TA 631 – OPERAÇÕES UNITÁRIAS I
(Transferência de quantidade de movimento)
Aula 01: 01/03/2012
Introdução às operações unitárias. Conceito de
transferência de impulso. Classificação das
operações de transferência de impulso.
1
Objetivos da disciplina
 Capacitar o aluno a resolver problemas de
dimensionamento de equipamentos na
indústria de alimentos (exceto aqueles
envolvendo transporte de calor e massa).
 Estudar as operações unitárias de transporte,
mistura, separação e redução de tamanho de
partículas de fluidos e sólidos.
 Possibilitar que o aluno discuta criticamente
as operações unitárias estudadas.
2
Introdução
Geralmente, o engenheiro atua em quatro campos:
1. Dimensionamento da instalação industrial:
desenho, dimensionamento e construção.
2. Operação: supervisão, manutenção e otimização.
3. Administração, logística, vendas e planejamento.
4. Pesquisa: básica ou aplicada para o
desenvolvimento de produtos e processos.
3
O que o engenheiro faz?
• Seleciona o tipo de equipamento adequado
• Dimensiona os equipamentos
• Calcula o tempo de processamento
• Elabora os balanços de massa e energia da
operação
• Calcula os custos do investimento necessário
• Calcula os custos operacionais
• Avalia o desempenho do processo
4
Aplicação da Física e da Química
• Estrutura física da matéria
• Composição química dos materiais
• Leis da mecânica
• Transferência de massa e energia
• Modelagem matemática e simulação dos
fenômenos físicos
5
Projetos x Experimentação
• Testar modelos (escala laboratorial) e
protótipos (escala maior) até chegar na
escala industrial.
• Regular o funcionamento de sistemas
• Medir variáveis físicas em processos
ºC
atm
6
Projetos
• Por semelhança:
respeitam-se as restrições geométrica, cinemática e
dinâmica na mudança de escala (modelos, protótipos e
escala industrial)
• Por coeficiente de transferência:
respeitam-se as leis da conservação de massa,
momentum e energia no volume de controle (balanços
macroscópicos).
7
Setores de atuação do engenheiro
• Indústrias
• Instituições públicas e privadas
• Empresas de consultoria e assessoria
• Instituições de ensino e pesquisa
8
Qualidades do profissional de engenharia
•
•
•
•
•
•
•
Formação básica multidisciplinar
Raciocínio analítico
Estudo continuado
Conhecimento sistêmico
Conhecimentos gerais
Participação social
Capacidade de síntese
9
Relações humanas
• O Engenheiro emprega boa parte do tempo
se relacionando com pessoas.
10
Trabalho em equipe
(o engenheiro não trabalha sozinho)
•
•
•
•
Respeito aos colegas
Capacidade de expor e discutir idéias
Renúncia de idéias ultrapassadas
A pessoa progride:
– pelo que sabe;
– pelo que produz;
– pelo que pratica.
11
Aperfeiçoamento contínuo
• Atualização: livros, revistas técnicas e científicas,
seminários, congressos, feiras industriais
• Diploma = ponto de partida
• Especializações e pós-graduação lato sensu
• Pós-graduação stricto sensu: Mestrado e
Doutorado
12
Ética profissional
• Responsabilidade na e com a organização local,
com a humanidade e com a vida.
• A Ética deve ser a base sobre a qual é
estabelecido o comportamento do profissional
perante a sociedade, o empregador e o cliente.
• A formação do Engenheiro tem um custo social
que deve ser resgatado através de sua atuação
consciente na sociedade, ou seja, a sociedade
deve se beneficiar do trabalho do Engenheiro.
13
A industrialização dos produtos agrícolas,
pecuários e pesqueiros tem por objetivo:
• Facilitar o manuseio e o transporte
• Aumentar a vida de prateleira
• Melhorar algumas qualidades:
toxicidade, sabor, textura, aparência e
valor nutritivo
14
Campo de atuação da engenharia de
alimentos
Recursos naturais
Produção agropecuária
Produtos do campo
Pré-processamento
Matéria primas agrícolas
Industrialização
RECURSOS
TECNOLÓGICOS
Produtos alimentícios
Transporte
Armazenamento
Comercialização
Alimento processado para consumo
15
Três enfoques para o estudo dos
processamentos industriais
1.
Estudar a tecnologia de um certo tipo de indústria, por
exemplo: indústria cervejeira, laticínios, indústria
açucareira, pastifícios, entre outros.
2.
3.
Estudar as operações usuais a muitos tipos de
indústria, por exemplo: evaporação, refrigeração,
extrusão, extração, centrifugação, etc.
Estudar os fenômenos de transferência de quantidade
de momentum, calor e massa.
16
As operações unitárias e os princípios de
transferência
Força ou
fluxo por
unidade de
superfície
=
Coeficiente
de
transferência
x
Gradiente
de
potencial
Gradiente
Fluxo
Velocidade
Momentum
Temperatura
Concentração, potencial químico
Calor
Massa
17
Tendo em vista a imensa quantidade de
equipamentos industriais existentes no mercado e
sua equivalência funcional, a única maneira possível
de entender o funcionamento dos mesmos é pelo
critério de operações unitárias.
Processos
unitários
Tecnologia de
=
alimentos
Mudanças
químicas,
biológicas e
microbiológicas
Operações
unitárias
+
Mudanças
físicas
Engenharia
Ciência
18
Fluido é um meio que se deforma continuamente quando
sujeito a uma tensão.
Uma camada de fluido desliza sobre a outra. Existe atrito
entre as camadas de fluido. A razão entre a tensão
aplicada e a taxa de deformação é a viscosidade do fluido.
 Ft 
 A 

 v 
 
 y 
19
Operações unitárias de quantidade de movimento
Objetivo
Transporte
Mistura
Separação
Modificação
de tamanho
Fluidos
(líquidos e
gases)
Bombeamento
Ventilação
Compressão
Agitação
Mistura
Centrifugação
(L-L)
Atomização
Fluidos e
sólidos
Transporte
Pneumático
Transporte
hidráulico
Perda de
pressão em
leitos
empacotados
Fluidização
Suspensão de
sólidos em
líquidos
(agitação)
Sólidos
Transporte
Mecânico de
sólidos
Misturadores
de sólidos
Materiais
Filtração
(L-S)
Centrifugação
(L-S)
Sedimentação
(L-S)
Separação
pneumática
(G-S)
Prensagem
Peneiragem
Moagem
20
Operações unitárias de transferência de
impulso
1. Bombeamento de líquidos
2. Escoamento gravitatório de líquidos
3. Ventilação (gases)
4. Compressão (gases)
5. Decantação
6. Centrifugação
7. Agitação de líquido
8. Mistura de líquidos e líquido-gás
9. Atomização líquido-gás (aspersão)
10. Atomização líquido-líquido (homogeneização)
11. Movimentação de fluidos através de sólidos porosos
21
Operações unitárias de transferência de
quantidade de movimento
12. Fluidização
13. Transporte pneumático
14. Transporte hidráulico
15. Decantação de sólidos
16. Filtração
17. Ultra-filtração
18. Centrifugação sólido-líquido
19. Separação com ciclones
20. Mistura líquido-sólido
21. Prensagem
22. Fluxo a granel (sólidos particulados)
22
Operações unitárias de transferência de
quantidade de movimento
23. Peneiração
24. Decantação sólido-sólido
25. Mistura sólido-sólido
26. Moagem, trituração, desfibração de sólidos
27. Compactação de sólidos
28. Aglomeração de partículas sólidas
23
Bombas
Centrífuga
Decantador
Ciclone de separação
24
Operações unitárias de transferência de
calor
1. Branqueamento
2. Cozimento e fritura
3. Pasteurização e esterilização
4. Evaporação e condensação
5. Congelamento
6. Crio-concentração
7. Refrigeração
8. Geração de vapor
9. Forneamento
25
Operações unitárias de transferência de
massa
3.
1. Destilação
2. Absorção de gases
Umidificação e de desumidificação de ar
4. Secagem
5. Extração líquido-líquido
6. Extração sólido-líquido
7. Cristalização
8. Adsorção e troca iônica
9. Separação por membranas
10. Desaeração
11. Higienização química
26
Destilação
Desidratação de alimentos
Separação por membranas
Cristalização
27
As operações unitárias em uma
indústria de alimentos
Exemplo:
Diagrama de blocos simplificado
da produção de etanol
28
Cana-de-açúcar
Preparação
Água quente
Cana picada
Prensagem- difusão
Bagaço úmido
Caldo de
14 º Brix
Prensagem
Caldo
Bagaço
Fermentação
Vapor
Água fria
Vinho
Destilação
Vinhoto
Álcool etílico 96º GL
29
O estudo das operações unitárias permite
predizer o comportamento de sistemas.
Usam-se as seguintes ferramentas:
a) Princípios ou leis da conservação de massa,
quantidade de movimento e entalpia
b) Equações constitutivas ou descritivas do
fenômeno de transferência
c) Equações de estado (gases ideais, Van der
Walls, etc.)
d) Condições de contorno
30
Problemas de condições de contorno são comuns
em Engenharia
- Equações diferenciais ordinárias em problemas de
condição de contorno: valores conhecidos para a variável
dependente em mais de um ponto e uma equação
diferencial descritiva do comportamento desta variável em
um intervalo.
- Geralmente deseja-se obter o "perfil" que descreve o
comportamento da variável dentro de um intervalo, ex.
perfis de velocidade, temperatura e concentração em
problemas de transferência de momentum, calor e massa.
- As condições de contorno representam as interfaces entre
meios onde se conhece o valor para a variável ou os
parâmetros do fenômeno de transferência.
31