Operador de Processo e
Produção
Módulo II
Introdução
No Módulo I , apresentamos os principais equipamentos industriais,
seus componentes e características. Podemos dizer, caro aluno, que você foi
apresentado ao “hardware” dos processos industriais. Doravante, abordaremos
os princípios físicos que regem o comportamento das matérias primas e
produtos. Seria o “software” da Ciência, ou seja, o conhecimento que nos
permite controlar as diferentes variáveis envolvidas num processo, como
pressão, temperatura, fluxos, etc.
Neste Módulo II , abordaremos então as operações unitárias. E o que
seria exatamente uma operação unitária? Em 1915, Artur Little desenvolveu o
conceito de operação unitária,
que seria cada uma das etapas de um
processo industrial, como transferência de energia, transferência de massa,
destilação, filtração, etc. São as sequências de operações físicas necessárias
para a viabilidade de um processo industrial. Podemos dividir esse processo
em 5 grandes classes:
Processos de Escoamento de Fluidos, como bombeamento de líquidos
em dutos.
Processos de Transferência de Calor, como a evaporação.
Processos de Transferência de Massa, como a destilação
Processos termodinâmicos, como a expansão de gases.
Processos mecânicos, como a filtração
Observemos que o conteúdo é muito amplo e que até mesmo cursos de
Engenharia não conseguem dar total aprofundamento em todos esses
processos. Baseado na minha experiência profissional como Técnico de
Operações, atuando como operador em indústria de fertilizantes, petroquímica
e atualmente no refino de petróleo na Petrobrás, procurei destacar o que há de
relevante para um bom desempenho da função. Perceba que, independente do
tipo de indústria que você irá trabalhar, conceitos científicos como o
comportamento dos gases, são válidos tanto para pequenas indústrias quanto
para grandes refinarias, assim como em qualquer lugar do Universo.
Para atingirmos esse objetivo, dividiremos os conceitos de operações
unitárias nos seguintes tópicos:
1-) Processos de separação de misturas - onde descreveremos os principais
métodos de separação utilizados na indústria .
2-) Destilação Fracionada -. como o nosso curso pretende enfatizar a indústria
petrolífera, descreveremos com mais profundidade o processo de separação
de misturas mais importante da indústria do petróleo, com o qual são
separados seus derivados.
3-) Noções de mecânica dos fluidos – aprenderemos os principais conceitos
envolvidos no transporte de fluidos na indústria .
4-) Comportamento dos Gases – importantíssimo para o desempenho e
segurança do processo industrial, é um dos conceitos científicos mais
importantes do cotidiano do operador de processo. Aprenderemos as
interações entre as variações de pressão, volume, temperatura e massa no
comportamento gasoso.
1
5-) Balanço material – lembraremos do grande químico francês Lavoisier, pai
da Química Moderna, que disse “ na Natureza, nada se cria e nada se perde,
tudo se transforma”.
5-) Balanço energético – novamente objetivando um aprofundamento nos
processos petroquímicos, utilizaremos o balanço de energia utilizando
pequenos sistemas industriais para entendermos os conceitos envolvidos.
Exercícios resolvidos o ajudarão a fixar o tema.
Longe de acreditar que essa divisão esgota o assunto, ficaria feliz se o
conhecimento transmitido no curso permita a você aumentar sua visão sobre
os processos petroquímicos, auxiliando-o numa melhor compreensão do dia a
dia do trabalho na sua indústria ou mesmo na aprovação em concursos e
testes de seleção aplicados nas petroquímicas.
Bons estudos!
Prof. Cesar
2
Índice
1. Processos de Separação de Misturas
2. Destilação Fracionada
3. Comportamento dos Gases
4. Noções de Mecânica dos Líquidos
5. Balanço de Massa
6. Balanço de Energia
3
1- Processos de Separação de Misturas
Desde a Idade das Cavernas, o homem aprendeu a separar os materiais
presentes na natureza para o seu benefício. O que começou com uma catação,
processo primitivo manual de separação no qual o homem, por exemplo,
separava os frutos podres dos maduros, deu origem a técnicas mais
sofisticadas de obtenção de materiais. Ele passou a dominar a Natureza,
extraindo a hematita ( minério de ferro) de rochas e produzindo artefatos mais
eficientes para a caça e para a guerra. As primeiras tribos que dominaram essa
tecnologia, conquistaram territórios e tiveram acesso também a locais mais
aprazíveis, com água e comida em abundância. Hoje, processos de separação
de misturas modernos como super-centrífugas, possibilitam ao homem
enriquecer o urânio e fabricar artefatos nucleares com grande poder de
destruição. Como percebemos, as coisas não mudaram muito e o domínio
tecnológico de processos de separação e purificação, ainda é sinônimo de
poder.
Outro exemplo muito importante e mais nobre onde processos de
separação de misturas estão envolvidos é numa estação de tratamento de
água. Esperamos que ao final desse módulo, você tenha condições de
entender os princípios básicos que regem esses processos.
Esquema Básico de uma Estação de Tratamento de Água (E.T.A)
Em todos os processos industriais, existe a necessidade de purificarmos
a matéria-prima ou mesmo o produto final e derivados. Podemos ter a
necessidade de separarmos misturas sólido/sólido , sólido/líquido , sólido/gás ,
líquido/líquido, líquido/gás ou até mesmo uma mistura gasosa. A primeira
4
definição que precisamos ter em mente é qual é o tipo de mistura que estamos
lidando:
Misturas heterogêneas são misturas em que podemos perceber a diferença
entre os componentes da mistura ( Ex: óleo e água; água barrenta). As
substâncias componentes são imiscíveis, isto é, não são solúveis entre si..
Uma mistura heterogênea possui mais de uma fase. Fase é uma porção
delimitada de matéria. Algumas misturas podem parecer homogêneas a olho
nu, porém ao observarmos no microscópio ou após uma centrifugação
perceberemos que são heterogêneas. Exemplos clássicos são o leite e o
sangue.
Misturas homogêneas são aquelas em que os componentes da mistura não
são perceptíveis (ex: água e álcool; ar atmosférico). Dizemos então que os
componentes da mistura são miscíveis, como gasolina e alcool, sal e água, etc.
De modo geral, as misturas homogêneas têm um grau maior de dificuldade e
severidade para separar os componentes.
Veja o esquema classificatório abaixo:
Perceba que a mistura gelo + água possui apenas um componente (H2O),
porém apresenta duas fases.: água no estado sólido e água no estado líquido.
Na indústria, sempre teremos processos de separação envolvidos.
Vamos entender um pouco sobre os principais processos utilizados.
Peneiração
A peneiraçao é um método utilizado para separar misturas heterogêneas
do tipo sólido-sólido, onde o tamanho da partícula é o responsável pela
separação, ou seja, utiliza-se uma peneira que permite que alguns sólidos
pequenos passem, mais outros maiores já não.
Quando utilizamos uma mistura de solidos granulado,cujo tamanho das
particulas é sensivelmente diferente é colocada sobre uma peneira e submetida
a agitação.Ex:mistura areia fina e pedregulhos
Em alguns processos de fabricação de fertilizantes, o tamanho do
granulo é um critério muito importante na especificação do produto.
Quantidades grandes de finos tendem a não suportar armazenamento,
causando perda de material. (Exemplos: nitrato de amônio e difosfato de
amônio). Para a classificação em laboratórios, usa-se peneira vibratórias como
mostrado abaixo. Cada panela do equipamento possui um determinado mesh.
Mesh é o número de aberturas por polegada linear, portanto, quanto maior o
mesh, maior o número de aberturas e consequentemente, mais fino deve ser o
5
grão para atravessar a peneira. Assim, : para grãos maiores, usa-se peneiras
de baixo mesh e para materias mais finos, particulados, usa-se peneiras de
maior meshj
Peneira para classificação de grãos em laboratório
Levigação
Levigação é um método de separação de misturas heterogêneas de
sólidos. Quando uma mistura se forma por substâncias sólidas de densidades
diferentes, pode-se utilizar uma corrente de água para separá-las. É o caso do
ouro, que nos garimpos normalmente é encontrado junto a uma porção de terra
ou areia.Usa-se uma rampa de madeira ou uma bacia em que se passa uma
corrente de água que serve para separar essas substâncias.
Centrifugação
Consiste em aumentar a velocidade de decantação com um aparelho
chamado centrífuga ou centrifugador. O corpo mais denso da mistura sólidolíquida deposita-se no fundo do recipiente devido à ação da gravidade. A
máquinda de lavar roupa separa a água no processo de secagem utilizando a
centrifugação. Nos laboratórios de análise clínica, os componentes do sangue
são separados numa centrífuga como essa:
O processo é descrito de maneira simples abaixo:
6
.
Decantação
A decantação é um processo de separação que permite separar misturas
heterogêneas. É utilizada principalmente em diversos sistemas bifásicos como
sólido-água (areia e água), sólido-gás (poeira-gás), líquido-líquido (água e óleo)
e líquido-gás (vapor d’água e ar). Sendo esse processo fundamentado nas
diferenças existentes entre as densidades dos componentes da mistura, e na
espera pela sua decantação. A mistura é colocada em um recipiente de
preferência fechado (no caso de substâncias como gás e vapor e de acordo o
interesse do produto da separação, obrigatoriamente fechado) e espera-se a
sedimentação do componente mais denso.
Na indústria do petróleo, o primeiro processo utilizado para a separação
do óleo é a decantação. Normalmente o petróleo já arrasta uma grande
quantidade de água salgada, que tem grande potencial corrosivo, além de
causar oscilações de pressão nas colunas de fracionamento. O petróleo é
então, repousado e armazenado em tanques durante um período. A água, por
ser mais densa, é retirada pelo fundo do tanque e o petróleo pode ser então
retirado na parte superior. Parte da água continua solubilizada no óleo ou sob
a forma de emulsão e precisa ser removida, porém isso não é possível apenas
com a decantação. Para remover essa água, as refinarias utilizam
Dessalgadoras, onde aplica-se um campo
elétrico que favorecerá o
aglutinamento e a decantação das moléculas de água presentes. Estudaremos
esse processo com detalhes no módulo de Petróleo do nosso curso.
Os
tanques de armazenagem de petróleo são providos de drenos que permitem a separação da água por decantação.
7
Dissolução fracionada
Dissolução fracionada é uma técnica ou método de processo de
separação para separar misturas heterogêneas de dois ou mais sólidos,
quando apenas um dos componentes se dissolve em um dado solvente. Pois,
assim, o líquido dissolve esse componente e, por filtração, separa-se o outro
componente; como exemplo, areia + sal. Como sabemos, o sal é solúvel em
água e a areia não é. Então, adicionando água, o sal é solubilizado e areia fica
depositada no fundo. Procede-se uma filtração e areia fica retido no filtro
enquanto o sal passa pela membrana solubilizado na água. O sal pode ser
recuperado evaporando a água.
Evaporação
A evaporação é um fenômeno no qual átomos ou moléculas no estado
líquido (ou sólido, se a substância sublima) ganham energia suficiente para
passar ao estado vapor.
O movimento térmico de uma molécula de líquido deve ser suficiente para
vencer a tensão superficial e evaporar, isto é, sua energia cinética deve
exceder o trabalho de coesão aplicado pela tensão superficial à superfície do
líquido. Por isso, a evaporação acontece mais rapidamente a altas
temperaturas, a altas vazões entre as fases líquida e vapor e em líquidos com
baixas tensões superficiais (isto é, com pressões de vapor mais elevado). Um
exemplo para tal fenômeno é a transpiração (suor) e tambem as salinas, pois
assim é extraido o sal de cloreto de sódio que usamos nas nossas cozinhas.
Destilação simples
Para separar a mistura de água e sal e recuperar também a água,
emprega-se a destilação simples. A mistura é aquecida e a água entra em
ebulição, mas o sal ainda não. O vapor de água passa pelo interior de um
8
condensador, que é resfriado por água corrente. Com esse resfriamento, o
vapor condensa-se. A água liquida, isenta de sal, é recolhida no recipiente da
direita e, ao final, restará sal sólido no frasco da esquerda.
O líquido purificado que é recolhido no processo de destilação, recebe o
nome de destilado e o sólido fica no recipiente que recebeu o aquecimento.
Notem que a entrada de água no condensador se dá pela parte inferior, o
que garante que a água preencha todo o recipiente e possibilite maior troca
térmica.
[Destilação fracionada
As misturas homogêneas formadas por dois ou mais líquidos oferecem
uma razoável dificuldade para sua separação. A técnica da destilação
fracionada pode ser usada com sucesso para separar algumas misturas desse
tipo. É uma técnica complexa e sobre ela vamos apresentar nesse momento
apenas uma breve noção. Como pretendemos enfatizar processos
petroquímicos e a destilação fracionada é o principal processo de uma
refinaria, teremos um módulo destinado apenas à destilação fracionada. O que
precisamos entender neste momento é que a destilação fracionada é um
aprimoramento da destilação simples, na qual uma coluna de vidro cheia de
obstáculos é colocada entre o condensador e o balão na qual a mistura é
aquecida. Em processos industriais, esse processo é realizado numa coluna de
destilação, que consiste de uma torre com pratos ou bandejas no seu interior,
onde os diferentes componentes da mistura são separados de acordo com sua
faixa de destilação. Compostos com ponto de ebulição baixos tendem a sair
mais próximos ao topo da coluna e compostos mais “pesados” na parte inferior.
Podemos resumir dizendo que o topo da torre é o ponto de menor temperatuta,
menor concentração e maior concentração de componentes mais voláteis. O
fundo da torre é o ponto de maior temperatura, maior pressão e maior
concentração dos componentes mais pesados.
9
Observe o esquema simplificado de uma coluna de destilação de
petróleo:
O petróleo, que é uma mistura de hidrocarbonetos ( compostos de carbono e
hidrogênio), é aquecido e entra pela parte inferior da coluna de destilação com
aproximadamente 600°C na forma vaporizada. Conforme esse vapor sobe pela
coluna, ele é obrigado a borbulhar em pratos com nível de líquido que estão
numa determinada temperatura. Aqueles componentes do petróleo que são
condensáveis naquela faixa de temperatura, tornam-se líquidos e são
recolhidos nesses pratos, que possuem saídas laterais para a retirada desses
produtos. A mistura de hidrocarbonetos que segue na forma de vapor, atinge o
prato superior que está a uma temperatura menor e o processo repete-se até
que no topo da coluna saiam somente frações gasosas muito leves - cadeias
carbônicas curtas , com pouco carbono , como metano (C1) , etano (C2) e os
componentes do GLP propano (C3) e butano (C4) que podem ser separados
posteriormente. O número de frações possíveis de separação deve levar em
conta o número de pratos e bandejas, o que implica numa coluna menor ou
maior, ou seja, reflete-se no custo de construção da coluna. Outros fatores
também relevantes na operação desta coluna é a pressão de trabalho,
temperatura e a taxa de refluxo. Detalharemos esse assunto no próximo
capítulo, com aprofundamento dos conceitos teóricos e detalhes dos
equipamentos da destilação fracionada do petróleo.
Catação
A catação é um tipo de separação manual de misturas do tipo "sólidosólido". As substâncias são separadas manualmente e pode utilizar uma pinça,
colher, ou outro objeto auxiliador para a separação. É utilizada na separação
de grãos bons de feijão dos carunchos e pedrinhas. Também é utilizada na
10
separação dos diferentes tipos de materiais que compõem o lixo como vidro,
metais, borracha, papel, plásticos que para serem destinados a diferentes
usinas de reciclagem.
Flotação
Uma técnica de separação de misturas sólido-líquido é classificada como
flotação, quando através da inserção de bolhas de ar no líquido , as partículas
sólidas aderem às bolhas e são arrastadas para a superfície , permitindo a
separação das fases. Essas partículas devem ter necessariamente dimensões
coloidais ( 1 a 1000 nm) para que seja possível o seu arraste pelas bolhas de
ar.
Tanque de flotação de uma estação de tratamento de água mostrando espuma esbranquiçada na parte superior e água
límpida na parte inferior após a flotação. A água purificada é coletada abaixo da espuma ( fonte: http;/www.enprotecusa.com/htm/airphotos.html)
A aplicação na separação de minerais é o emprego mais convencional
da flotação, seguido de seu uso na recuperação de corantes em indústrias de
papel, tratamento de água e esgoto. Pesquisas recentes ampliaram o uso da
flotação em processos tais como a despoluição de rios, separação de plásticos
e até de microorganismos. Resumindo, a flotação é um processo de separação
de sólido-líquido, que anexa o sólido à superfície de bolhas de gás fazendo
com que ele se separe do líquido.
Ventilação
Ventilação é um processo de separação de substâncias sólidas
heterôgeneas através de vento.O sólido menos denso é separado por uma
corrente de ar. Também conhecido como tamisação, este método é também
usado na separação de sistemas sólido-sólido, onde um dos dois componentes
11
apresente granulometria que permita que o mesmo fique preso nas malhas de
uma peneira.
Fusão fracionada
Semelhante ao processo de destilação fracionada, este também baseiase nas diferentes temperaturas em que as substâncias mudam de estado
físico. A diferença é que neste método lidamos com misturas sólidas, como
ligas metálicas. Ou seja, a mistura é aquecida até que um de seus
componentes passe para o estado Líquido, podendo assim ser separado do
resto da mistura. Esse procedimento é repetido várias vezes, até que todas as
substâncias da mistura estejam separadas. As ligas metálicas são formadas
pela mistura de vários elementos. Como cada elemento tem um ponto de fusão
diferente, quando a liga é aquecida cada um irá fundir e se separar em um
momento diferente.
Sublimação
A sublimação é a mudança do estado sólido para o estado gasoso, sem
passar pelo estado líquido. O ponto de sublimação, assim como o ponto de
ebulição e o ponto de fusão, é definido como o ponto no qual a pressão de
vapor do sólido se iguala a pressão aplicada[1].
Também é chamado de re-sublimação a passagem do estado gasoso
para o sólido se considerar que a sublimação seja apenas a passagem do
estado sólido para o gasoso. Mas muitos químicos consideram que sublimação
é o nome de ambos os processos e desconsideram o substantivo resublimação. Em certos livros também se fala de deposição já que as moléculas
do gás se depositam espontaneamente para a formação do sólido.A naftalina,
assim como o iodo são bons exemplos de substâncias sublimáveis.
[Separação magnética
Trata-se de um método de separação específico das misturas com um
componente ferromagnético como o cobalto, o níquel e, principalmente, o ferro.
Campos magnéticos são aplicados à mistura para reter as suas partículas ou
para desviar a sua queda.
12
Ex: areia e limalha de ferro, enxofre e limalha de ferro.
É utilizado para separar do lixo objetos de metal que serão reciclados.Um outro
exemplo simples é a separação de linha e agulha através de um imã.
Filtração
Este talvez seja o mais comum método de separação de misturas
heterogêneas. Está presente nas residências, indústrias, estações de
tratamento de águas e efluentes, hospitais, etc. Filtração é um método para
separar sólido de líquidos ou gases ( ex: chaminés industriais) pela passagem
do fluido através de um meio permeável capaz de reter as partículas sólidas.
Existem filtrações de escala industrial e de escala laboratorial. Nas
indústrias, contamos com filtros que visam evitar o arraste de partículas sólidas
para a sucção de bombas (“chapéu de bruxa) e equipamentos, que podem
causar entupimentos e danos erosivos. Em estações de tratamento de
efluentes, a água que é devolvida ao meio ambiente tem de atender
especificações de turbidez , além de outros parâmetros, exigidas pelo orgão
ambiental. Em qualquer dos casos, há uma grande gama de porosidades do
meio filtrante que deve ser selecionado
dependendo da aplicação em
questão. Os quesitos que devem ser levados para a sua escolha são:
as características físicas do fluido, como densidade, viscosidade e
reatividade química;
as dimensões e formas das partículas ( a distribuição granulométrica e a
tendência à floculação e à deformabilidade);
a concentração da suspensão e sua vazão
o grau de separação necessário;
a relação custo-benefício de todo o processo, como energia consumida
e mão de obra despreendida para a limpeza e substituição dos
elementos filtrantes, etc.
Os filtros podem ser classificados de várias formas. Quanto à força
aplicada, o fluido pode:
atravessar o meio filtrante pela ação da força da gravidade;
atravessar o meio filtrante pela ação de uma força centrífuga;
ser pressurizado contra o meio filtrante;
atravessar o meio filtrante pela ação de vácuo exercido na parte
posterior do filtro
Uma outra classificação importante diz respeito à continuidade
operacional do sistema de filtração, ou seja, o seu ciclo de operação. Ele
pode operar continuamente ou em bateladas . Os fatores que podem
denunciar a necessidade de substituição e/ou limpeza do filtro são a queda
de pressão ou vazão a juzante do filtro, denunciando sua saturação.
Dentre os filtros de operação descontínua, o mais utilizado
industrialmente é o filtro prensa. Apresenta como vantagens baixo custo de
13
operação e manutenção e grande flexibilidade de operação. Como
desvantagens perante os filtros contínuos, podemos citar as paradas para
limpeza, montagem e desmontagem manual.
Filtro-prensa
O modelo acima representa um filtro-prensa muito comum. Ele consiste de
placas e quadros que se alternam numa armação e são comprimidos
fortemente uns contra os outros, por meio de um dispositivo mecânico de
fechamento (prensa-parafuso ou prensa hidráulica). O meio filtrante pode
ser uma lona, tecido sintético ou tela metálica, é fixado sobre os dois lados
da placa e os quadros pressionam a passagem da suspensão através do
elemento filtrante. Estes filtros normalmente operam em regime de standby, ou seja, um operando enquanto o outro é efetuado limpeza para entrar
novamente em operação. A limpeza é feita geralmente através da
raspagem das telas com espátulas, dependendo da qualidade da torta
obtida.
14
2- DESTILAÇÂO FRACIONADA
No módulo de separação de misturas, tivemos uma descrição dos
processos de destilação e destilação fracionada. Porém, como a destilação
fracionada é um dos processos mais utilizados na indústria, necessitamos
aprofundar o assunto de maneira que você, aluno, possa estar apto a entender
e conhecer as variáveis operacionais envolvidas e conhecer detalhes da
construção e operação dos equipamentos envolvidos. O assunto é complexo e
por isso dividiremos de uma maneira que o aprendizado seja eficaz. Falaremos
nesse capítulo de conceitos fundamentais e dos equipamentos envolvidos
nesse processo. Nos módulos seguintes , onde enfocaremos Balanço de
Massa e Energia, utilizaremos colunas de destilação para absorver o conteúdo
matemático da Destilação.
A destilação fracionada, apesar de ser o principal processo de uma
refinaria, não se limita ao petróleo. Sua utilização industrial é vasta na indústria
petroquímica e em processos de separação dos componentes do ar
atmosférico, como o oxigênio para uso hospitalar e o nitrogênio para
inertização de sistemas. Apesar das disparidades desses materiais, os
conceitos físico-químicos envolvidos são os mesmos.
Entende-los é
fundamental para a otimização e segurança desses processos e é
responsabilidade do Técnico de Operações.
Sala de Controle de Operações – Petrobras
15
Destilação Fracionada no Laboratório
A destilação fracionada, serve para realizar a separação em uma
mistura de produtos, utilizando a propriedade física ponto de ebulição. Ela é um
processo de aquecimento, separação e esfriamento dos produtos e é
empregada quando a diferença entre os pontos de ebulição dos líquidos da
mistura é menor. Um aparelho mais sofisticado e um pouco mais de tempo são
necessários que em relação à destilação simples.
No aparelho de destilação fracionada existe uma coluna de fracionamento que cria várias regiões de equilíbrio líquidovapor, enriquecendo a fração do componente mais volátil da mistura na fase de vapor
16
Neste método de destilação, usa-se um balão de destilação (alambique,
ou refervedor, dependendo da escala de produção), uma coluna de Vigreux
(coluna de destilação, quando em indústria), um condensador e um receptor. A
mistura a ser purificada é colocada no balão de destilação, que é aquecido.
Surge então um vapor quente. Ele sobe pela coluna, mas vai se resfriando ao
longo dela e acaba por condensar-se Com a condensação, forma-se um
líquido, que escorre para baixo pela coluna, em direção à fonte de calor.
Vapores sobem continuamente pela coluna e acabam por encontrar-se com o
líquido. Parte desse líquido rouba o calor do vapor ascendente e torna a
vaporizar-se. A uma certa altura um pouco acima da condensação anterior, o
vapor torna a condensar-se e escorrer para baixo. Este ciclo de vaporização e
condensação ocorre repetidas vezes ao longo de todo o comprimento da
coluna.
Os vários obstáculos instalados na coluna forçam o contato entre o vapor
quente ascendente e o líquido condensado descendente. A intenção desses
obstáculos é promover várias etapas de vaporização e condensação da
matéria. Isto nada mais é do que uma simulação de sucessivas destilações
flash. Quanto maior a quantidade de estágios de vaporização-condensação e
quanto maior a área de contato entre o líquido e o vapor no interior da coluna,
mais completa é a separação e mais purificada é a matéria final. A atenção à
temperatura é importante. A cada salto de temperatura no termômetro, devemse recolher os destilados correspondentes.
Nos laboratórios da indústria de petróleo, ela é muito comum para
caracterização do petróleo. Com essa caracterização, pode-se escolher qual
refinaria possui o melhor conjunto de processos de refino que possibilite a
maior rentabilidade de um determinado tipo de petróleo. Existem refinarias que
são projetadas para petróleos mais leves e que não conseguiriam obter boa
rentabilidade processando óleos mais pesados. Algumas refinaria possuem um
“hardware” projetado para conseguir melhor rentabilidade com petróleos mais
pesados, geralmente com unidades de craqueamento (processo de quebra de
cadeias carbônicas grandes em produtos de maior valor agregado, como
gasolina e GLP) de grande porte e unidades de coque. A escolha apropriada
do tipo de petróleo para cada refinaria é uma operação importantíssima que
pode resultar em lucros vultosos ou em grandes prejuízos, tanto de
rentabilidade dos produtos de maior valor agregado, quanto danos para os
equipamentos da unidade de refino. Essa caracterização é feita pelas
chamadas curvas de destilação. Os principais tipos de curvas de destilação são
17
a PEV (ponto de ebulição verdadeiro),dotada de elevado número de estágios
ideais de equílíbrio ; a ASTM, mais rápida e fácil de ser obtida e é também um
método padronizado, existindo vários tipos, conforme o produto e a pressão
usada no ensaio ; e a curva de destilação VEB ( curva de equilíbrio líquidovapor), que expressa o ponto de equilíbrio entre o vapor formado e o líquido
remanescente da vaporização de uma carga em função da temperatura a uma
determinada pressão.
Destilação Fracionada Industrial
Destilação é a mais comum tecnologia de separação usada no refino do
petróleo, petroquímica, plantas químicas e processamento do gás natural.Na
maioria dos casos, trata-se de um processo continuo. Novas matérias-primas
estão sempre sendo alimentadas na coluna de destilação e produtos estão
sempre sendo removidos. A menos que o processo seja perturbado devido a
mudanças nas matérias primas, calor, temperatura ambiente, ou condensação,
a quantidade de matéria prima a ser adicionada e o volume de produto a ser
retirado são normalmente iguais.
Para entendermos a diversidade contida no petróleo bruto e o motivo
pelo qual o seu refino é tão importante, veja uma lista de produtos que obtemos
a partir do petróleo bruto com a destilação fracionada:
gás de petróleo: usado para aquecer, cozinhar, fabricar plásticos. São
alcanos com cadeias curtas (de 1 a 4 átomos de carbono) normalmente
conhecidos pelos nomes de metano, etano, propano, butano. Faixa de
ebulição: menos de 40°C. São liquefeitos sob pressão para criar o GLP
(gás liquefeito de petróleo)
nafta: intermediário que irá passar por mais processamento para
produzir gasolina. È composto basicamente de uma mistura
normalmente líquida de alcanos e cicloalcanos de 5 a 9 átomos de
carbono. Faixa de ebulição: de 60 a 100°C . Usos : gasolina:
combustível de motores
querosene: combustível para motores de jatos e tratores, além de ser
material inicial para a fabricação de outros produtos. Formado
basicamente de uma mistura de alcanos (de 10 a 18 carbonos) e
aromáticos. Faixa de ebulição de 175 a 325°C
gasóleo ou diesel destilado: usado como diesel e óleo combustível,
além de ser um intermediário para fabricação de outros produtos.
Também são alcanos contendo 12 ou mais átomos de carbono, com
faixa de ebulição: de 250 a 350°C
18
óleo lubrificante: usado para óleo de motor, graxa e outros
lubrificantes. São alcanos, cicloalnos e aromáticos de cadeias longas (de
20 a 50 átomos de carbono), com faixa de ebulição: de 300 a 370°C
petróleo pesado ou óleo combustível: usado como combustível
industrial, porém está em desuso devido ao alto teor de compostos
contaminantes de enxofre, também serve como intermediário na
fabricação de outros produtos. Formado de alcanos, cicloalcanos e
aromáticos de cadeia longa (de 20 a 70 átomos de carbono), com faixa
de ebulição: de 370 a 600°C
resíduos: coque, asfalto, alcatrão, breu, ceras, além de ser material
inicial para fabricação de outros produtos. São compostos com vários
anéis com 70 átomos de carbono ou mais, com faixa de ebulição: maior
que 600°C
A destilação industrial é tipicamente realizada em grandes colunas
cilíndricas verticais conhecidas "torres de destilação ou fracionamento" ou
"colunas de destilação" com o diâmetro variando entre 65 cm a até 6 metros e
altura variando de 6 a 60 metros ou mais. As torres de destilação têm
escoadouros de líquidos a intervalos na coluna, os quais permitem a retirada
de diferentes frações ou produtos que possuem diferentes ponto de ebulição.
Os produtos mais “leves” (aqueles com pontos de ebulição mais baixo) saem
do topo da coluna e os produtos mais “pesados¨(aqueles com o ponto de
ebulição mais alto) saem da parte inferior da coluna.
Torres industriais de larga escala usam o refluxo para atingir uma
separação mais completa dos produtos. O refluxo refere-se a porção do liquido
condensado de uma torre de fracionamento que é retorna para parte superior
da torre como mostrado no diagrama esquemático típico de uma torre de
destilação industrial de larga escala.Dentro da torre, o liquido do refluxo
descendo provê um resfriamento necessário para condensar o vapor que sobe,
desta forma aumentando a eficiência da torre de destilação.
Esquema típico de uma coluna de destilação
19
Conceitos teóricos fundamentais da destilação
Muitas vezes, o operador de processo se deparará com condições
adversas da sua rotina, causada por alterações na qualidade da matéria-prima,
oscilações de pressão ou temperatura, falhas de instrumentação e outras. Para
que o operador possa atuar de maneira a controlar o processo com maestria,
precisa – além de conhecer os equipamentos envolvidos - ter uma boa base
de conceitos científicos importantes :
Volatilidade  é a capacidade que tem uma substância de passar para o
estado de vapor. Dizemos que uma substância é mais volátil do que outra
quando ela tem maior tendência para passar ao estado de vapor, ou seja, ela
tem maior pressão de vapor.
Pressão de vapor  é a pressão exercida pelo vapor, em equilíbrio com o
líquido ou o sólido que lhe deu origem, numa temperatura constante. É
denominada pressão máxima de vapor do líquido para a temperatura em que
este se encontra. A pressão de vapor varia com a temperatura e é tanto maior
quanto mais alta for esta temperatura.
Pressão de vapor de uma mistura líquida  quando duas ou mais
substâncias estão misturadas formando uma solução líquida, a pressão de
vapor da mistura não depende somente dos componentes da mistura, mas
também da concentração destes componentes na mistura. A Lei de Raoult
permite calcular a contribuição de cada componente na pressão de vapor de
uma mistura. Essa lei pode ser assim enunciada:. pressão parcial de vapor de
um dado componente numa mistura liquida é dada pelo produto da sua
composição molar no líquido pela sua pressão de vapor na temperatura do
sistema. Matematicamente, a lei de Raoult pode ser expressa pela seguinte
equação:
PA = pressão parcial de vapor do componente A na mistura
líquida
PA = PVA . XA
PVA = pressão de vapor do componente A na temperatura do
sistema
XA = fração molar do componente A no líquido
Lembrando: fração molar é a relação entre o número de mols da substância
estudada, em relação ao número de mols total da mistura em que está contida.
XA = n° de mols da subst. A / n° mols total da mistura
Ponto de bolha e ponto de orvalho  ao contrário do que acontece num
líquido puro, uma mistura líquida não mantém a temperatura constante durante
sua ebulição. Quando se eleva a temperatura de uma mistura líquida, sob
pressão constante, chamamos de ponto de bolha a temperatura de formação
20
da primeira bolha na massa líquida. Se a composição da mistura original
mudar, o ponto de bolha terá outro valor. Ou seja, para cada composição da
mistura , o ponto de bolha terá um valor diferente.
Da mesma maneira, se fizermos um resfriamento numa mistura na forma de
vapor, chamamos de ponto de orvalho à temperatura em que se observa a
primeira gota de líquido ( à pressão constante)
Razão de equilíbrio K  num sistema liquido-vapor, dizemos que o equilíbrio
é atingido quando o número de moléculas que estão passando para a fase
vapor se iguala ao número de moléculas que estão condensando. As
concentrações não se alteram, porém não significa que o sistema esta
“parado”. Apenas as transformações físicas de vaporização e condensação
estão na mesma velocidade. É um equilíbrio dinâmico. Para quantificarmos
esta tendência numa dada temperatura, temos:
K= Y/X
Onde Y = fração molar na fase vapor
X = fração molar na fase líquida
Observe que um composto mais volátil de uma determinada mistura terá um K
maior que o composto menos volátil , pois suas moléculas tenderão a ter uma
maior concentração na fase vapor.
Volatilidade relativa  é definida como a relação entre as constantes de
equilíbrio ( ver conceito acima ) dos componentes A e B de uma mistura e é
expressa pela letra grega α (alfa).
A separação por destilação será tanto mais fácil quanto mais elevada (superior
a 1) for a volatilidade relativa de A em relação a B. Genericamente a
volatilidade relativa αi,j do componente i relativamente ao j, define-se como
sendo a razão entre as razões de equilíbrio do componente i e do componente
de referência j:
Volatilidade relativa (α ) = K i / K J
KI e KJ são as razões de equilíbrio para cada um dos componentes. O
componente de referência tem de ser sempre um componente pesado (de
ponto de ebulição elevado). Se representarmos, para um sistema binário a
pressão total constante, a composição do vapor e do líquido em equilíbrio,
diagrama y,x (Figura ), podemos facilmente visualizar se a separação por
destilação será fácil ou difícil. Quanto mais afastada da diagonal estiver a curva
de equilíbrio, mais fácil será separação por destilação. Na Figura a separação
por destilação em (a) é mais fácil do que no caso (b).
21
Gráfico : Portal da Engenharia Química
A volatilidade relativa demonstra a facilidade ou dificuldade de separação
dos componentes em um processo de destilação. Quando a volatilidade
relativa é igual à unidade, é impossível a separação por uma destilação
simples, pois indica que os componentes possuem a mesma volatilidade e,
quanto maior for a volatilidade relativa, mais facilmente se consegue a
separação da mistura. Na prática, temos :
α.AB < 1,1  separação difícil
α.AB > 1,5  separação fácil
Quando aumentamos a pressão de um sistema de destilação, estamos
dificultando a passagem dos componentes
para a fase vapor. Isto ,
conseqüentemente, provoca uma diminuição na constante de equilíbrio K e
diminui a volatilidade relativa entre os componentes. Resumindo, o aumento da
pressão dificulta a separação dos componentes.
Componentes
convencional
internos
de
uma
coluna
de
destilação
Bandejas ou Pratos
Os termos "bandejas" ou "pratos" são equivalentes em se tratando da
denominação das partes internas de uma coluna de destilação. Existem muitos
tipos de pratos, mas os mais comuns são os apresentados a seguir.
Pratos com borbulhadores
Um prato com borbulhadores está esquematizado na Figura 1. Esse
prato tem orifícios onde se erguem pequenas "chaminés" cobertas, cada uma,
com um "capacete". A vista lateral de um borbulhador expandido em suas duas
22
partes está esquematizado na Figura 2, enquanto que no esquema da Figura
3, vê-se a aparência do mesmo coberto. O capacete é montado de tal modo
que existe um espaço entre a chaminé e o capacete de modo a permitir a
passagem do vapor. O vapor ascende na chaminé e é dirigido para baixo,
escapando pelos orifícios verticais do capacete. esse movimento faz com que o
vapor entre em contato com o líquido que está represado no prato.
F
Fig 1 Prato com borbulhadores
Figura 2: Borbulhador expandido
Figura 3 – Borbulhador coberto
Pratos com Válvulas
Nos pratos com válvulas (veja a Figura 4), os orifícios são cobertos com
válvulas que são capacetes presos ao pratos por uma presilha dando-lhes,
assim, mobilidade (veja a Figura 5). O o fluxo de vapor levanta o capacete
fazendo com que exista o contato vapor-líquido.
Figura 4: Prato com válvulas
Figura 5: Esquema de uma válvula
Pratos com malhas ou perfurados
Pratos com malhas são simplesmente
placas metálicas com orifícios (veja a
Figura 6). O vapor passa por esses
orifícios e borbulhas no líquido que
inunda o prato. O arranjo dos orifícios,
seu número e tamanho são parâmetros
de projeto.
Por causa da alta eficiência, grande
aplicabilidade,
facilidade
de
manutenção e fatores econômicos, osFigura 6: Prato com malhas
23
pratos com válvulas e com malhas vêm
sendo muito usadas, em substituição
aos pratos com borbulhadores em
muitas aplicações.
Escoamentos do vapor e do líquido em colunas de pratos
A Figura 7 (a,b,c ) mostram três esquemas, com visões diferentes, para o
escoamento e direção de fluxo dos fluídos que circulam nos pratos e em
colunas de destilação.
(b)
(a)
(c)
Figura 7 Esquemas do escoamento e direção do fluxo dos fluídos em pratos e nas colunas de destilação.
Cada coluna tem dois condutores, um de cada lado, chamado de canal de
descida (usa-se muito na prática o termo em inglês "downcomer"). O líquido cai
pelo downcomer por gravidade, de um prato para o outro, localizado
imediatamente abaixo dele. O fluxo contracorrente em cada prato é mostrado
nas Figuras 7 a,b e c.
24
Um dique localizado na extremidade superior do downcomer é projetado de
modo que seja assegurada, no prato, uma altura adequada de líquido para
permitir que o vapor que passa pelos borbulhadores (ou válvulas ou malhas)
entre em contato íntimo com o líquido. A área disponível para a passagem do
vapor em cada prato é chamada de área ativa do prato.
O vapor (mais quente) transfere calor ao líquido (mais frio) e, com isso, parte
do vapor condensa - justamente os componentes com pontos de ebulição
maiores e é incorporado ao líquido - e parte do líquido evapora - aquela
formada dos componentes com pontos de ebulição menores a qual passa para
a fase vapor que sobe. Este contato contínuo líquido-vapor ocorre em cada
prato e promove a separação entre os componentes menos voláteis dos mais
voláteis.
Cada prato atua, essencialmente, como uma pequena coluna, cada um
deles realiza uma parcela da tarefa total que é a separação dos componentes
da mistura líquida inicial (alimentação).. Desse modo pode-se deduzir que
quanto mais pratos existirem em uma coluna, melhor será a separação a qual
dependerá significantemente do projeto dos pratos. Esse projeto visa
maximizar o contato líquido-vapor e esse contato é influenciado pelas
distribuições do líquido e do vapor em cada prato (tipo de escoamento e
caminhos que o líquido e o vapor percorrem nos pratos). Resumindo: melhor
contato em cada prato significa melhor separação neles e, em termos globais,
melhor desempenho da coluna e, assim, menor número de pratos. Menor
número de pratos significa coluna menor e, principalmente, menores custos de
energia e material (carcaça, pratos, componentes internos, etc.)
Recheios
Os recheios são peças sólidas projetadas para aumentar a área de
contato líquido-vapor. na Figura (a,b,c) estão desenhos de 3 tipos de
recheios.
(b)
(a)
Figura : Tipos de recheios.
(c)
As colunas de recheio são carcaças contendo um número muito grande dessas
peças. O recheio ocasiona um bom contato líquido-vapor mas, por outro lado, a
seção da coluna preenchida com as peças experimenta perda de carga
considerável pois dificulta a passagem dos fluídos No projeto desse tipo de
coluna é desejável que esse fator seja minimizado pois grandes perdas de
25
cargas significam altos custos de energia para fazer com que o vapor flua
ascendentemente na coluna.
Recheio X Pratos
Colunas de pratos são chamadas de "colunas com contatos em estágios" e as
de recheio "colunas com contato contínuo" devido ao tipo de contato líquidovapor que acontece nessas duas diferentes colunas. Segue abaixo um
comparativo entre as vantagens e desvantagens de cada tipo:
As colunas de pratos proporcionam melhor contato entre as fases líquida
e gasosa. As colunas recheadas podem apresentar diferenças de
compactação e/ou obstruções causadas por sujeira que podem formar
caminhos preferenciais para o líquido, diminuindo a eficiência de contato
para transferência de massa.
As colunas de pratos podem operar com maiores capacidades de carga
sem haver risco de inundação da coluna.
As colunas recheadas operam menor queda de pressão.
As colunas de pratos são limpas com maior facilidade. As de recheio,
normalmente obrigam a remoção do mesmo para limpeza, o que pode
causar quebra de material.
O recheio das colunas pode ser feito em material cerâmico, podendo
trabalhar em ambientes mais agressivos quimicamente.
As colunas recheadas são mais baratas que as colunas de pratos de
mesmas dimensões.
.
26
3- Comportamento dos Gases
Como sabemos, a matéria se apresenta usualmente em três estados
físicos:
Estado Sólido: as moléculas da matéria se encontram muito próximas, sendo
assim, possuem forma fixa, volume fixo e não sofrem compressão. Num cubo
de gelo as moléculas estão muito próximas e não se deslocam.
Estado Líquido: as moléculas estão mais afastadas do que no estado sólido e
os elementos que se encontram nesse estado possuem forma variada, mas
volume constante. Além dessas características, possui facilidade de
escoamento e adquirem a forma do recipiente que os contém.
Estado Gasoso: a movimentação das moléculas nesse estado é bem maior
que no estado líquido ou sólido. Se variarmos a pressão exercida sobre um
gás, podemos aumentar ou diminuir o volume dele, sendo assim, pode-se dizer
que sofre compressão e expansão facilmente.
Essas características obedecem a fatores como a Força de Coesão (faz
com que as moléculas se aproximem umas das outras) e a Força de Repulsão
(as moléculas se afastem umas das outras). No estado gasoso a Força de
Repulsão predomina, enquanto que no estado sólido é a Força de Coesão.
Dentre os três estados físicos citados acima, aquele que possui o maior
conteúdo energético é o estado gasoso. Muitos dos processos petroquímicos e
de refino trabalham manipulando substâncias gasosas a temperaturas e
pressões elevadas. Acidentes e fatalidades envolvendo explosões onde o
conhecimento das propriedades dos Gases foi negligenciado não são raros na
indústria. Por isso, vamos nos dedicar a conhecer um pouco mais desse
temperamental estado físico da matéria.
Teoria cinética molecular
Desenvolvida por Ludwig Boltzmann e Maxwell, indica-nos
propriedades de um gás ideal a nivel molecular. Principais conceitos:
as
Todo o gás ideal é formado por pequenas partículas esféricas chamadas
moléculas.
As moléculas gasosas movem-se a altas velocidades, em forma recta e
desordenada.
Um gás ideal exerce uma pressão continua sobre as paredes do
recipiente que o contém, devido aos choques das moléculas com as
paredes deste.
Os choques moleculares são perfeitamente elásticos. No há perda de
energia cinética.
27
Não se tem em conta as interacções de atracção e repulsão molecular.
A energia cinética média da translação de uma molécula é directamente
proporcional à temperatura absoluta do gás.
Equação geral dos gases ideais
Para uma mesma massa gasosa (portanto, o número de moles (n) é
constante), podemos afirmar que existe uma constante diretamente
proporcional à pressão e volume do gás, e inversamente proporcional à sua
temperatura.
Quando não houver alteração no número de mols ( ou seja – na
quantidade mássica da substância gasosa), você pode utilizar a equação acima
para resolver qualquer exercício sobre gás ideal.
Processos gasosos particulares
Processos realizados mantendo constante um par de suas quatro
variáveis (n, p, V, T), de forma que fiquem duas; uma livre e outra dependente.
Deste modo, a fórmula acima exposta para os estados 1 e 2, pode ser
operada simplificando 2 ou mais parâmetros constantes. Segundo cada caso,
recebem os nomes:
Processo isotérmico (Ley de Boyle-Mariotte)
Afirma que, à temperatura e quantidade de matéria constante, o volume
de um gás é inversamente proporcional à sua pressão:
A fórmula acima nos indica que um gás quando passa de um estado inicial (1)
de pressão e temperatura, mantendo a temperatura constante a um estado 2,
pressão e temperatura variam inversamente. Observe o que acontece com o
volume do cilindro abaixo quando aumentamos a pressão sobre o embolo:
28
Processo isobárico ( Lei de Charles)
Mantendo a pressão constante , o volume é diretamente proporcional a
temperatura.
Processo isovolumétrico ou isocórico ( Lei de Gay-Lussac )
Mantendo o volume constante, a pressão é diretamente proporcional a
temperatura.
Os comportamentos acima são bem fáceis de achar analogias no nosso
dia a dia. Pense no que acontece com a pressão do pneu de um carro após
dirigir por muito tempo : o volume do pneu é constante, a massa de ar dentro
29
do pneu é constante; porém, com o aquecimento do pneu após percorrer
algum tempo, a pressão dentro dele aumenta. Isto é explicado pela equação
de Gay-Lussac exposta acima : “a pressão é diretamente proporcional a
temperatura mantendo o volume constante”.
Lei de Avogadro
Amedeo Avogadro em 1811 e complementava as de Boyle, Charles e
Gay-Lussac. Assegura que num processo a pressão e temperatura constante
(isobárico e isotérmico), o volume de qualquer gás é proporcional ao número
de moles . Essa constância no volume molar de um gás explica-se pelo fato de
os tamanhos das moléculas gasosas serem desprezíveis quando comparados
com o espaço vazio que há entre elas. Assim, se um balão de gás for enchido
com 2g de gás hidrogênio (massa de 1mol de moléculas H2) e submetido à
pressão externa de 1 atm e à temperatura de 0°C, ele adquirirá o volume de
22,432 litros. Substituindo o gás hidrogênio por 28g (massa de 1 mol de
moléculas de N2),o volume será de 22,403 litros.
Volume molar de um gás
É o volume ocupado pelo mol de moléculas de um gás qualquer nas
CNTP ( condições normais de temperatura e pressão - Temp = 0° C e pressão
de 1 atm) situado aproximadamente em 22,4 l. Ou seja, sabemos que num
volume de 22,4 L , na CNTP, teremos 1 mol da substância gasosa, portanto
6,02 x 1023 moléculas do gás.
Equação de Clapeyron
A equação de Clapeyron tem este nome em homenagem ao Físico Francês
Benoit Paul Émile Clapeyron que viveu entre os anos de 1799 e 1864.
Clapeyron foi um dos criadores da Termodinâmica. Relacionando as leis de
Charles, Boyle e Mariotte e Gay-Lussac, Clapeyron estabeleceu uma equação
que relaciona as três variáveis consideradas no estudo dos gases (pressão,
volume e temperatura) e o número de mols.
P.V=n.R.T
onde:
P= pressão do gás
Kgf/cm2 ; atm ; pascal, mmHg, mca, etc
V = volume do gás
m3, l , cm3, etc
n = n° de mols
30
R = constante universal dos gases
T = temperatura ( Kelvin)
A constante universal dos gases R pode ter os seguintes valores:
R = 62,3 mmHg.l / mol K
R= 0,082 atm l / mol K
R= 8,31 J/ mol K
O valor adotado de R dependerá, obviamente, das unidades de medida
utilizadas. Por exemplo : Se a pressão é medida em atm , devemos utilizar
0,082 atm l / mol K.
Diferenças entre gases ideais e gases reais (não ideais)
As equações acima demonstradas representam o comportamento dos
gases chamados ideais. Porém, sob determinadas condições, ocorrem
pequenos desvios matemáticos em relação ao esperado. O problemas é que
as equações acima não consideram dois fatores:
Considera desprezível o volume ocupado pelas moléculas dos gases
Despreza também a interação inter-molecular entre as partículas
gasosas.
Para entendermos matematicamente esse desvio do comportamento entre os
gases reais e ideais, consideremos 1 mol de gás. Se este gás é ideal, podemos
reescrever a lei de Clayperon como:
Para um gás não ideal, o quociente PV/RT pode não ser igual a 1. Esse
quociente é chamado de fator de compressibilidade Z. Valores específicos
para a compressibilidade dependem da pressão, do volume e da temperatura
do gás real. Quanto mais afastado de 1 estiver Z, menos o gás se comporta de
forma ideal.
31
Observe, pelo gráfico, que temperaturas mais baixas provocam um maior
desvio do comportamento ideal. Entenda assim: moléculas com temperatura
mais baixas possuem menor energia e estão portanto mais suscetíveis às
interações inter-moleculares. Pressões mais altas também provocam o efeito
de potencializar essas interações tendendo a diminuir a distância entre as
moléculas, fazendo com que o fator de compressibilidade Z seja diferente de 1.
32
Noções de Mecânica dos Líquidos
Mecânica dos líquidos
Vamos iniciar esta parte com o estudo dos vasos comunicantes.
1.1. Vasos comunicantes
Como já estudamos, a coesão entra as moléculas dos líquidos é um
pouco maior do que a sua força de repulsão e por isso os líquidos tendem a
tomar a forma dos recipientes que os contém. Quando o volume de líquido for
um pouco menor do que o volume do recipiente forma-se uma superfície livre
que toma o nome de superfície de nível do líquido.
Deve-se notar que esta superfície toma a forma esférica acompanhando
a superfície da Terra como podemos observar na superfície do mar. Mas como
lidamos geralmente com pequenas superfícies elas podem ser tomadas como
horizontais planas.
Vemos na Figura 2.1 dois recipientes de forma diferente ligados por um
tubo. Este recipiente é enchido com um líquido e ambos têm um mesmo nível
apesar de que suas orientações serem diferentes: um é vertical e o outro tem
certa inclinação. Estes recipientes unidos tomam o nome de vasos
comunicantes.
Figura 2.1
Este efeito é aplicado na indústria para indicar o nível de líquido em um
tanque como vemos na Figura 2.2. Temos um tubo que se comunica com um
tanque cheio de líquido e o nível é indicado por meio de um tubo de vidro
transparente.
Figura 2.2
1.2. Transmissão da pressão nos líquidos
33
Outro efeito das características dos líquidos que é usado na indústria é a
transmissão da pressão nos líquidos. Vimos no estudo dos corpos sólidos que
a pressão ou o choque sofrido por um corpo sólido se transmite em somente
uma direção.
Já nos líquidos este efeito quando exercido em um recipiente fechado é
diferente. Quando uma massa líquida em um recipiente completamente
fechado sofre uma pressão em um ponto, esta pressão é transmitida em todos
os sentidos no líquido ou, dito de outra forma, em todas as seções transversais
dos líquidos a pressão será igual à força aplicada em um ponto do líquido.
Este efeito pode ser demonstrado por meio de uma experiência muito
simples. Um recipiente esférico com diversos furos é unido a um cilindro. No
cilindro coloca-se um pistão que pode ser movido para comprimir o líquido.
Vemos este instrumento na Figura 2.3.
Figura 2.3
Este efeito tem um uso extenso na indústria sendo o mais comum nas
prensas hidráulicas que vemos na Figura 2.4
Basicamente esta prensa se compõe de um cilindro C1 onde o líquido
sofre compressão de alguma maneira, indicada pela força F1. Esta pressão se
transmite pelo líquido para todos os lados como mostram as flechas. Ela
também se transmite para o cilindro C2 onde está um pistão que recebe a força
produzida.
Figura 2.4
A pressão produzida é uniforme sobre toda a superfície de C2 e se
sobre o êmbolo A se exerce uma pressão p por cm2 a mesma pressão será
exercida sobre a superfície C2. Chamando P1 a pressão em C1 e S1 sua
34
superfície e P2 a pressão em C2 e S2 sua superfície podemos escrever a
equação:
Vamos agora ver a vantagem deste tipo de máquina junto com a
alavanca que foi uma máquina simples que estudamos.
Vamos supor que devemos comprimir um corpo como vemos na Figura
2.5. Este aparelho toma o nome de prensa hidráulica.
Figura 2.5
Seja a área de S1=20 cm2 e a pressão exercida sobre ele de 50 kg e
S2=2000 cm2. Qual será a pressão exercida sobre o corpo?
Usando a fórmula acima temos:
Agora vamos usar a alavanca que está mostrada no desenho. Esta é
uma alavanca de segunda classe ou interresistente como nós estudamos na
apostila de Mecânica.
Vamos fazer L1=50 cm, L= 10 cm, a força necessária S1 igual a 50 kg
como vimos acima, temos então:
E:
Vemos que podemos fazer a mesma pressão final de 5000 kg com um
esforço de apenas 10 kg ou um ganho de 5000/10= 500 vezes.
1.3. Pressão sobre o fundo
Vamos estudar agora um ponto fundamental na hidráulica: a pressão
sobre o fundo dos tanques e reservatórios. Muitas pessoas pensam que quanto
maior um tanque maior é a pressão do fundo de um reservatório, mas estão
simplesmente confundindo o peso do reservatório com a pressão no fundo do
mesmo.
A pressão total que um líquido exerce sobre o fundo de um reservatório
depende unicamente da altura do nível do líquido e da superfície do fundo do
reservatório e é independente da forma do reservatório. Veja a Figura 2.6 onde
35
estão representados três tanques de formatos diferentes, mas todos eles tendo
uma mesma dimensão do fundo.
Figura 2.6
Nessa figura as alturas de líquido e as áreas das bases dos três tanques
B, C e D são exatamente iguais e as pressões sobre o fundo deles também são
iguais. Mas para o cálculo das estruturas de apoio o peso total do líquido e dos
vasos deve ser considerado e não somente a pressão do fundo do vaso.
A pressão sobre o fundo do vaso é dada pela fórmula:
Sendo P a pressão total, r o peso específico do líquido, S a superfície
do fundo e h a altura do líquido. Podemos exprimir as dimensões em cm.
O fato de que ser a pressão dos líquidos no fundo dos vasos
independente da forma do vaso e do peso do líquido toma o nome de paradoxo
da hidrostática, pois ele foge à razão.
1.4. Pressão lateral e para cima
Como já sabemos os líquidos transmitem a pressão de modo uniforme
para qualquer ponto em que sua massa exerça pressão, não somente sobre as
superfícies horizontais como vimos, mas também sobre qualquer posição
vertical ou oblíqua. Para isto vamos analisar a Figura 2.7.
Figura 2.7
Vemos nessa figura uma lâmina AB submersa no líquido e que assume
duas posições distintas, uma na horizontal e outra levemente inclinada.
A pressão que essa lâmina suporta é calculada usando a fórmula dada
no capítulo anterior e fazemos o cálculo para a posição horizontal. Após
inclinarmos a superfície ela assume a posição CD, mas conservamos seu eixo
na posição X e na mesma posição h anterior. Note que agora temos pontos
mais altos e mais baixos na superfície do plano, mas a elevação de um ponto,
por exemplo, C é compensada pelo descenso de outro ponto como o ponto D
36
oposto. Podemos então deduzir que a pressão total não se modificou com a
rotação do corpo.
A pressão do líquido se faz então em todos os sentidos inclusive na
superfície vertical da lateral do vaso que toma o nome de pressão vertical. Esta
pressão tende a movimentar a parede para fora no caso da figura, mas este
efeito é anulado pela resistência mecânica da parede do vaso.
Agora vamos considerar as pressões sobre um corpo submerso que
agem em todos os sentidos inclusive de baixo para cima. Para isto
consideremos a Figura 2.8.
Figura 2.8
Nós colocamos um tubo aberto de ambos lados no vaso e mantemos um
disco segurado no fundo por meio de um fio de forma que o líquido não entre
no tubo ao entrarmos com ele no vaso. Uma vez o tubo e disco
cuidadosamente colocados no vaso, você pode soltar o fio e verá que o disco
não cairá para o fundo, pois o líquido vai segurar o disco devido à pressão de
baixo para cima que o líquido proporciona sobre a superfície inferior do disco.
Se você agora encher o tubo cuidadosamente com um liquido igual, você verá
que após ele atingir a mesma altura da coluna de líquido do vaso o disco cairá
para o fundo.
1.5. Reação dos líquidos
Acabamos de ver que os líquidos exercem pressão sobre as paredes
dos recipientes que os contém. Também vimos que esta pressão não pode
mover as paredes desses vasos porque elas têm resistência bastante para
suportar esses esforços.
Entretanto se for aberto um buraco na parede do recipiente o líquido
escoará por ele como vemos na Figura 2.9.
37
Figura 2.9
A pressão do líquido que escoa por esse furo é igual e contrária à
pressão que ele exercia sobre a parte da parede que foi retirada para formar o
furo e este fenômeno recebe o nome de reação dos líquidos.
Uma aplicação prática deste fenômeno é nas turbinas de reação. Na
Figura 2.10 vemos um tubo que tem duas saídas em sentido contrário pelas
quais sai um jato de água.
Figura 2.10
A ação da saída da água sob pressão provoca uma reação contrária que
produz a rotação do tubo. Este tubo poderá estar ligado a um gerador elétrico e
produzirá energia elétrica.
1.6. Vasos comunicantes
Se tivermos dois vasos que se comunicam como na Figura 2.11 e em
cada um deles colocamos um líquido de propriedades diferentes que não se
misturem podemos observar um fenômeno muito interessante.
38
Figura 2.11
Temos dois líquidos com pesos específicos diferentes, por exemplo:
água (mais leve de peso específico 1) e mercúrio (mais pesado com peso
específico 13,59) e colocamos nos vasos como indicado na figura.
A linha AA pressupõe indicar que a pressão é a mesma em ambos
os tubos como se fossem os braços de uma balança. Assim podemos
escrever que a pressão em cada unidade de superfície em cada lado é:
Esta equação pode ser usada para a determinação do peso
específico de um líquido.
1.7. Força ascensional
Falamos acima sobre a pressão para cima ou ascensional que os
líquidos exercem. Vamos imaginar um prato de balança em que se submerge
um cilindro maciço M e acima dele se coloca um cilindro oco C de volume igual
ao anterior e se equilibra com pesos no prato da balança do outro lado, Figura
2.12.
Se submergirmos o cilindro M em um líquido como mostra a figura
notaremos que o prato onde estão os dois cilindros se eleva.
Figura
2.12
39
A submersão do corpo M em água e ele sua elevação faz parecer que
ele está mais leve ou que perdeu peso. Podemos deduzir que o corpo sólido
perdeu o peso referente ao peso da água deslocada pelo volume do corpo M.
Agora se enchermos o corpo C com o mesmo líquido notaremos que o
equilíbrio será restabelecido.
Esta pressão para cima que o corpo sente toma o nome de empuxo e
atua no sentido inverso da gravidade e podemos enunciar a seguinte lei: Todo
corpo submerso em um líquido experimenta um empuxo de baixo para cima
igual ao peso de líquido que ele desaloja. Este princípio foi descoberto por
Arquimedes ao redor do ano 400 AC.
Agora podemos ver que em um corpo submerso em um líquido agem
duas forças: o peso do corpo aplicado em seu centro de gravidade e um
empuxo de baixo para cima também aplicado em seu centro de gravidade que
é igual ao peso de líquido desalojado. Se o peso específico do corpo for maior
do que o do líquido, o corpo tenderá a afundar até encontrar um ponto de
apoio, se o líquido tiver um peso específico maior o corpo tenderá a boiar no
líquido, pois a força resultante será negativa. Assim nós aprendemos o
princípio aplicado às bóias.
1.8. Saída dos líquidos
Vamos estudar um vaso no qual fazemos um pequeno furo em sua parte
inferior como vemos na Figura 2.13.
Figura 2.13
Na figura vemos que foi aberto um furo na parte inferior e localizamos
uma parte de líquido de área abcd sobre o furo cuja altura é y. Sendo o peso
específico do líquido r e G o peso dessa pequena parte temos e a’ a área do
furo podemos escrever:
Sobre esta pequena capa de líquido se apóia a coluna de altura h1 cuja
pressão é:
40
A massa da capa é dada por:
Nessa equação g representa a aceleração da gravidade.
Vimos no estudo da Dinâmica que a força é igual à massa vezes a
aceleração ac e então a aceleração é dada por:
Vimos no estudo da queda livre que:
E temos finalmente:
Esta fórmula diz que a velocidade de saída do líquido por um orifício no
fundo do vaso é a mesma que teria o líquido se caísse livremente desde a
altura h a que está a superfície livre sobre esse orifício.
Este princípio é conhecido como Princípio de Torricelli.
Como conhecemos agora a velocidade de saída do líquido que forma
um cilindro imaginário de seção a’, que calculamos pela fórmula acima por
segundo de tempo do escoamento, a quantidade de líquido que saí é de a’v e
em t segundos será de:
Este gasto é na realidade do gasto ou volume teórico que sai por
segundo pelo orifício, pois existe um atrito na saída do furo e que produz uma
contração do veio de líquido que se chama de vena contracta que diminui o
gasto real para 0,64 do gasto teórico.
Exemplos e exercícios
Exemplos
1. Temos uma prensa hidráulica que tem uma pressão no êmbolo S1 uma
pressão de 250 kg e um diâmetro de 5 cm e o diâmetro do êmbolo maior é
de 30 cm. Qual é a pressão desenvolvida no êmbolo maior?
Resp. A área do êmbolo menor é de:
A área do cilindro maior é de:
A pressão sobre o cilindro maior é então de:
2. Qual é a pressão de uma coluna de água com 10 metros de altura e 1 cm2
de área?
Resp. A pressão é dada por:
Nessa equação S é a superfície de 1 cm2, h a altura do líquido de 10m=
1000 cm e r a densidade = 1g/cm3, então:
41
3. Em um tubo U se coloca água em um lado e no outro se coloca gasolina de
forma que a altura da água sobre a linha horizontal seja de 15 cm e a altura
da gasolina seja de 21,42. Qual é a densidade da gasolina?
Resp. Usamos a equação:
Sendo h2=10 cm, s2=1 e h1=21,42 cm temos:
A densidade é de 0,7.
4. Qual é o peso que tem uma barra de metal cujo volume é de 15 dm3 e cujo
peso específico seja de 7,9 kg, se ele estiver ao ar e se ele estiver
mergulhado em água?
Resp. Temos a equação: P=Vs onde P é o peso do corpo e s seu peso
específico.
Então ao ar ele pesará: P=15*7,9=118,5 kg.
Imerso na água devemos tirar o efeito do empuxo da água. Como a
densidade da água é 1 ele perde 15*1=15 kg e o peso do corpo será:
118,5-15=103,5 kg.
5. Qual é o gasto de um orifício de 1 cm2 de superfície feito no fundo de um
tanque que tem uma altura de coluna de água de 2 metros durante 1
minuto?
Resp. A velocidade da água é dada pela equação:
. Nessa
equação h=2 metros e
então v=6,26 m/s=626cm/s.
Ora como temos 1 minuto = 60 segundos então o gasto será de
Exercícios
Faça os seguintes exercícios:
1. No exemplo 1 qual deverá ser o diâmetro do êmbolo maior se desejamos ter
uma pressão de 15000 kg, com as mesmas condições?
2. Tenho um tanque de água com 3 metros de altura de água. Quero fazer um
furo para ter um gasto de 20 litros por segundo. Qual será o diâmetro do furo
em cm?
3. Uma barra metálica está submersa em um líquido de peso específico 7,8 kg.
Qual é seu volume se ele pesa na água 15 kg?
4. Qual é a pressão sobre o fundo de um tanque que tem uma superfície de 2 m2
e a altura de líquido cuja densidade é 1,2 é de 4 metros?
5. Qual é a pressão em atmosferas no fundo de uma torre de água com 30 metros
de altura?
Respostas:
1.
2.
3.
4.
5.
38,72 cm3
5,75 cm
2,2 dm3
19.200 kg
3 atmosferas
42
Balanço Material
Uma das principais etapas, quando se estuda as Operações Unitárias de
um processo, é o Balanço Material ou Balanço de Massa. Se a Operação
Unitária apenas envolver transferência de massa entre correntes, apenas o
Balanço Material será necessário. Se a Operação também envolver a
transferência de calor entre as correntes, o Balanço de Energia poderá ser
aplicado. Este último será assunto do próximo capítulo.
Após alguns estudos, o químico Antoine Lavoisier concluiu que numa
reação química que se processe num sistema fechado, a massa permanece
constante, ou seja, a soma das massas dos reagentes é igual à soma das
massas dos produtos:
m (reagentes) = m (produtos)
Lavoisier era muito rico e conseguiu montar o laboratório mais moderno
da Europa do século XVIII. Através de seus trabalhos meticulosos, pôde
enunciar uma lei que ficou conhecida como Lei da Conservação das Massas ou
Lei de Lavoisier:
"Na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma".
Mais tarde, com a teoria da relatividade de Albert Einstein, descobriu-se
que em uma reação nuclear, onde muita energia é liberada, uma parte da
massa pode se transformar em energia. Porém, quase que na totalidade das
aplicações, podemos considerar que a massa de um sistema se conserva.
43
O Balanço de Massa de um sistema deverá contabilizar as entradas e
saídas de material, global ou por componente, bem como a variação da
quantidade de material no seu interior, o consumo e a geração de massa
(quando há reação envolvida).
Neste curso, abordaremos o sistema sem reação química, ou seja, a soma do
material de entrada deve ser a soma do material de saída mais o acúmulo
(material que permanece no sistema):
Material que entra
=
Material que sai
+
Material acumulado
Vale a pena lembrar que a equação do Balanço baseia-se na conservação das
massas (conforme enunciou Lavoisier) e, portanto, não se aplica para o cálculo
a partir de volumes processados, pois os volumes variam conforme a massa
específica (densidade) de cada componente.
1º Exemplo
Num processo em batelada, pretende-se produzir 1.000 kg de uma solução de
5% em massa de Ca(OH)2 em água. Qual deverá ser a massa de água e de
Ca(OH)2 que serão alimentadas no misturador?
Solução:
Água
1.000 kg
Solução de
Ca(OH)2 à 5%
Ca(OH)2
Como é um processo em Batelada, a saída e entrada de material não são
simultâneas. portanto, o Balanço de Massa Global (considerando todos os
componentes, neste caso a água e o Ca(OH)2) fica:
Material que entra
=
Material acumulado
Massa água
Massa Ca(OH)2 = 1.000 kg
ou
(1)
+
44
Como nosso Balanço ainda não está resolvido,
precisaremos fazer o Balanço de Massa por Componente, neste caso o
Ca(OH)2:
Material que entra
=
Material acumulado
ou
( 2)
Massa Ca(OH)2 = 5 x 1.000 kg
100
Massa Ca(OH)2
= 50 kg
Substituindo (2) em (1), temos:
Massa água = 1.000 kg - 50 kg
Massa àgua =
950 kg
2º Exemplo
Num processo contínuo, uma determinada operação unitária de
separação é alimentada por uma vazão de 500 kg/h de matéria prima. Dois
produtos são gerados e a primeira corrente deixa o sistema a uma vazão de
150 kg/h. Qual a vazão da segunda corrente?
Solução:
150 kg/h
Sistema
de
Separação
500kg/h
45
2ª corrente
Considerando que o processo contínuo está em Regime Permanente, o
Balanço de Massa Global fica:
Material que entra
=
500 kg/h
=
2ª Corrente
Material que sai
150 kg/h + 2ª corrente
=
350 kg/h
Importante frisar que nem sempre as quantidades envolvidas num
processo industrial encontram-se na mesma unidade de medida. Precisamos
transformar então as váriaveis envolvidas numa mesma unidade seja ela Kg/h,
m3/s , NM3/h ( normal metro cúbico por hora – muito usada para gases), etc.
No caso de fluxos gasosos , os instrumentos de medição devem possuir fatores
de correção para a temperatura e a pressão que, como vimos no módulo sobre
Gases, influenciam bastante nos valores encontrados.
Balanço de Energia
A energia, assim como a massa, nunca é criada ou destruída. Ela se
transforma de um tipo de energia em outro. Por exemplo, a energia química
liberada por um combustível num carro transforma-se em energia de
movimento do carro, energia de atrito ( com o chão e com o ar ) e em calor
dissipado para o ambiente. Em um sistema isolado, o total de energia obtido
antes de uma transformação é igual ao total de energia obtido depois da
transformação. Ela nunca some! Esse é o chamado Principio da Conservação
da Energia.
Mas, afinal, o que é energia? De uma maneira geral, Energia é tudo
aquilo capaz de gerar Calor, através do contato entre corpos quentes e frios, e
Trabalho (força que movimenta um corpo).
A Energia pode existir de várias formas, como energia potencial
gravitacional (aquela relacionada à altura que um objeto está), energia cinética
(velocidade) e energia interna (relacionada à estrutura e excitação da
molécula).
A Energia Interna pode-se ser consultada através de tabelas e gráficos
(Energia/massa) que informam a entalpia (energia interna + PV) para cada
composto em determinada pressão e temperatura.
46
As unidades mais comuns de Energia são: Joule (N.m), caloria ou cal
(quantidade de calor necessária para elevar em 1 grau Celsius a temperatura
de 1 grama de água) e BTU (definida como a quantidade de energia necessária
para se elevar a temperatura de uma libra de água em um grau fahrenheit).
Quando se estudam sistemas contínuos, é comum expressar energia/tempo
(Potência) como: Watt (J/s), Kcal/h, BTU/h, etc.
Assim como a lei da Conservação de Massa, a Energia também se
conserva e não pode ser destruída, o que nos permite escrever uma equação
geral ou Balanço de Energia:
47
Energia
que sai
-
Energia +
que entra
Energia
=
que acumula
Calor
+
Trabalho
Vale lembrar que para processos contínuos, utiliza-se na equação Energia por
unidade de tempo (potência) e no regime Permanente não há o termo “Energia
que acumula” no Balanço de Energia.
Para um balanço completo, deve-se levar em conta todas as formas de
Energia presentes em cada termo da equação, como altura em relação à
referência, velocidade e energia interna (temperatura e pressão da substância).
Devido à complexidade do assunto, neste curso abordaremos o Balanço de
Energia em regime Permanente, sem realização de trabalho e sem variação de
velocidade e altura. Portanto, o Balanço de Energia após estas considerações
fica:
Energia que sai - Energia que entra = Calor
ou
Massa que sai x Entalpia - Massa que entra x Entalpia = Calor
1º Exemplo
Um determinado equipamento industrial aquece 1.000 kg/h de água no estado
líquido de 10ºC a 30ºC. Qual deverá ser o calor fornecido ao equipamento?
Dados:
Entalpia água a 10ºC = 10 kcal/kg
Entalpia água a 30ºC = 30 kcal/kg
Solução:
1.000 kg/h
1.000 kg/h
Equipamento
Industrial
Água a 10ºC
Q=?
Aplicando-se o Balanço de Energia fica:
48
Água a 30ºC
(Massa que sai) x Entalpia - (Massa que entra) x Entalpia =
Calor
1.000 kg/h x 30 kcal/kg - 1.000 kg/h x 10 kcal/kg = Calor
Calor (Q) = 20.000 kcal/h
Tomando como base o exemplo 1, o calor necessário para aquecimento
da água pode ser gerado através do contato de um fluido mais quente ou pela
queima de um combustível.
Cada combustível possui um Poder Calorífico Inferior (PCI) que é a
quantidade de calor gerado pela queima de uma unidade de massa. Por
exemplo, se quiséssemos calcular a massa necessária de gasolina (PCI=
10.700 kcal/kg) para o aquecimento da água seria:
Massa Combustível =
Calor
PCI
Massa de gasolina = 20.000 kcal/h = 1,7 kg/h
10.700 kcal/kg
49
Referências bibliográficas
BALL, David W.; Físico-química, volume 1 ; São Paulo : Thomson Learning,
2006
SHREVE, R. N.; Jr. BRINK , Joseph A. Industrias de processos químicos. 4
ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 1997.
BOSQUILHA, Alessandra : Mini-manual compacto de física – 2 ed. – São
Paulo : Rideel, 2003;
FOUST, A. S.; WENZEL, L.A.; CLUMP, C. W.; MAUS, L.; ANDERSEN, L. B.
Princípios das Operações Unitárias. Rio de Janeiro: LTC, 1982
http://www.poli.usp.br/p/luiz.terron/destilacao/2_paginas_equipamentos/2_2_dis
tilacao_colunas_internas.htm - acessado em 26/08/2010
http://pt.wikipedia.org/wiki/Separa%C3%A7%C3%A3o_de_misturas – acessado
em 20/08/2010.
Foram utilizados como apoio os materiais desenvolvidos pelas refinarias da
Petrobras.
50