Operaes na indstria que envolvem transferncia de massa

Pesquisa Bibliogrfica

ALUNA: Joyce Tchmola

RA: 11072009

PERODO: Noturno

DISCIPLINA: Transferncia de Massa

Prof.: Cladia Boian

Santo Andr

Maio de 2015

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Sumrio

Introduo ................................................................................................................................... 4

Descrio, identificao de onde ocorre e exemplos dos processos que envolvem transferncia

de massa ...................................................................................................................................... 4

Destilao simples e fracionada ............................................................................................. 4

Absoro de gases .................................................................................................................. 6

Umidificao e desumidificao de ar.................................................................................... 7

Secagem .................................................................................................................................. 8

Extrao lquido-lquido ......................................................................................................... 8

Extrao slido-lquido ........................................................................................................ 10

Cristalizao ......................................................................................................................... 10

Adsoro e troca inica ........................................................................................................ 11

Separao por membranas .................................................................................................... 12

Desaerao ............................................................................................................................ 13

Difuso ................................................................................................................................. 13

Referncias Bibliogrficas ........................................................................................................ 14

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Resumo

Este trabalho trata de uma pesquisa bibliogrfica sobre as operaes na indstria

que envolve a transferncia de massa. Primeiro, contextualiza-se o fenmeno de

transferncia de massa brevemente na introduo. Em seguida, 11 (onze) operaes so

apresentadas atravs da descrio, identificao de ocorrncia de transferncia de massa e

exemplos destes processos, sendo estas: destilao simples e fracionada, absoro de

gases, umidificao e desumidificao de ar, secagem, extrao lquido-lquido, extrao

slido-lquido, cristalizao, adsoro e troca inica, separao por membranas, desaerao

e difuso.

PalavrasChave: tranferncia de massa, indstria.

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Introduo

Entende-se por transferncia de massa, o transporte de um componente de uma

regio de alta concentrao para outra de baixa concentrao [TANNOUS, 2011]. Essa

transferncia pode ocorrer pelo mecanismo da difuso molecular ou da conveco.

O fenmeno est presente em diversos processos industriais tais como na remoo

de substncias volteis poluentes por adsoro, remoo de gases volteis a partir de

guas residurias, difuso de partculas adsorvidas no interior dos poros de carvo ativado,

determinao da taxa de reao qumica e biolgica catalisada, produo de lcool e

secagem de madeira.

Para estud-lo, fundamental entender o conceito de operaes unitrias.

Introduzido por Arthur D. Little em 1915, ele consiste em:

Operao Unitria toda a unidade do processo onde os materiais sofrem alteraes

no seu estado fsico ou qumico e que pode ser projectada com base em princpios

fsico/qumicos comuns

So diversas e cada vez em maior nmero as Operaes Unitrias que se usam no

processo de fabricao, mas podemos organiz-las em 4 (quatro) grandes grupos, tendo em

conta os princpios fsico/qumicos subjacentes:

Operaes baseadas em Transferncia da Quantidade de Movimento (por exemplo

Sedimentao, Ciclonagem, Moagem, etc.);

Operaes baseadas em Transferncia de Massa (por exemplo Destilao, Extrao,

Absoro, Adsoro, etc.);

Operaes baseadas em Transferncia de Calor (por exemplo os Permutadores de

Calor);

Operaes baseadas simultaneamente em Transferncia de calor e Massa (por exemplo

Evaporao, Cristalizao, etc.).[PLVPQ, 2015]

Descrio, identificao de onde ocorre e exemplos dos processos que

envolvem transferncia de massa

Destilao simples e fracionada

A destilao uma operao que permite a separao de misturas de

lquidos em seus componentes puros ou prximos da pureza, por meio de

evaporao e condensao dos componentes em questo. O agente de separao

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o calor. O processo de destilao muito utilizado na indstria qumica, como por

exemplo, na obteno de lcool retificado de uma mistura de fermentao, ou ainda,

na indstria petrolfera para a separao das fraes contidas no petrleo bruto,

como gs combustvel, GLP, nafta, querosene, diesel, gasleo, leo combustvel.

Os conceitos de volatilidade e equilbrio vapor so fundamentais para a

melhor compreenso do mecanismo de separao que ocorre na destilao.

A separao em uma coluna de destilao acontece devido volatilidade

relativa de um componente em relao a outro, ou seja, a frao mais voltil em uma

mistura aquela que em estado puro possui maior presso de vapor, isto , tem

maior tendncia a evaporar.

Quanto ao equilbrio lquido-vapor este trata-se de um fenmeno que ocorre

com todo lquido quando mantido em sistema fechado. O lquido tende a entrar

naturalmente em equilbrio termodinmico com o seu vapor. Isto ocorre quando as

taxas das molculas que atravessam a interface em um sentido e no outro se

igualam.

A destilao simples realizada em bateladas. A carga de lquido

introduzida em um vaso provido de aquecimento, entrando em ebulio. Os vapores

so retirados pelo topo atravs do condensador, onde so liquefeitos e coletados em

outros recipientes. A primeira poro do destilado ser a mais rica em componentes

volteis. medida que prossegue a vaporizao, o produto vaporizado torna-se mais

voltil e o lquido residual torna-se menos voltil, pois o percentual de componentes

leves no lquido residual vai sendo esgotado. O destilado, que vapor condensado,

poder ser coletado em pores separadas denominadas de cortes. Estes podem

produzir uma srie de produtos destilado com vrios graus de pureza.

A destilao fracionada o tipo de destilao mais utilizada em indstrias de

grande porte, pois diferente da destilao simples, possvel a separao em vrias

fraes, em uma mesma coluna, pois, pode-se ter temperaturas, vazes e

composies constantes em um dado ponto da coluna. Trata-se de uma operao de

separao de misturas por intermdio de vaporizaes e condensaes sucessivas.

Neste processo no existem reaes qumicas, somente troca trmica, devido

ao refervedor de fundo e ao condensador de topo, e tambm troca de massa entre o

vapor ascendente e o lquido descendente no interior da coluna de destilao.

[LACERDA, 2002]

De maneira geral, a destilao aplica-se em muitos outros processos

industrias, seja na purificao das matrias-primas do processo seja na separao

de impurezas, por exemplo dos produtos de reao. Assim, a destilao uma

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operao essencial na indstria de polmeros, alimentar, farmacutica, dos

biocombustveis (produo de bioetanol), na dessalinizao da gua, etc. [PLVPQ,

2015]

Figura 01: Colunas de destilao

Absoro de gases

A absoro de gases (designada em lngua inglesa por Gas Absorption ou

ainda por Scrubbing) um processo com o qual se pretende remover

preferencialmente um ou mais componentes de uma mistura gasosa por contato com

uma corrente lquida onde esses componentes se dissolvem. A operao inversa

chama-se Desabsoro (Desorption ou Stripping), na qual um componente

dissolvido num lquido passa para a fase gasosa. Embora a transferncia de massa

ocorra em direes opostas, os princpios fsicos associados tanto absoro como

desabsoro so os mesmos. O componente transferido de uma fase para outra

designado por Soluto, a corrente gasosa composta pelo gs soluto e o gs de

transporte (ou inerte), e a corrente lquida constituda pelo solvente e o soluto.

Os processos de absoro e desabsoro so muito usados para produo,

separao e purificao de misturas gasosas e concentrao de gases, na produo

de cidos (sulfrico, clordrico, ntrico e fosfrico), de amonaco, de amnia, de

formaldedo, de carbonato de sdio, no tratamento de gases de combusto do

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carvo e de refinarias do petrleo, na remoo de compostos txicos ou de odor

desagradvel (como o gs H2S), na purificao de gases industriais e na separao

de hidrocarbonetos gasosos. [PLVPQ, 2015]

Umidificao e desumidificao de ar

A umidificao uma operao inversa a da secagem. Ela pode ser usada

para controlar a umidade de um ambiente, ao se promover a evaporao da gua

para o ar. Um uso importante desta operao realizado no equipamento conhecido

como torre de resfriamento de gua (Figura 02a e 02b), de onde a gua sai fria, se

aquece resfriando produtos da planta industrial e retorna a torre de resfriamento,

fechando o ciclo. Na torre, a gua quente pulverizada e entra em contato com ar

succionado por ventiladores: uma pequena parcela da gua se evapora e sai junto

com o ar, permitindo o resfriamento do restante da gua. Para manter constante a

vazo da gua de resfriamento, uma vazo de gua de reposio injetada para

compensar as perdas da gua evaporada.[OLIVEIRA,2013]

Figura 02a: Esquema de torre de resfriamento

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Figura 02b: Torre de resfriamento

A desumidificao trata-se da retirada do vapor de uma fase gasosa pelo

contato com um lquido mais frio. A desumidificao efetuada usualmente como

uma etapa no condicionamento de ar e tambm pode ser usada como partes de

sistema de recuperao de solventes, como por exemplo, orgnicos como o CHCl3.

Secagem A secagem consiste na separao de um slido de um lquido por

vaporizao deste ltimo, podendo ter diversas formas especficas. No caso da

quantidade de lquido ser bastante superior do slido, obtm-se uma operao

mais idntica de evaporao. Quando a quantidade de slido bastante maior que

a de lquido, o fenmeno associado assemelha-se mais extrao de slidos. Este

consiste em duas operaes sequenciais em que, primeiramente, se d a difuso do

lquido at a superfcie do slido e, posteriormente, uma evaporao. No caso de a

quantidade de slido ser maior que a de lquido, aquela permanece sempre na

superfcie deste, sendo a secagem uma operao de evaporao. Em caso contrrio,

a operao regulada por fenmenos de difuso, sendo o problema fsico associado

mais complexo.

Os secadores so classificados em 3 (trs) tipos. Os secadores diretos em

que a secagem faz-se por conveco de calor entre o gs quente e o slido mido.

Os secadores indiretos, em que a secagem resulta da conduo de calor atravs de

paredes metlicas e, em geral, o agente de secagem vapor saturado. Aplicam-se,

por exemplo, na recuperao de dissolventes. E os secadores especiais, de energia

radiante e os de alta frequncia. [LACERDA, 2002]

A secagem um dos processos mais empregados na conservao de

alimentos, pois a reduo da quantidade de gua presente desfavorece o

crescimento microbiano. possvel aumentar o tempo de conservao sem o

acrscimo de aditivos e modificar as caractersticas organolpticas, tais como

textura, cor, sabor, aroma e cor.

Extrao lquido-lquido A operao denominada extrao lquido-lquido empregada nos processos

de separao de um ou mais compostos de uma mistura lquida, quando estes no

podem ser separados por destilao de forma economicamente vivel. Em geral, tais

separaes ocorrem nos casos de os componentes a serem separados serem pouco

volteis, sendo necessrio temperaturas muito altas combinadas com presses muito

baixas; quando os componentes a serem separados tem aproximadamente a mesma

volatilidade; quando os componentes so susceptveis decomposio ou ainda

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quando o componente menos voltil que se quer separar est presente em

quantidade muito pequena.

O processo de extrao lquido-lquido a operao no qual um composto

dissolvido em uma fase lquida transferido para outra fase lquida. A fase lquida,

que contm o composto a ser separado, denominada de soluo e o composto a

ser separado denominado soluto. A fase lquida, utilizada para fazer a separao

do soluto, denominada de solvente. O solvente dever ser o mais insolvel

possvel na soluo. De acordo com a natureza do composto que se quer extrair da

soluo, isto , o soluto, basicamente, h dois tipos de extrao: a extrao de

substncias indesejveis, sendo um exemplo, a extrao de compostos de enxofre

existentes nos derivados de petrleo, como a gasolina, o querosene e outras

correntes ou a retirada de compostos aromticos de correntes de leos lubrificantes

para purificao dos mesmos e; a extrao de substncias nobres. [LACERDA,

2002]

Outra aplicao comum da extrao na purificao de aminas e tambm na

produo de perfumes e essncias (Figura 03). [PLVPQ, 2015]

Figura 03: Esquema de produo de perfumes e essncias por extrao lquido-

lquido

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Figura 04: Coluna de extrao lquido-lquido laboratorial

Extrao slido-lquido

A extrao slido-lquido tambm designado de lixiviao uma

operao unitria que consiste na separao de um ou mais componentes de uma

mistura slida atravs de um solvente lquido. Neste processo ocorrem as etapas de

contato do solvente com o slido, que lhe cede o componente solvel; separao da

soluo do slido remanescente por filtrao e a destilao ou evaporao, para

recuperao do soluto dissolvido no lquido extrator.

Cristalizao A cristalizao consiste em separar uma substncia dissolvida, por saturao

de soluo, por arrefecimento ou evaporao do solvente. A cristalizao inicia-se

pela formao de pequenos cristais que vo aumentando de volume medida que a

cristalizao prossegue. Este fenmeno o inverso de dissoluo e s se d se

existirem condies especficas entre a massa lquida e a superfcie dos cristais

formados. [LACERDA, 2002]

As indstrias que utilizam a cristalizao de seus produtos so: o setor

sucroalcooleiro para a obteno de acar a partir do caldo tratado da cana de

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acar, as salinas, a indstria farmacutica para a produo de cido acetilsaliclico e

a seprao de penicilinas aps suas produo via fermentativa; a indstria cosmtica

atravs do cido hialurnico pelo seu alto poder humectante e; para a formulao de

sorvetes, cremes e outros alimentos com o uso de surfactantes para estabilizar uma

emulso. [PLVPQ, 2015]

Figura 05: Cristalizador- evaporador de circulao forada, trs andares (Swenson)

Adsoro e troca inica A adsoro consiste na reteno da molcula de um gs ou de um lquido

sobre a superfcie de um slido, constituindo um filme de adsoro. A superfcie do

slido, refere-se superfcie total incluindo os poros e os capilares. A adsoro pode

ser fsica ou qumica, conforme determinada por foras de Van der Walls ou pela

formao de compostos superfcie.

Algumas substncias adsorventes so: carvo mineral, slica gel, bauxita

ativada, alumnio ativado, carvo ativado e metais. A substncia adsorvente tem que

ser reativa, sendo apenas necessrio, para isso, fazer atravessar a substncia

adsorvente por gases quentes. No caso de lquidos necessrio fazer a lavagem. A

adsoro pode ser esttica ou dinmica, conforme o fluido no esteja em movimento

ou atravesse uma camada de substncia adsorvente.

A adsoro de lquidos tem por objetivo a remoo de impurezas de certas

substncias. Estas podem ser coradas ou ter um cheiro desagradvel, sendo

necessrio efetuar estas operaes. A adsoro uma rea recente, suas aplicaes

industriais e mais modernas so: hiper adsoro, cromatografia e recuperao de

solventes por carvo ativado.

A hiper adsoro consiste na absoro de vapores de hidrocarbonetos

usando, para o efeito, um leito fluidizado de carvo ativado. A cromatografia baseia a

sua aplicao na adsoro de lquidos ou gases, em colunas de separao. O carvo

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ativado bastante usado na recuperao de solventes, nas indstrias que usam

grande quantidade destes produtos. [LACERDA, 2002]

Figura 06: Instalao industrial com colunas de carvo ativado.

Separao por membranas Em operaes industriais, em particular de processos qumicos, com a

finalidade de produzir compostos com determinadas especificaes, necessrio

separar, concentrar e purificar espcies presentes em diferentes correntes dos

processos envolvidos. Para estas operaes, os processos de separao por

membranas tm-se destacado como alternativas bastante promissoras aos

processos clssicos de separao, uma vez que estes oferecem vantagens no que

se refere ao consumo de energia, especificidade e facilidades de scale-up.

Os processos que utilizam membrana tm tido aplicao nos mais

diversificados sectores da indstria qumica, indstria alimentar e farmacutica,

biotecnologia, medicina e tratamento de guas industriais e de abastecimento.

Os processos de filtrao por membranas permitem o fracionamento de solutos

dissolvidos em correntes lquidas e a separao de misturas gasosas.

A maioria destes processos usa o escoamento tangencial (cross flow), uma

particularidade que os distingue da filtrao convencional, onde se promove a

separao de partculas slidas em suspenso de correntes lquidas ou gasosas em

escoamento frontal. A membrana definida como uma barreira permevel e seletiva,

que restringe a transferncia de massa entre duas fases como se mostra na figura

07. [PLVPQ, 2015]

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Figura 07: Representao esquemtica de um sistema de 2 fases separado por uma membrana.

Desaerao Desaerao restringe mais significativamente a remoo do oxignio. Os

vrios mtodos dependem de uma srie de fatores que definir a sua aplicao.

Alguns dos mtodos so:desaerao contnua em cmara de vcuo, desaerao por

centrifugao e desaerao por arraste com gs inerte.

A funo primria de um desaerador remover gases no condensveis

(oxignio e dixido de carbono livre) da gua de make-up utilizada para alimentar

caldeiras e de retorno de condensado. A remoo desses gases protege tubulaes

e bombas, assim como as caldeiras e as linhas de retorno de condensado desses

gases corrosivos.

Difuso A transferncia de massa por difuso molecular em consequncia de

uma diferena de concentraes espacial anloga transferncia de calor

por conduo embora seja um fenmeno mais complexo, pois ocorre numa

mistura com pelo menos duas espcies qumicas. Comeando com o caso dos

gases, o estabelecimento da igualdade de concentraes ao fim de um

determinado tempo resulta do movimento molecular aleatrio em todas as

direes do espao (este movimento de natureza estatstico explicado pela

teoria cintica dos gases a baixas presses). No caso de difuso em lquidos e

slidos comum usar, por analogia, equaes idnticas equao (usando

concentraes em vez de presses parciais).

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Existem diferentes aplicaes algumas delas com relao a engenharia

civil so: Sinterizao para produzir materiais slidos (metalurgia do p, produo de

cermicas); Projeto de reatores qumicos; Projeto de catalisadores em indstria

qumica; Ao pode passar por processos que incluem difuso (e. g., com carbono ou

nitrognio) para modificar suas propriedades; Aplicao de dopantes durante a

produo de semicondutores.

Referncias Bibliogrficas

LACERDA, A.B.P. Apostila de Operaes Unitrias. Instituto Federal de Educao, Cincia e

Tecnologia de Mato Grosso, 2002.

MORAES, C. S. D. Separao por membrana. Universidade de

Mogi das Cruzes. MOGI DAS CRUZES - SP. 2010.

OLIVEIRA, E.G. Operaes Unitrias III- Engenharia de Alimentos/Unipampa.

https://operacoesunitariaseaunipampa.files.wordpress.com/2013/02/material-torres-de-

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PLVPQ - PORTAL LABORATRIOS VIRTUAIS DE PROCESSOS QUMICOS. Separaes e

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http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php?option=com_frontpage&Itemid=1>, acessado em

31/05/2015.

TANNOUS, K. Captulo I Fundamentos da Transferncia de Massa.

http://www.ocw.unicamp.br/fileadmin/user_upload/cursos/EQ741/cap1_parteI.pdf, 2011, acessado

em 31/05/2015.