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.

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Objetivos da disciplina

 Capacitar o aluno a resolver problemas de dimensionamento indústria de de alimentos equipamentos (exceto na aqueles envolvendo transporte de calor e massa).

 Estudar as operações unitárias de transporte, mistura, separação e redução de tamanho de partículas de fluidos e sólidos.

 Possibilitar que o aluno discuta criticamente as operações unitárias estudadas.

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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

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Aplicação da Física e da

Química • Estrutura física da matéria • Composição química dos materiais • Leis da mecânica • Transferência de massa e energia • Modelagem matemática e simulação dos fenômenos físicos

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Projetos x Experimentação

• Testar modelos (escala laboratorial) e protótipos (escala maior) até chegar na escala industrial.

• Regular o funcionamento de sistemas • Medir variáveis físicas em processos

atm ºC 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).

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Setores de atuação do engenheiro

• Indústrias • Instituições públicas e privadas • Empresas de consultoria e assessoria • Instituições de ensino e pesquisa

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Qualidades do profissional de engenharia

• • • • • • • Formação básica multidisciplinar Raciocínio analítico Estudo continuado

Conhecimento sistêmico

Conhecimentos gerais Participação social Capacidade de síntese

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Relações humanas

• O Engenheiro emprega boa parte do tempo se relacionando com pessoas.

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Trabalho em equipe

(o engenheiro não trabalha sozinho)

• Respeito aos colegas • Capacidade de expor e discutir idéias • Renúncia de idéias ultrapassadas • A pessoa progride: – pelo que sabe; – pelo que produz; – pelo que pratica.

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Aperfeiçoamento contínuo

• Atualização: livros, revistas técnicas e científicas, seminários, congressos, feiras industriais • Diploma = ponto de partida • Especializações e pós-graduação

lato sensu

• Pós-graduação

stricto sensu

: Mestrado e Doutorado

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Ética profissional

• Responsabilidade na e com a organização local, com a humanidade e com a vida.

• A Ética deve ser a base sobre a qual é estabelecido o comportamento do profissional perante a sociedade, o empregador e o cliente.

• A formação do Engenheiro tem um custo social que deve ser resgatado através de sua atuação consciente na sociedade, ou seja, a sociedade deve se beneficiar do trabalho do Engenheiro.

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A industrialização dos produtos agrícolas, pecuários e pesqueiros tem por objetivo:

• Facilitar o manuseio e o transporte • Aumentar a vida de prateleira • Melhorar algumas qualidades: toxicidade, sabor, textura, aparência e valor nutritivo

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Campo de atuação da engenharia de alimentos

Recursos naturais Produção agropecuária Produtos do campo Pré-processamento Matéria primas agrícolas Industrialização Produtos alimentícios Transporte Armazenamento Comercialização Alimento processado para consumo RECURSOS TECNOLÓGICOS 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.

Estudar as operações usuais a muitos tipos de indústria, por exemplo: evaporação, refrigeração, extrusão, extração, centrifugação, etc.

3.

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

Velocidade Temperatura Concentração, potencial químico

Fluxo

Momentum

Calor Massa

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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 critério de

operações unitárias

.

é pelo

Tecnologia de alimentos

=

Processos unitários

Mudanças químicas, biológicas e microbiológicas Ciência +

Operações unitárias

Mudanças físicas Engenharia

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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.

     

F A



v



y t

   

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Operações unitárias de quantidade de movimento Objetivo Materiais Fluidos

(líquidos e gases)

Transporte Bombeamento Ventilação Compressão Mistura Agitação Mistura Separação Centrifugação (L-L) Modificação de tamanho Atomização Fluidos e sólidos Transporte Pneumático Transporte hidráulico Perda de pressão em leitos empacotados Fluidização Suspensão de sólidos em líquidos (agitação) Filtração (L-S) Centrifugação (L-S) Sedimentação (L-S) Separação pneumática (G-S) Prensagem Sólidos Transporte Mecânico de sólidos Misturadores de sólidos Peneiragem Moagem 20

Operações unitárias de transferência de impulso 2.

1.

Bombeamento de líquidos Escoamento gravitatório de líquidos 4.

3.

Ventilação (gases) Compressão (gases) 5.

6.

Decantação Centrifugação 7.

Agitação de líquido Mistura de líquidos e líquido-gás 8.

9.

Atomização líquido-gás (aspersão) 11.

10.

Atomização líquido-líquido (homogeneização) Movimentação de fluidos através de sólidos porosos

21

Operações unitárias de transferência de quantidade de movimento 22.

13.

12.

Fluidização Transporte pneumático 14.

15.

Transporte hidráulico Decantação de sólidos 18.

16.

Filtração 17. Ultra filtração Centrifugação sólido-líquido 19.

20.

Separação com ciclones Mistura líquido-sólido 21. Prensagem Fluxo a granel (sólidos particulados)

22

Operações unitárias de transferência de quantidade de movimento 26.

24.

23.

Peneiração Decantação sólido-sólido 28.

25.

Mistura sólido-sólido Moagem, trituração, desfibração de sólidos 27.

Compactação de sólidos Aglomeração de partículas sólidas

23

Bombas Decantador Centrífuga Ciclone de separação

24

Operações unitárias de transferência de calor 3.

4.

1.

Branqueamento 2.

Cozimento e fritura Pasteurização e esterilização Evaporação e condensação 6.

5.

Congelamento Crio concentração 8.

7.

Refrigeração Geração de vapor 9.

Forneamento

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Operações unitárias de transferência de massa 3.

2.

1.

Destilação Absorção de gases Umidificação e de desumidificação de ar 5.

6.

9.

8.

Adsorção e troca iônica Separação por membranas 11.

4.

Secagem Extração líquido-líquido Extração sólido-líquido 7.

Cristalização 10.

Desaeração Higienização química

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Destilação Separação por membranas Desidratação de alimentos Cristalização

27

As operações unitárias em uma indústria de alimentos

Exemplo: Diagrama de blocos simplificado da produção de etanol

28

Cana-de açúcar Água quente Preparação Cana picada Prensagem difusão Bagaço úmido Caldo de 14 º Brix Prensagem Bagaço Caldo 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) b) c) d) Princípios

ou leis da conservação de massa, quantidade de movimento e entalpia

Equações constitutivas

ou descritivas do fenômeno de transferência

Equações de estado

Walls, etc.) (gases ideais, Van der

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.

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