líquido se vaporizará e nestas condições, asbolhas de vapor formadas, ao atingir regiõesde maiores pressões sofrem um colapso eretornam para a fase líquida. O colapso dasbolhas tem como consequência a formação deondas de choque que causam o fenômeno dacavitação.

6.9.1 Inconvenientes da CavitaçãoOs principais inconvenientes da cavitação

são:a) barulho e vibração – são provocados

pelas ondas de choque geradas pelo co-lapso das bolhas;

b) alteração das curvas características –são provocadas pela diferença de volu-me específico entre o líquido e o va-por, bem como pela turbulência geradapelas ondas de choque;

c) remoção de partículas metálicas(pitting) – são provocadas pelas ondasde choque e potencializados pelo au-mento da temperatura local do material,com a conseqüente alteração das carac-terísticas estruturais.

6.9.2 Principal Região da CavitaçãoUma vez que a cavitação é um fenômeno

que ocorre quando a pressão em um ponto dosistema diminui para valores iguais ou meno-res do que a pressão de vapor do líquido bom-beado, é necessária a determinação da regiãodo sistema de bombeamento onde é mais pro-vável que ocorra o fenômeno da cavitação.Uma ligeira análise aponta a entrada do impe-lidor como a região mais favorável para o iní-cio da cavitação. Nesta região, a energia dofluido é mínima, pois a energia cinética do flui-do foi reduzida devido à perda de carga ocor-rida no trecho de escoamento e o líquido, naentrada do impelidor, ainda não recebeu ne-nhuma quantidade adicional de energia.

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Operações Unitárias

6.9.3 Causas Secundárias da CavitaçãoAs causas secundárias, que podem favo-

recer o fenômeno da cavitação, são deficiên-cias de projeto, operação ou manutenção queprovoquem uma queda local de pressão.

Vazamentos excessivos de líquido atravésde anéis de desgaste de bombas, devido à de-ficiência de projeto ou ainda por falta de acom-panhamento por parte da manutenção, podemgerar, portanto, um distúrbio na entrada dasucção da bomba, provocando perda de pres-são local e conseqüentemente o início do pro-cesso de cavitação.

Outros problemas que podem provocarcavitação são distúrbios na sucção da bomba,como por exemplo, material sólido deposita-do na linha de sucção bloqueando parcialmenteo escoamento do líquido, causando queda depressão local e o início da cavitação.

Distúrbios causados pelo desvio do flui-do na orientação principal, na saída da voluta,também podem causar queda de pressão lo-cal, com decorrente início do fenômeno dacavitação, conforme pode ser observado nafigura a seguir.

Bombas operando fora da sua vazão deprojeto podem ocasionar turbulência, comconseqüente queda da pressão local, ocasio-nando, desta forma, o fenômeno da cavitação.

Este problema ocorre devido à incompa-tibilidade entre o ângulo de saída do fluido e aposição fixa das pás difusoras, conforme apre-sentado na figura seguinte.

Projetos inadequados de bombas podemocasionar a indução de fluxo em sentido in-verso ao fluxo normal na sucção. Uma quedade pressão pode ser gerada e em decorrência ofenômeno da cavitação, conforme demonstra-do na figura a seguir.

6. 10 NPSH (Net Pressure Suction Head)Existem duas definições para o NPSH, são

elas o NPSH disponível e o NPSH requerido.

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Operações Unitárias

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6.10.1 NPSH disponívelO NPSH disponível é a quantidade de

energia que o líquido possui no flange da suc-ção da bomba, acima da pressão de vapor dopróprio líquido.

Cálculo do NPSH disponívelO cálculo realizado para encontrarmos o

NPSH disponível na sucção da bomba é o se-guinte:

(NPSH)D = (P / g) – (PV / g) + h – hFS

em que:(NPSH)D ....... altura manométrica disponível

na sucção da bomba.P ................... pressão absoluta no reservató-

rio (Pmanométrica + Patm).h ................... diferença de cotas entre a suc-

ção da bomba e o nível do re-servatório.

g ................... peso específico do fluido natemperatura de escoamento.

hFS ................. perda de carga no trecho entreo reservatório e a entrada doolho do impelidor.

Pv .................. pressão de vapor na tempera-tura de escoamento.

Fatores que influenciam o (NPSH)DOs fatores que interferem diretamente o

NPSH disponível são a altura estática de suc-ção, a altitude local que influencia na pressãoatmosférica, a temperatura de operação, o pesoespecífico do líquido e os tipos de acessóriosexistentes no trecho de linha entre o reserva-tório e a sucção da bomba.

6.10.2 NPSH requeridoO NPSH requerido é a altura manométri-

ca necessária para vencer as perdas por fric-ção no bocal e na entrada do impelidor, demodo a garantir que a pressão local esteja aci-ma da pressão de vapor do líquido na zona demenor pressão do impelidor.

O NPSH requerido é sempre fornecidopelo fabricante do equipamento.

6.10.3 NPSH disponível versus NPSH requeridoO NPSH disponível sempre deverá ser

maior do que o NPSH requerido, pois do con-trário tem-se a ocorrência do fenômeno da ca-vitação. Antes da escolha da bomba que fará otrabalho desejado, tem-se sempre que calcular

o NPSH disponível na sucção com a finalida-de de se escolher o equipamento adequado àsituação desejada.

(NPSH)D > (NPSH)R(Sempre)

Graficamente, pode-se delimitar a faixa devazão de operação de uma bomba, sem o riscoda ocorrência do fenômeno da cavitação, uti-lizando-se o conceito do NPSH, conformeobservado no gráfico da figura a seguir:

6.11 Associação de BombasExistem duas maneiras distintas de se fa-

zer associação de bombas: em série ou emparalelo. Ambas são usuais, porém a utiliza-ção de um caso ou de outro depende das ne-cessidades exigidas em cada processo opera-cional, pois são associações destinadas a re-solver problemas distintos.

No caso de exigência de alturas manomé-tricas muito elevadas, utiliza-se a associaçãode bombas em série, no entanto, quando aexigência trata-se de vazão elevada, então a as-sociação das bombas deverá ser feita em para-lelo.

6.11.1 Associação de Bombas em SérieNo caso da associação de bombas em sé-

rie, utilizada para o aumento da altura mano-métrica, a descarga de cada bomba será co-nectada à sucção da seguinte, até o último equi-pamento. A vazão do sistema, nesta situação,será limitada pela bomba que apresenta me-nor vazão, ou seja, a vazão do sistema corres-ponderá a apenas uma bomba, enquanto a pres-são de descarga será a soma das pressões dedescarga de cada bomba.

A associação de bombas em série, por-tanto o flange de sucção e a carcaça de cadabomba deverão suportar a pressão desenvol-vida pelas anteriores, lembrando que o últimoflange e a última carcaça deverão suportar apressão total do sistema.

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Operações Unitárias

A seleção das bombas para uma associa-ção em série é realizada, levando-se em conta

A curva característica do conjunto, re-sultante desta associação é obtida a partir dacurva característica de cada bomba individual,somando-se as alturas manométricas corres-pondentes aos mesmos valores de vazão, con-forme apresentado nos gráficos seguintes.

(2) bombas com mesma curva.

(1) bombas com curvas diferentes.

a vazão e a altura manométrica necessárias parao sistema. Assim, a vazão a ser considerada éigual para todas as bombas, e a altura mano-métrica que cada bomba deverá desenvolverserá a altura manométrica total exigida pelosistema, dividida pelo número de unidades emsérie.

6.11.2 Associação de Bombas em ParaleloEste tipo de associação é utilizado quan-

do a vazão exigida pelo sistema for muito ele-vada ou então quando a vazão do sistema va-riar de forma definida.

Quando a associação for utilizada paravazões muito elevadas, a utilização das bom-bas em paralelo tem como vantagem adicionala segurança operacional, pois no caso de falhade qualquer um dos equipamentos, haveriaapenas uma diminuição de vazão e não o co-lapso total da vazão do sistema.

Quando a vazão exigida pelo sistema évariável, então a associação das bombas emparalelo ocasionará maior flexibilidade ope-racional, uma vez que a colocação ou a retira-da de operação de bombas atenderá às vazõesnecessárias do sistema com maior eficiência.Caso houvesse somente uma bomba para arealização deste tipo de operação, fatalmenteeste equipamento seria operado em pontos debaixa eficiência, ou seja, fora do ponto de tra-balho.

A curva característica do conjunto, é obti-da somando-se as vazões correspondentes aosmesmos valores da altura manométrica exigidapelo sistema.

O esquema de associação e a curva carac-terística do conjunto podem ser observados nasfiguras abaixo.

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Operações Unitárias

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Exercícios01. Conversão de unidade:

– Converter 500 milhas em metros.– Converter 7.000 mm em polegadas.– Converter 652 milhas em pés.– Converter 3,22 x 106 mm em milhas.– Converter uma área de 6.000 alqueires

em km2.– Converter uma área de 1.500 ft2 em m2.– Converter 22.960 ft em km.– Converter uma área de 780.000 ft2 em

alqueires.– Converter uma área de 3.000 in2 em m2.– Converter uma área de 1.500 ft2 em m2.– Converter um volume de 23.850 m3 em

barris.– Converter um volume de 30.000 m3 em

galões.– Converter um volume de 7.000 barris

em ft3.– Converter um volume de 1.200.000

barris em m3.– Converter um volume de 7.000 galões

em ft3.– Converter uma massa de 16.300 lb em

toneladas.– Converter uma massa de 21.300 lb em kg.– Converter uma pressão de 750 in Hg

em Kgf/cm2.– Converter uma pressão de 80 ft H2O

em Kgf/cm2.– Converter uma pressão de 800 mm Hg

em m H2O.– Converter uma pressão de 150 psig em

Kgf/cm2 absoluta (Patm = 745 mm Hg).– Converter uma pressão de 300 gf/cm2

em atm.– Converter 750 ft.lbf/s em KW.– Converter 3.000 KVA em CV.– Converter 90 HP em CV.– Converter 1.600 HP em KW.– Converter 500 BTU/min em KJ/s.– Converter 75 ft.lbf em gcal.– Converter 3.900 Kcal em BTU.– Converter 9.500 Kcal em ft.lbf.– Converter 49.000 gcal em Kcal.– Converter 267ºC em ºF.– Converter 38ºF em K.– Converter 156ºC em R.

02. Um vapor, contendo, em peso, 30% depropano, 30% de n-butano e 40% de n-pentano,é a carga de uma torre de produção de propano.O produto de topo produzido neste processoapresenta a composição, em peso, de 65% depropano, 25% de n-butano e 10% de n-pentano. A recuperação do propano, no produto detopo, é de 96% em peso. Sabendo-se que amassa específica do propano é de 0,51 g/cm3 eainda que 60%, em peso, da carga sai comoproduto de fundo neste processo, calcule a car-ga desta torre para uma produção de 12 t/d depropano.

03. As composições molares da carga e do des-tilado de uma torre de destilação são dadosabaixo:

Componente Carga (%) Destilado (%)Propano 20 35Propeno 29 50Buteno-1 34 10n-Butano 17 5

Sabendo-se que a produção molar de des-tilado corresponde a 40% da carga, qual a com-posição ponderal do produto de fundo destatorre. Massas molares:

propano = 44; propeno = 42;buteno-1 = 56; n-butano = 58

04. Em um processo de obtenção de álcooletílico, uma certa coluna opera com uma car-ga contendo 3,5% de etanol e 96,5% de água.A produção de destilado contém 70% de etanole o resíduo contém 0,001%. Os percentuaisestão representados em mol. Suspeita-se que haja um vazamento de águano condensador de topo desta coluna. Atravésde um balanço material, estimar o vazamentode água pelo condensador, caso este estejaocorrendo.

05. Um determinado sólido, contendo 20% emmassa de água, necessita ser secado para pro-duzir um sólido que contenha no máximo 4%de água. Calcule o percentual de remoção deágua do sólido original.

06. Deseja-se separar através do processo dedestilação uma mistura F, cuja composição emmassa, xF, é:

a = 50% ; b = 30% e c = 20%

Page 40: Apostilas petrobras   operacoes unitárias

40

Operações UnitáriasO destilado ou produto de topo deve ter

uma razão em relação à carga igual a 60% esua composição em massa, xD, é:

a = 80% ; b = 18% e c = 2%Baseado nos pontos expostos, calcular:a) A razão do resíduo em relação à carga;b) A composição, em massa, do resíduo (xW);c) O percentual de recuperação do com-

ponente a no destilado;d) O percentual de recuperação do com-

ponente c no resíduo.

07. Uma corrente de 20.000 SCFH de um gás,com composição molar de 10% de SO2, 5%de O2 e 85% de N2, deverá ser tratada em umatorre de absorção com 1.000 lb/h de água, paraa remoção de todo o SO2. Calcular as vazõesde gás, em SCFH, e da água rica em SO2, emlb/h, que saem da torre de absorção.

Dados:SCFH = standard cubic feet per hour (ft3/h nasseguintes condições: t = 60ºF e P = 14,7 psi)Constante universal dos gases =(R) = 0,73 atm . ft3 / lbmol . ºRPeso molecular:S = 32; O = 16; N = 14

08. Em uma caldeira, são produzidos 50 t/hde vapor superaquecido a 397ºC. Para isto, a mes-ma recebe água desmineralizada, que, após a tro-ca de calor em um certo permutador de calor,entra na caldeira a 62 ºC. Sabendo-se que o Cpda água é 1 cal/g. ºC, que a entalpia do vaporsuperaquecido na temperatura em questão é762 Kcal/kg, que o poder calorífico do gás com-bustível é 10.400 Kcal/kg e do óleo combustívelde refinaria é de 9.400 Kcal/kg, pergunta-se:

a) Qual a quantidade de calor envolvida nes-te processo para a realização desta tarefa?

b) Qual a quantidade de combustível a serqueimado na caldeira para a realizaçãodesta tarefa no caso de ser utilizado so-mente óleo combustível;

c) Qual a quantidade de combustível a serqueimado na caldeira para a realizaçãodesta tarefa no caso de ser utilizado so-mente gás combustível;

d) Qual seriam as quantidades de óleo ede gás combustível no caso de umaqueima mista na caldeira. Considere acontribuição da quantidade de calor en-volvida no processo correspondente a35% com relação ao gás e o restanterelativo ao óleo?

09. A carga de uma coluna de destilação, queopera com pressão atmosférica, é de 10 t/h deuma mistura líquida, cuja composição molaré 60% de benzeno e 40% de tolueno. A carga,antes de entrar na torre, está a 35ºC e é pré-aquecida pelo produto de fundo desta coluna.O destilado contém 98,2% de benzeno e estásaturado na temperatura de 81ºC. A razão derefluxo externo de topo na coluna é de 3:1. Oproduto de fundo da coluna (resíduo) contém3,2% em mol de benzeno, sai da torre na tem-peratura de 109ºC, e é enviado para ser arma-zenado na temperatura de 50ºC, após trocarcalor, em um permutador que pré-aquece a car-ga. O condensador de topo utiliza água de res-friamento para a condensação do produto detopo da coluna, que entra na temperatura de30ºC e sai na temperatura de 50ºC. O referve-dor de fundo da coluna utiliza vapor de águadisponível à pressão absoluta de 4,5 kgf/cm2,que entra a 200ºC e sai na temperatura de sa-turação. Calcular:

a) Vazão mássica do vapor de topo, dodestilado e do produto de fundo;

b) Carga térmica do condensador de topoem Kcal;

c) Carga térmica do refervedor em Kcal;d) Carga térmica do pré-aquecedor em

Kcal;e) A vazão mássica de vapor no refervedor

e a vazão mássica de água de resfria-mento no condensador em t/h.Dados:Massa molar:Benzeno = 78, Tolueno = 92Entalpias:

1 Kcal = 4,1868 KJEntalpia do vapor de água a 4,5 kgf/cm2 e200ºC = 682,4 Kcal/kgEntalpia do vapor de água saturado = 655,2 Kcal/Kg(Cp)A.R. = 1,0 cal/g .ºC

10. Dada a curva de potência em função davazão de uma bomba, representada no anexoIII, e sabendo-se, ainda, que o fluido tem mas-sa específica de 0,84 g/cm3, calcular:

Tempo oC

Benzeno (KJ/kg)

355081109

–229,7–203,5–148,1

–92,3

Tolueno (KJ/kg)Líquido Vapor Líquido Vapor

192,6208,6244,5277,7

–199,9–173,2–116,3–58,7

209,0227,2267,8307,5

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Operações Unitárias

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a) Associação da bomba A em série coma bomba C;

b) Associação da bomba B em série coma bomba D;

14. No anexo V, são apresentadas as curvascaracterísticas de duas bombas, A e B. Basea-do nestas curvas, pede-se para plotar a curvacaracterística da associação, em paralelo, des-tas bombas.

a) O rendimento da mesma, quandooperando com vazões de 30, 35 e40 m3/h, que correspondem a alturasmanométricas respectivas de 212, 208e 204 m, considerando impelidor de di-âmetro 12 ½”;

b) O rendimento da mesma, quando ope-rando com vazões de 30, 35 e 40 m3/h,que correspondem a alturas manomé-tricas respectivas de 98, 92 e 82 m, con-siderando impelidor de diâmetro 9 ½”.

c) A potência útil cedida ao fluido, emcada caso dos itens acima.

Dados adicionais:1 kg = 2,2 lb; 1 m3 = 35,31 ft3; 1 m = 3,28 ft

11. Em um processo em que existe a necessi-dade de transferência de um produto de umvaso na unidade até um reservatório, preten-de-se utilizar uma bomba, cuja curva está re-presentada nos anexos I e II. Sabendo-se que,a curva do sistema é representada pela equa-ção H = 2,5 + 0,5 . Q e que a altura manomé-trica necessária para a realização desta opera-ção é de no mínimo 9 m, verificar a possibili-dade da realização desta tarefa utilizando oequipamento em questão. Em caso positivo,pede-se a vazão de operação para este proces-so, assim como o NPSH requerido desta bom-ba para esta vazão.

12. Um derivado de petróleo deverá ser trans-ferido de um vaso no processo, cuja pressãomanométrica é de 0,30 Kgf/cm2 e cuja cota dasucção da bomba é de 1.367 mm, até um re-servatório onde a pressão é atmosférica e cujacota é de 6.008 mm. A vazão de operação ne-cessária, para que o processo seja contínuo, éde 19 m3/h. O produto a ser bombeado tempeso específico de 0,75 gf/cm3 e pressão devapor de 0,50 Kgf/cm2, na temperatura de es-coamento. A perda de carga no trecho entre aentrada do olho do impelidor e a entrada doreservatório é de 4,5 m. Caso seja utilizada umabomba, cuja curva de NPSH requerido estárepresentada no anexo II, pesquisar se esteequipamento poderá fazer esta operação sema ocorrência do fenômeno da cavitação?

Dado: pressão atmosférica local 0,97 atm.

13. No anexo IV, estão representadas as cur-vas características de quatro bombas, A, B, Ce D. Baseado nestas curvas, plotar a curva ca-racterística das seguintes associações:

Anotações

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Operações Unitárias

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Operações Unitárias

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Operações Unitárias

ANEXOS

1. Diâmetro do impelidor = ��

� ��

2. Diâmetro do impelidor = ��

� ��

3. Diâmetro do impelidor = ��

� ��

ANEXO I

CURVAS CARACTERÍSTICAS DA BOMBA

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Operações Unitárias

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ANEXO II

CURVA DO NPSH REQUERIDO DA BOMBA

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Operações Unitárias

1. Diâmetro do impelidor = ��

�� ��

2. Diâmetro do impelidor = ��

� ��

ANEXO III

CURVA DE POTÊNCIA ABSORVIDA BHP

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Operações Unitárias

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ANEXO IV

BOMBA A = CURVA 1 BOMBA C = CURVA 3BOMBA B = CURVA 2 BOMBA D = CURVA 4

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Operações Unitárias

ANEXO V

BOMBA A = CURVA 1 BOMBA B = CURVA 2

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Operações Unitárias

Principios Éticos da PetrobrasA honestidade, a dignidade, o respeito, a lealdade, odecoro, o zelo, a eficácia e a consciência dos princípioséticos são os valores maiores que orientam a relação daPetrobras com seus empregados, clientes, concorrentes,parceiros, fornecedores, acionistas, Governo e demaissegmentos da sociedade.

A atuação da Companhia busca atingir níveis crescentesde competitividade e lucratividade, sem descuidar dabusca do bem comum, que é traduzido pela valorizaçãode seus empregados enquanto seres humanos, pelorespeito ao meio ambiente, pela observância às normasde segurança e por sua contribuição ao desenvolvimentonacional.

As informações veiculadas interna ou externamente pelaCompanhia devem ser verdadeiras, visando a umarelação de respeito e transparência com seusempregados e a sociedade.

A Petrobras considera que a vida particular dosempregados é um assunto pessoal, desde que asatividades deles não prejudiquem a imagem ou osinteresses da Companhia.

Na Petrobras, as decisões são pautadas no resultado dojulgamento, considerando a justiça, legalidade,competência e honestidade.