Apostila processos industriais ipi1 ana paula

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Apostila processos industriais ipi1 ana paula

  1. 1. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1SEMANA DATA CONTEÚDO 1 28/07 Introdução 2 04/08 Balanços Materiais 3 11/08 Balanços Materiais 4 18/08 Balanços Materiais 5 25/08 Balanços Materiais 6 01/09 Balanços Energéticos 7 08/09 Balanços Energéticos 8 15/09 1ª. Avaliação – P1 9 22/09 Balanços Energéticos 10 29/09 Balanços Energéticos 11 06/10 Exercícios – Balanços Energéticos 12 13/10 2ª Avaliação – 1ª Parte – Balanços Energéticos 13 20/10 Introdução a Operações Unitárias 14 03/11 Introdução a Operações Unitárias 15 10/11 Introdução a Operações Unitárias 16 17/11 2ª Avaliação – 2ª Parte / Entrega das Monografias 17 24/11 Química Analítica ( apresentação de trabalhos ) 18 01/12 Química Analítica ( apresentação de trabalhos ) 19 08/12 3ª Avaliação – P 3
  2. 2. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA1 – Estequiometria Industrial. Reynaldo Gomide. EPUSP- SP.2 – Princípios dos Processos Químicos . Olaf A. Houghen, Kenneth M. Watson e Roland A.Ragatz. Livraria Lopes da Silva Editora - Porto.3 - Química – um curso universitário. Bruce M. Mahan e Rollie J. Myers. Ed. Edgard Blücher Ltda.4 – Princípios das Operações Unitárias. Alan Foust, Leonard Wenzel, Curtis Clump, Louis Maus e L. Bryce Andersen. Ed. Guanabara Dois S.A.
  3. 3. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA BALANÇOS MATERIAIS Um balanço material de um processo industrial é uma demonstraçãoexata de todos os materiais que entram, saem, acumulam-se, ou se esgotamno curso da operação, durante um dado intervalo de tempo. O balanço materialé, assim, uma expressão da lei da conservação da massa: a massa de umsistema fechado permanece constante durante os processos que nela ocorrem.Isto torna possível calcular a quantidade dos produtos obtidos, a partir dasquantidades dos reagentes inicialmente presentes no sistema, desde que suasfórmulas sejam conhecidas, bem como as reações que ocorrem durante oprocesso. Os cálculos todos estarão baseados no princípio da conservação demassa aplicado a cada elemento químico do sistema. Da mesma forma, a massa alimentada durante um certo intervalo detempo a um sistema aberto é igual à massa que sai, mais a massa que ficouacumulada no sistema durante o intervalo de tempo considerado: massa que entra no sistema – massa que sai = massa acumulada ;ou entrada – saída = acúmulo A palavra acúmulo dá a entender que a entrada de materiais no sistemasupera a saída. No entanto, durante o intervalo de tempo considerado, poderásair mais material do sistema do que entra e, nestas condições, o acúmulo seránegativo. Há, na realidade, um decréscimo de matéria no sistema durante esseintervalo de tempo. A fim de evitar enganos de sinal, é conveniente considerarentrada e saída como quantidades positivas. Dependendo de qual das duasseja a maior, resultará um acúmulo positivo ou negativo. O acúmulo negativorepresenta, por convenção, um decréscimo de matéria no sistema. Quando o acúmulo é igual a zero, conclui-se que a razão de entrada éigual à razão de saída e, portanto, a massa do sistema não varia com o tempo.É esta geralmente a situação nas operações industriais contínuas. Os balançosmateriais tornam-se bastante simples nestes casos, pois a massa de qualquerelemento químico alimentado ao sistema durante certo tempo terá que serforçosamente igual à massa total desse elemento que deixa o sistema nomesmo intervalo de tempo. Assim, por exemplo, todo o carbono alimentado auma caldeira (como lenha, carvão ou óleo) durante uma hora de operação teráforçosamente que sair da caldeira como carvão não queimado na cinza oucomo CO2 , CO, fuligem e alcatrão nos gases. As relações entre as massasdos diversos participantes do processo são obtidas pela aplicação das demaisleis das reações químicas, o que permitirá fazer a contabilização de tudo queentra e sai do sistema.
  4. 4. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULAA Técnica dos Balanços Materiais A seqüência de etapas para que um balanço material possa serrealizado é a seguinte:1° Procurar fazer a idéia mais precisa possível do processo considerado. Isto )significa que, mesmo sem conhecer o processo em suas minúcias, deve-seimaginar o que está ocorrendo no sistema.2° Esquematizar o processo num fluxograma simplificado, onde figurem )apenas as correntes que intervêm no caso específico considerado. Todos osdados disponíveis poderão ser colocados diretamente no fluxograma, ondedeverão estar identificadas, individual e devidamente, todas as correntes doprocesso. Entre os dados importantes para balanços materiais citam-sevazões, composições, pressão e temperatura para gases, etc.3° Estudar o fluxograma e os dados de modo a relacionar mentalmente as )diversas correntes do processo e as quantidades das diversas substâncias quecompõem estas correntes.4° Escolher uma base de cálculo apropriada e indicá-la com clareza. Esta é )uma quantidade arbitrária de reagentes ou produtos em relação à qual sereferem todos os cálculos efetuados. A base de cálculo pode também ser amassa de um determinado reagente ou de um único produto, podendoigualmente ser escolhido um intervalo de tempo de operação. Emboraarbitrária, a escolha da base de cálculo é um passo necessário para aresolução do problema. Desde que não haja reações químicas no processo estudado, a base decálculo poderá ser 1 kg ou 1 tonelada de um dado material participante.Ocorrendo reações químicas, a base molar é quase sempre mais vantajosa.5° Selecionar o sistema (ou os sistemas) em torno do qual serão feitos os )balanços.6° Realizar os balanços, obtendo em resultado um número suficiente de )equações que permita resolver o problema. Em linhas gerais, o encaminhamento da solução pode seguir duastécnicas distintas. Pela primeira, estabelecem-se balanços materiais emnúmero suficiente para que o número de equações seja igual ao número deincógnitas. A outra técnica evita o emprego de equações e consiste emrelacionar as quantidades das diversas correntes de reagentes e produtos doprocesso, através das quantidades de um ou mais compostos (ou elementos)cuja quantidade nessas correntes permaneça em proporção fixa durante oprocesso.Exemplo: Suponha que uma solução a 50 mol, por cento de etanol em águaesteja sendo alimentada em vazão constante a uma coluna de destilação paraproduzir destilado com 70 mol por cento de álcool e fundos com 1 mol porcento de álcool.
  5. 5. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULAObjetivos Gerais dos Balanços Materiais De um modo geral, os diversos problemas que se nos apresentam naprática pertencem a duas categorias gerais, quanto ao objetivo visado: 1) Problemas que visam obter como resposta um número que representa uma grandeza de determinação direta impossível, trabalhosa ou menos precisa do que assim calculada. São exemplos de perdas não localizadas ou múltiplas, de vazamentos pelo equipamento, de um rendimento ou de uma vazão em condutos de difícil acesso. 2) Problemas cuja resposta é a aceitação ou rejeição de um conjunto completo de dados experimentais, isto é, o objetivo visado nestes casos é o controle dos dados experimentais que se têm em mãos. O resultado do estudo poderá ser, ao invés da rejeição pura e simples dos dados, sua correção adequada de modo a que o princípio da conservação de massa seja respeitado.Emprego dos Balanços Materiais1 – Balanços Materiais Totais Os balanços materiais aplicam-se às massas de todos os materiais queparticipam do processo, aos compostos químicos individualmente, ou a cadaelemento isolado. Um balanço envolvendo o material todo que entra ou saido processo denomina-se balanço total.Exemplo: Um tanque de armazenamento de água quente destinada a lavarlama de carbonato numa instalação de recuperação de soda do processosulfato para produção de celulose recebe água de várias fontes. Num dia deoperação, 240m³ de condensado da fábrica são enviados para este tanque,80m³ de água quente contendo pequena quantidade de hidróxido de cálcio esoda cáustica, vêm do lavador da lama e 130 m³ são provenientes do filtrorotativo. Durante esse mesmo período, 300 m³ são retirados para usosdiversos, 5 m³ são perdidos por evaporação e 1 m³ por vazamentos. Acapacidade do tanque é de 500 m³ e, no início do dia, está cheio pela metade.Quanta água haverá no tanque, no fim do dia?2 – Processos com Reação Química Nestes processos o emprego de unidades molares é mais vantajoso.Exemplo: Em instalações de solda oxiacetilênica, o acetileno, C2H2, é obtidopela reação entre a água e o carbeto de cálcio. Calcular durante quanto tempopoderá funcionar um maçarico desse tipo, sabendo que o gerador de acetilenoencerra dois quilos de carbeto comercial, contendo 90% de CaC2, e que o gás
  6. 6. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULAproduzido é queimado à razão de 376 litros por hora medidos à temperatura de27ºC e pressão de 700 mm Hg. Qual a vazão de ar seco para queimar oacetileno e qual a vazão dos gases produzidos na combustão, ambas a 27ºC e700 mmHg? O ar encerra 21% de oxigênio em volume.
  7. 7. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA3 – Processos com desvio (bypass) de materiais É prática comum na indústria, desviar uma parte de uma correnteprocessual de uma ou mais unidades da instalação, para depois juntá-la com acorrente principal que passou pela unidade. Essa prática, conhecida comodesvio ou “bypass”, pode ter diversas finalidades. Muitas vezes o materialprocessado deverá ter especificações bem restritas a serem mantidas na saídada unidade (como uma composição, uma umidade ou uma temperatura bemdefinidas) e o controle torna-se mais fácil desta maneira. De fato, a unidadeprocessará o material de modo a ultrapassar os requisitos processuais semnecessidade de um controle rigoroso e a mistura com a corrente desviadapermitirá atingir o valor estipulado pela simples manipulação da válvula dodesvio. Qualquer variação, para mais ou para menos, no funcionamento daunidade determinará um desvio de maior ou menor parcela da correnteprincipal. O valor da propriedade que se deseja manter no produto final émedido no ponto I da figura, depois do desvio, e o impulso é alimentado numaparelho de controle que abre ou fecha a válvula. O exemplo a seguir mostra, com dados simplificados, o funcionamentoda corrente de bypass de um secador.Exemplo: Certa quantidade de ar encontra-se a 30ºC com 70% de umidaderelativa e deve ser condicionada isotermicamente a 30% de umidade relativa,usando-se para secagem uma camada estacionária de sílica-gel. Para obter aumidade relativa constante de 30% no final da operação, parte do ar úmidoinicial é desviada antes do secador e misturada depois do secador com arseco, em proporção definida. Calcular a porcentagem do ar úmido desviado, noinstante em que foram tomadas as seguintes medidas de umidade (umidaderelativa já convertida em umidade absoluta em kg de água/ kg de ar seco): Umidade inicial .......................................................... 0,0182 Umidade na saída do secador (ar seco) ................... 0,0020 Umidade final (depois da mistura) ............................ 0,0077
  8. 8. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA4 – Processos com reciclagem de materiais. Inúmeros processos industriais não permitem obter 100% de conversãode reagentes em produtos. Muito embora um catalisador seja freqüentementeutilizado para acelerar a reação desejada, ainda assim, a conversão poderá serbaixa por limitações de equilíbrio. Quando este é o caso, os reagentes que nãosão convertidos durante a operação podem ser separados do produto eretornar ao processo. Esta prática é a reciclagem e a corrente que retorna aoprocesso é o reciclo. A reciclagem é utilizada em muitas outras situações com finalidadesdiversas da acima apontada. Nos reatores de conversão de SO2 em SO3, porexemplo, o reciclo é na verdade um diluente dos reagentes que ajuda adissipar a energia liberada durante a reação, evitando assim, um aumentoexagerado da temperatura no reator. Sabe-se que a conversão cai rapidamenteà medida que a temperatura aumenta, mas, por outro lado, a velocidade deconversão é lenta a temperaturas abaixo dos 400ºC, o que impossibilita aalimentação de gases frios ao reator. Outras vezes, como acontece nas operações unitárias de destilação eextração líquido-líquido, emprega-se reciclagem dos produtos com a finalidadede se obter um produto de melhor qualidade. O reciclo neste caso é conhecidocomo refluxo. Em outras ocasiões, reciclam-se fluidos processuais com o intuito derecuperar energia. Isto é o que se faz nas operações de secagem, quando umaparte do ar de saída é reciclada para aumentar o rendimento da operação. Nas operações com reciclagem é costume fazer a distinção entrealimentação nova ao processo e alimentação total ou combinada, que é amistura da alimentação nova com o reciclo. Distingue-se também o produtototal do produto retirado, que é parte do produto total que realmente deixa oprocesso após ter sido feita a retirada do reciclo.Exemplo: Um material sólido que contém 15% de água em peso deverá sersecado até 7% de água. Ar fresco contendo 0,01 kg de água / kg de ar secoserá misturado com ar reciclado (com 0,1kg de água / kg de ar seco) de modoa que o ar que entra no secador encerre no máximo 0,03 kg de água / kg de arseco. Por 100 kg de material sólido úmido alimentado ao secador, calcular: a) a quantidade de ar fresco a ser alimentado ao sistema; b) o reciclo a empregar.
  9. 9. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA5 – Processos químicos com purga. Em muitos processos químicos com reciclagem as matérias primasencerram muitos inertes que algumas vezes não são eliminados com osprodutos. Nestas situações os inertes vão sendo acumulados no sistema,podendo até o seu teor atingir valores prejudiciais ao bom funcionamento doprocesso. Para evitar que os inertes ultrapassem uma quantidade máximapermissível no sistema, costuma-se fazer a purga de uma parte do reciclo.Exemplo: O etileno é hidratado cataliticamente em processo contínuo de modoa fornecer etanol. A reação não se completa numa única passagem pelo reator,motivo pelo qual a maior parte do eyileno é reciclada após condensação doálcool e da água na saída do reator. A alimentação feita contém 1 mol porcento de gases inertes que não podem ser acumulados no sistema e devemser purgados em quantidade tal que seu teor na entrada do reator nãoultrapasse 2,5 mol por cento, calcular a purga a ser realizada no sistema (emkmol por hora) para uma alimentação de 200 kmol / h de etileno e água comum reciclo de 500 kmol / h.
  10. 10. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA BALANÇOS DE ENERGIA A todos os processos industriais estão associadas alteraçõesenergéticas sob as mais variadas formas. Nos processos em que ocorremreações químicas há liberação ou absorção de energia, geralmente na formade calor. Nos processos de combustão a energia interna do combustível éutilizada para a geração de calor, como nos fornos e nas caldeiras, ou para aprodução de trabalho, como nos motores e turbinas. Nas bombas ecompressores fornece-se trabalho para acelerar ou comprimir fluidos e, nostrocadores de calor, transfere-se calor de um fluido quente para outro mais frio.É sempre importante a determinação da energia em suas diversas formas,posta em jogo nesses processos e, em muitos deles, ela é o elementoprimordial da operação ou do projeto de toda a instalação. Inúmeros processos industriais resultam inoperáveis porque a devidaconsideração sobre a energia a fornecer ou retirar não foi levada em conta.Certas reações exotérmicas, por exemplo, poderão ter sua conversãocompletamente bloqueada se os meios necessários para a dissipação do calorde reação não forem bem previstos e estudados. Instalações emfuncionamento podem muitas vezes operar em condições mais econômicasapós um cuidadoso estudo energético da operação. Do ponto de vista energético, os processos são analisados através debalanços de energia, que consistem, fundamentalmente, na aplicação doprimeiro princípio da termodinâmica à operação toda ou a uma parte. Deacordo com esse princípio, ou seja, o da conservação de energia, a energia éindestrutível, e a quantidade total de energia que entra num sistema deve serexatamente igual àquela que sai mais qualquer acúmulo dentro do sistema. No estabelecimento de um balanço energético geral para qualquerprocesso, é conveniente utilizar como base uma unidade de tempo deoperação, por exemplo, uma hora, no caso de uma operação contínua, e umciclo para uma operação descontínua ou intermitente. É necessário distinguirentre um processo contínuo (“flow –process”), no qual continuamente entram esaem do sistema correntes de matéria, e o processo descontínuo (“nonflow-process”), que é do tipo intermitente, e no qual não entram, nem saem dosistema nenhuma corrente contínua de matérias, durante o curso de operação.Um processo contínuo estacionário é também caracterizado por um estadoestacionário de fluxo e por uma constância das temperaturas e dascomposições, em qualquer ponto dado, no processo, ao contrário dascondições variáveis de temperatura e composição no processo descontínuo ouintermitente (“batch process”). Num balanço de energia, as energias entradas são iguais às energiassaídas mais o aumento do inventário de energia dentro do sistema, na unidadedo período de tempo, no processo contínuo, ou num dado ciclo da operação,para um processo descontínuo. Os dados necessários para efetuar balanços de energia são os quepassaremos a considerar. Os balanços materiais deverão, preferivelmente,
  11. 11. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULAestar completos. Não raro, porém, o resultado de um balanço de energia deveser a determinação de um peso ou vazão de reagente ou produto cujadeterminação direta ou por balanços materiais é impossível. Outras vezes sequer calcular uma reciclagem de produtos ou a conversão de reagentes emprodutos e mais uma vez os balanços de energia constituem “ferramenta”adequada para tal fim. Contudo, sempre que isto puder ser realizadodiretamente por balanços materiais, recomenda-se que assim seja feito, pois osdados utilizados nos balanços de energia são geralmente menos precisos queos dados analíticos. Necessita-se, ainda, das propriedades térmicas etermodinâmicas dos participantes do processo: capacidades caloríficas,entalpias de mudanças de estado físico ou alotrópico, poderes caloríficos decombustíveis e entalpias de reação. Finalmente, são necessários dadosreferentes a perdas pelo equipamento. Em muitas situações o objetivo principaldo balanço é determinar estas perdas, porém há casos em que as mesmaspodem ser calculadas ou avaliadas diretamente e, por esse motivo, deverãoser computadas nos balanços. Não faremos qualquer tentativa no sentido defornecer todos os dados acima mencionados. Alguns serão apresentados aseguir, outros aparecerão nos enunciados dos problemas, porém a grandemaioria deverá ser obtida em literatura especializada ( tabelas ). PRIMEIRO PRINCÍPIO DA TERMODINÂMICA Do ponto de vista termodinâmico os sistemas podem ser de dois tipos:sistemas fechados, como um moinho de bolas em operação, cujos invólucros(superfícies de separação com o meio) não são atravessados por matériadurante os processos que neles ocorrem; e sistemas abertos, como umabomba ou um trocador de calor em funcionamento, através de cujos invólucrosentra e sai matéria durante a operação normal. A maior parte dos sistemasconsiderados na engenharia química é deste segundo tipo. O primeiro princípio da termodinâmica relaciona a variação dasquantidades das diversas energias armazenadas num sistema com as energiasem trânsito (que não podem ser armazenadas) através do invólucro do sistemadurante um processo. As duas formas de energia em trânsito são: o calor,representado por Q, e o trabalho, que representaremos por W.1 – Sistemas Fechados. Para um sistema fechado, estabelece o primeiro princípio datermodinâmica que a diferença entre o calor fornecido ao sistema (calorfornecido ao sistema é considerado positivo) e o trabalho realizado pelosistema (trabalho realizado pelo sistema é positivo), é igual à variação daenergia total armazenada no sistema durante o processo considerado: Q - W = E (1) O símbolo representa E representa a diferença entre a energia E2 dosistema no estado final e a energia E1 no estado inicial do processo. Essa
  12. 12. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULAexpressão é válida para qualquer processo, reversível ou não, que tenha lugarno sistema considerado. A única restrição imposta é a de que o sistema sejafechado. Observe-se, também, que não há qualquer restrição sobre o caminhopercorrido pelo processo entre os estados inicial e final: a diferença Q – Windepende do caminho. Um sistema pode armazenar energia sob diversas formas: energiacinética, Ec, quando seu estado de movimento é alterado, havendo aceleraçãoou retardamento de seu movimento; energia potencial, Ep, quando o baricentrodo sistema se eleva ou abaixa relativamente a um nível de referência fixo;energias elétricas, Ee, magnética, Em e de superfície, Es , todas relacionadascom o estado de movimento, com a posição do sistema em campos de força oucom o grau de subdivisão do sistema. Finalmente, a energia ou parte delafornecida ao sistema, poderá ser armazenada sob uma forma que independedo estado de movimento ou de campos de força, mas que se relacionadiretamente com a natureza das substâncias que constituem o sistema. É achamada energia interna, que se representa por U. A variação da energiatotal, E, será a soma das variações destas diversas espécies de energia quepodem ser armazenadas no sistema: E = U + Ec + Ep + Ee + Em + Es Nos processos químicos comumente estudados, as variações de energiaelétrica, magnética e de superfície são pouco importantes (nos fenômenoscoloidais, a energia superficial é de grande importância) e, num grande númerodeles, a única importante é a variação de energia interna. As variações deenergia cinética e potencial podem ser calculadas pelas expressões: Ec = m V² / 2 gc = m (V2² - V1²) / 2 gc e, Ep= m ( g / gc ) X = m ( g / gc ) (X2 – X1) ,onde :V1 = velocidade do sistema no estado inicial ( o ponto sobre a letra é para evitara confusão com volume);V2 = velocidade do sistema no estado final;X1 = altura do sistema no estado inicial, em relação a um plano fixo dereferência;X2 = altura do sistema no estado final, em relação ao mesmo plano fixo dereferência adotado para X1;gc = constante gravitacional.Para os casos mais comuns mencionados acima, a expressão do primeiroprincípio torna-se: Q - W = U+m V² / 2 gc + m ( g / gc ) X (2)
  13. 13. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULAE, quando somente as variações de energia interna são importantes, Q - W = U (3)Muitas vezes o único trabalho realizado pelo sistema é o de expansão e podeser calculado pela integral de PdV, onde P é a pressão exercida pelo sistema eV é o volume do sistema Wexp = ∫V1V2 PdV (4)Se a relação analítica entre P e V for conhecida, como no caso dos gasesnobres, esta integral pode ser obtida diretamente. Em outros casos, conhecem-se valores de P e V durante determinados instantes do processo, o que permiteobter W exp por integração gráfica.2 – Sistemas Abertos. As expressões anteriores não se aplicam a sistemas abertos, maspodem ser estendidas com grande facilidade para servirem também nestescasos. As operações industriais que envolvem reatores contínuos ou oescoamento de fluidos em tubulações ou em trocadores de calor, por exemplo,realizam-se em sistemas abertos. Quando todas as correntes que entram esaem do sistema apresentam vazão, composição, pressão, temperatura eenergia potencial constantes, dizemos que o sistema aberto opera em regimepermanente. É óbvio que, neste caso, a energia total armazenada no sistemanão varia com o tempo, assim, como a pressão, a temperatura e a composiçãoem todos os seus pontos. A expressão do primeiro princípio resulta, para estecaso: Q - Wu = H + (w V²) / 2 gc + ( g / gc ) (w X) (5)onde:Wu = trabalho útil realizado pelo sistema (equivalente ao levantamento de um peso efetuado pelo sistema), já descontados os trabalhos de introdução e retirada de materiais do sistema, isto é, os chamados trabalhos de escoamento. H = Variação de entalpia durante o processo = soma das entalpias dos materiais que deixam o sistema, menos a soma das entalpias dos materiais alimentados ao sistema.( g / gc ) (w X) = soma das energias potenciais dos materiais que saem do sistema, menos a soma das energias potenciais dos materiais que chegam ao sistema. (w V²) / 2 gc = variação total de energia cinética dos materiais que entram e saem do sistema durante o processo.w = vazão de cada material que entra ou sai do sistema.
  14. 14. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA Na expressão acima, H é a soma da energia interna U com o produto PV( P=pressão; V=volume total), H = U + PV. Chama-se entalpia. H é, pois, avariação de U + PV, isto é ( U + PV). A entalpia específica, por unidade depeso do material, representa-se por h e é a soma da energia interna específica,u, com o produto da pressão P pelo volume específico v. Para melhor esclarecer o significado da expressão acima, consideremoso sistema da figura abaixo, ao qual são alimentados com vazões constantesw1, w2, w3 os materiais M1, M2, M3, todos de composição constante e emalturas fixas X1, X2, X3; os materiais M4 e M5 saem do sistema com vazões w4,w5, em alturas X4, X5. Sejam H1, H2, H3, H4 e H5 as entalpias correspondentes.Os materiais alimentados seriam, por exemplo, o óleo, o ar e a água(alimentados a uma caldeira) e os materiais que deixam o sistema poderiamser o vapor e os fumos. Os termos da expressão serão calculados como segue: H = ( H4 + H5 ) - (H1 + H2 + H3)Ou, em função das entalpias específicas (por unidade de peso dos materiais): H = ( w4h4 + w5h5 ) - (w1h1 + w2h2 + w3h3) (wV²) / 2 gc = 1 / 2gc (w4V²4 + w5V²5 ) - 1 / 2gc (w1V²1 + w2V²2 + w3V²3) ( g / gc ) (wX) = g / gc ( w4X4 + w5X5 ) - g / gc (w1X1 + w2X2 + w3X3) ENERGIA INTERNA E ENTALPIA As equações do primeiro princípio da termodinâmica, anteriormenteapresentadas, caracterizam-se por incluírem, no primeiro membro, as duasenergias em trânsito através do invólucro do sistema durante um dadoprocesso. Considerações bastante simples permitiriam verificar que asquantidades destas duas formas de energia postas em jogo durante umprocesso realizado entre um estado inicial e um estado final bem definidosdependem do caminho do processo e não apenas dos estados inicial e finaldo sistema. Será suficiente observarmos, por exemplo, que o trabalho deexpansão ∫V1V2 PdV é dado pela área sob a curva P vs V entre as ordenadaslevantadas por V1 e V2, cujo valor depende do caminho (figura abaixo). Pelocontrário, as energias armazenadas no sistema e que aparecem no segundomembro das equações são propriedades do sistema. Isto significa que sua
  15. 15. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULAvariação durante a passagem do sistema de um estado inicial para um estadofinal pode ser calculada pela diferença entre o valor desta energia no estadofinal e o valor correspondente no estado inicial. Assim, por exemplo, a variaçãode energia potencial do sistema de massa m, ao passar da altura X1 para aaltura X2, será Ep= m ( g / gc ) (X2 – X1), seja qual for o caminho do processo.Da mesma forma, a variação de entalpia H = ( H2 – H1 ) . Propriedades dosistema, como T, P, V, Ep, Ec, U e H, comportam-se todas desta forma.Matematicamente, estas funções são chamadas funções de ponto. É óbvioque a variação de qualquer propriedade num sistema cíclico é nula.
  16. 16. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULAGases Perfeitos – Tanto a energia interna como a entalpia são definidas, paracada sistema, em função das variáveis de estado (T, P, V, composição, etc.).No caso de sistemas homogêneos de um único componente, a energia internae a entalpia são funções de duas variáveis apenas, como P e T, ou V e T, porexemplo. Além disso, a expansão de Joule e Thomson, revela-nos que se aúnica substância que constitui o sistema for um gás perfeito, tento U como Hsão funções da temperatura apenas (e da massa do sistema, obviamente).Assim sendo, quando um gás perfeito é submetido a um processo emdecorrência do qual a temperatura passa do valor inicial T1, para o valor finalT2, as variações de energia interna e de entalpia serão calculadas pelasexpressões U = U ( T2) – U ( T1) e H = H ( T2) – H ( T1), onde U ( T ) e H ( T) representam as funções que ligam as propriedades U e H à temperatura.Qualquer processo partindo da temperatura T1 e chegando à temperatura T2 ,dará as mesmas variações de energia interna e de entalpia. Este fato seráaproveitado logo a seguir, quando escolhermos os processos que mais nosconvenham para obter os valores de U e H para gases perfeitos. Assim, para cálculo de U entre T1 e T2 vamos escolher um processoisocórico realizado na ausência de efeitos cinéticos e gravitacionais no qual oúnico trabalho efetuado seja do tipo ∫PdV.De Q - ∫V1V2 PdV = U, resulta: Q= UMas, para este processo particular, Q = mcv ( T2 – T 1 ) = mcv T, onde m é amassa do sistema em kg e cv é o calor específico médio a volume constante,em kcal / kg ° Portanto, para este processo, C. U = mcv T (6)e, como U é função de ponto, o valor U assim calculado vale também paraqualquer outro processo realizado entre T1 e T2 (isobárico ou adiabático, porexemplo), ainda que haja trabalho realizado ou quando ocorram variações deenergia potencial, cinética, etc. Da mesma forma, num processo realizado à pressão constante, e comas mesmas restrições do parágrafo anterior, a expressão do primeiro princípiofornece: Q – ∫V1V2 PdV = U ( P = cte)Isto é, Q – P ( V2 – V1 ) = U Q= U+P V= ( U + PV ) = HO calor posto em jogo durante este processo é dado por Q = mcp T e,portanto, para este processo e para qualquer outro realizado com o mesmosistema entre as mesmas temperaturas T1 e T2, será; H = mcp T (7)
  17. 17. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA( cp = calor específico médio do gás, à pressão constante, entre astemperaturas T1 e T2). Se as capacidades caloríficas médias Mcp e Mcp forem utilizadas, asexpressões anteriores escrever-se-ão: U = n Mcv T (8) H = n Mcp T (9)onde T = ( T2 – T1 ) e n é o número de mol do gás que constitui o sistema. As capacidades caloríficas molares variam com a temperatura, de modoque as expressões anteriores, em função de Mcp e Mcp , são como segue: U =∫T1T2 n Mcv T (10) H = ∫T1T2 n Mcp T (11)Há expressões que permitem calcular Mcp de gases em função datemperatura. Para cálculos técnicos adota-se um polinômio do tipo Mcp= a + bT+ CT², onde T é a temperatura em Kelvin e a , b, c são constantes empíricas. Valores médios para capacidades caloríficas molares podem serutilizadas para um determinado intervalo de temperatura. À medida queaumenta a pressão, o comportamento dos gases afasta-se do ideal, e, tantosua entalpia e energia interna como as capacidades caloríficas molares,começam a variar com P, além da temperatura. A baixas pressões, no entanto,variam apenas com a temperatura. Valores médios das capacidades caloríficasmolares a pressão constante são mostrados na tabela abaixo, para intervalosde temperatura que vão de 18ºC até 3000ºC. A utilização desses dadospermite o emprego direto da equação (9) para o cálculo de H.Exemplo 1- Calcular a variação de entalpia de 260 g de acetileno entre 18ºC e800ºC para um processo realizado à pressão atmosférica.Exemplo 2- Calcular a capacidade calorífica molar média do acetileno, àpressão constante, entre 500ºC e 800ºC.
  18. 18. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULAMistura de Gases Perfeitos – as equações anteriores valem também paramisturas de gases perfeitos quando n é substituído por ∑n, número total de molda mistura, e Mcp e Mcp são as capacidades caloríficas molares da mistura: Mcv = ∑xi Mcvi Mcp = ∑xi Mcpixi = fração molar de cada gás na mistura .Mcvi , Mcpi = capacidades caloríficas molares dos diversos constituintes damistura.Exemplo - Calcular a capacidade calorífica molar média do ar, à pressãoconstante, entre 18ºC e 200ºC. Sua composição volumétrica aproximada é: O2= 21%, N2 = 79%.Estados de Referência – valores numéricos absolutos das diferentes energiasarmazenadas num sistema não podem ser obtidos. Assim, a energia potencialde um corpo sólido a uma dada altitude só pode ser calculada em relação a umnível de referência arbitrário, que será, por exemplo, o nível médio do mar. Aenergia potencial no nível de referência é arbitrariamente feita igual a zero. Aenergia potencial na altura X1 será, com o referencial escolhido, Ep1 = ( g / gc ) mX1Na altura X2, será: Ep2 = ( g / gc ) mX2Observa-se, no entanto, que a variação de energia potencial entre os níveis X1e X2 terá sempre o mesmo valor Ep= ( g / gc ) m (X2 – X1) , qualquer que sejao nível de referência escolhido. Da mesma forma, valores absolutos de U e H não são conhecidos, masapenas os valores relativos a um estado de referência ou estado-padrão, noqual se admite arbitrariamente igual a zero o valor destas propriedades. Para aágua, por exemplo, Keenan e Keyes atribuem entalpia nula à água líquida a0° sendo este valor utilizado como estado-padrão e designado por H0. C, Os estados de referência escolhidos atendem às conveniências do casoconsiderado.Gases a Pressões Elevadas – as figuras que seguem permitem calcular comsuficiente precisão uma correção ( H* - H )T em função da pressão reduzida eda temperatura reduzida do gás. O valor que se obtém em função de PR e TR é[( H* - H ) / TC]T , onde :
  19. 19. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULAH* = entalpia do gás à temperatura T e pressão suficientemente baixa para serconsiderado gás perfeito.H = entalpia do gás à temperatura T e pressão P. O índice T nas expressões anteriores serve para indicar que as figurassó poderão ser usadas ao longo de caminhos isotérmicos. York e Weberpropõem um fator de correção para ser usado com as figuras quando TR > 1: Φ = ( TC / 470 )n O valor de n a utilizar deve ser obtido em função da temperaturareduzida: TR 1,0 1,05 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 n 0,37 0,28 0,25 0,20 0,18 0,16 0,15 0,14
  20. 20. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULAExemplo : Calcular a entalpia de 1 mol de CO2 a 100ºC e pressão de 100atmosferas. Dados tc = 31,1ºC e Pc = 73 atm. TROCADORES DE CALOR Os casos mais simples de balanços de energia são os exemplificadospelas importantes operações de transferência de calor em recuperadores, emtrocadores de calor ou mesmo por contato direto entre dois fluidos. Constituemexemplos os aquecedores, resfriadores, condensadores, fervedores eevaporadores industriais. Em todos eles, um fluido (o fluido quente) aqueceoutro (o fluido frio) durante sua passagem pelo aparelho. Supondo o aparelhoisolado e desprezando os efeitos cinéticos e gravitacionais como geralmenteacontece nesses casos, para o sistema I constituído pelo comportamento ondecircula o fluido frio, escreve-se Q = H = ( H2 – H1 ), isto é, o calor recebidopelo fluido frio é igual à variação de entalpia desse fluido. Se, por outro lado, osistema for o compartimento por onde circula o fluido quente (sistema II), entãoQ’ = H’ = ( H’2 – H’1 ), neste caso, sendo H’2 < H’1, será Q’ < 0, isto é, o calorfornecido pelo fluido quente é igual à variação de entalpia deste fluido. Oaparelho sendo isolado, será Q = – Q ‘ e resulta H = – H’. Considerandoagora como sistema o aparelho todo, a equação se reduz a H = 0, isto é ∑H2– ∑H1 = 0 ou ( H2+ H’2 ) – (H1 + H’1 ) = 0. Observe-se que esta expressão éequivalente à obtida quando se igualou Q a – Q ‘. O funcionamento de trocadores de calor adiabáticos operando emregime permanente envolve a troca de calor entre o fluido quente e o fluido frio,conforme foi dito. Em cada ponto de trocador (figura B) o calor fornecido pelofluido quente, que está à temperatura T, é igual ao calor recebido pelo fluidofrio à temperatura t. A força propulsora do processo de transferência é adiferença de temperatura T – t, de modo que a temperatura do fluido quentedeve ser sempre um infinitésimo, pelo menos, maior do que a temperatura dofluido frio na secção considerada do aparelho. As temperaturas T e t sãodeterminadas pelas temperaturas iniciais dos fluidos e pelas respectivascapacidades caloríficas. A razão de transferência em cada ponto do trocador édeterminada força propulsora T – t, juntamente com outros fatores construtivose de operação do equipamento. Fixadas as temperaturas iniciais dos fluidos, astemperaturas em cada ponto serão determinadas pelo calor ganho ou perdidopelos dois fluidos até aquele ponto. É evidente que, havendo suficiente área detroca de calor, o fluido de menor capacidade calorífica total atingirá atemperatura do fluido de maior capacidade calorífica na saída ou na entrada dotrocador, pois a transferência de uma dada quantidade de calor causará maiorvariação de temperatura no fluido de menor capacidade calorífica do que nooutro. Quando as capacidades caloríficas puderem ser obtidas em função datemperatura, um processo analítico pode ser conveniente para a solução deproblemas que envolvam a operação de trocadores de calor. Contudo, mesmonesses casos mais simples, o emprego de métodos gráficos é bastante
  21. 21. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULAdesejável, pois esses métodos ressaltam certos pontos não revelados pelaálgebra. Nos casos mais complexos, envolvendo mudanças de estado físico,reações químicas ou grandes variações das capacidades caloríficas, autilização de métodos gráficos é quase imperiosa. Três tipos de operação envolvendo trocadores de calor podem serempregados: corrente-paralela, quando dois fluidos são alimentados pelomesmo lado do equipamento e escoam paralelamente pelo seu interior;contracorrente, quando cada fluido é alimentado por uma extremidade dotrocador, e em correntes cruzadas. O segundo método de operação é maiscomumente empregado porque a força propulsora é maior, em média, do queaquela que se obtém com outros métodos de operação, além de que atransferência de calor em corrente-paralela tende a ser bloqueada à medidaque as temperaturas dos dois fluidos se aproximam uma da outra. Nãoobstante, a força propulsora inicial é maior na operação em corrente-paralela,de modo que a razão inicial de troca de calor é maior neste caso. É por issoque se opera em corrente-paralela quando se deseja um resfriamentorápido do fluido quente, como em certas operações onde os produtos de umareação devem atravessar rapidamente um intervalo de temperaturas no qualteriam curso reações indesejáveis.Exemplo 1 – Uma fábrica propõe-se a utilizar um gás residual, atualmenteeliminado a 400ºC, para a produção de vapor numa caldeira de recuperação. Ovapor a ser obtido deverá ser saturado a 200ºC, utilizando-se água alimentadaa 20ºC. Para um estudo preliminar adotar-se-á para a capacidade caloríficamolar média do gás residual o valor de 8,2 kcal / kmol ° para a capacidade C,calorífica média da água de alimentação, o valor 1,0 kcal / kg ° e, para a Centalpia de vaporização da água a 200ºC, fornecendo vapor saturado a essatemperatura, o valor de 463,5 kcla / kg. Em condições ideais, isto é, semperdas de calor para o meio e com superfícies de troca de calorsuficientemente grandes, qual a produção máxima de vapor que se podeconseguir, em quilos por quilomol de gás residual?Exemplo 2 – Os gases provenientes da queima de um óleo combustível numacaldeira industrial apresentam a seguinte composição volumétrica: CO2 12,2%,O2 4,1%, CO 2,2%, N2 78,0%, H2O 3,5%. Sua temperatura na entrada dachaminé é de 300ºC. Deseja-se pré-aquecer o ar de combustão, queatualmente é alimentado à temperatura ambiente (20ºC), utilizando para issoum trocador de calor destinado a resfriar os gases até a temperatura de 80ºC.Calcular a temperatura a que se poderá pré-aquecer o ar, sabendo que todonitrogênio dos gases é proveniente do ar alimentado. São dados: composiçãovolumétrica do ar, 79% de N2 e 21% de O2. Capacidades caloríficas molaresmédias dos gases entre 20ºC e as temperaturas mencionadas acima (300ºC e80ºC) podem ser obtidas de tabelas (como a do texto anterior) sem erroapreciável:
  22. 22. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA Admitir constante e igual a 7,0 kcal / kmol° a capacidade calorífica do Car nos intervalos de temperatura considerados. Estabelecer claramente todasas hipóteses formuladas para a resolução do problema.1 – Trocadores de Calor em Correntes-paralelas Conforme discutido anteriormente, os trocadores de calor podem seroperados com escoamento paralelo dos fluidos pelo aparelho, emcontracorrente ou em correntes cruzadas. Ilustrações dos dois primeiros tiposde operação serão feitas a seguir. A operação com correntes cruzadas nãoserá discutida, pois exigiria conhecimentos de transmissão de calor. Teremos a oportunidade de verificar, nos exemplos apresentados, que aoperação em contracorrente é normalmente mais vantajosa, porém há casosespeciais em que o escoamento paralelo é preferido, como na situaçãoexemplificada a seguir.Exemplo – Os gases produzidos a 1000ºC no queimador de enxofre de umafábrica de celulose sulfito devem ser resfriados rapidamente a fim de evitaroxidação apreciável doSO2 a SO3, o CO2 CO O2 N2 H2O que viriaprejudicar a 20ºC a operação dosdigestores. Ao 80ºC 9,2 7,0 7,1 7,0 8,0 mesmo tempoem que se 20ºC a resfriam osgases, pensa- 300ºC 10,1 7,1 7,3 7,1 8,2 se recuperarsua energia para efetuar opré-aquecimento do ar que vai ser alimentado ao queimador, utilizando paraisso um trocador de calor operando em correntes -paralelas. A composição dogás que sai do queimador é a seguinte: SO2 =17,0%, SO3 = 0,72%, O2 = 2,6%,N2 = 77,7%, H2O = 1,98%. O ar, com 0,02 mol de água por mol de ar seco a18ºC, será alimentado ao queimador à razão controlada de 0,98 kmol de arseco por kmol de gás de saída do queimador. Para fins de estudoseconômicos, deseja-se conhecer a resposta às seguintes perguntas: a) Se fosse possível, por algum meio, resfriar os gases até 18ºC, recuperando toda sua energia de aquecimento (sensível), quanto calor, em kcal por 100 kmol de gases seria obtido? b) Se, por outro lado, fosse possível aquecer o ar até 1000ºC, quanto calor seria transferido dos gases para o ar, expresso na mesma unidade e na mesma base?
  23. 23. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA2 – Trocadores de Calor em Contracorrente Muito embora o escoamento paralelo dos fluidos seja desejável emcertas situações como a discutida anteriormente, seu emprego apresenta duasdesvantagens sérias:1ª) apenas uma porcentagem relativamente pequena da energia do fluidoquente pode ser recuperada antes de ser bloqueada a transferência de calorem virtude das limitações impostas pelo equilíbrio térmico;2ª) a força propulsora média para transferência (salto térmico) é menor do queno escoamento em contracorrente. Por esses motivos, sempre que possível,utiliza-se na prática a operação com escoamento dos fluidos em contracorrenteatravés do equipamento (como nos exemplos já resolvidos) PROCESSOS COM REAÇÕES QUÍMICASEntalpia e Energia Interna de uma Reação Química A variação de entalpia durante uma reação química é chamada entalpiade reação. Quando os reagentes são alimentados a 18ºC e 1 atm e osprodutos são finalmente levados a 18ºC e 1 atm, o valor que se obtém é aentalpia-padrão de reação, que se representa por H18. Por exemplo, para areação: A + B → C + Da entalpia-padrão de reação é : H18 = ( Hc18+ HD18) – (HA18 + HB18) , ouseja, H18 = ∑HP18 – ∑HR18 ,onde : ∑HP18 é a soma das entalpias dos produtos a 18ºC relativas aoselementos que constituem os produtos, todos em seus estados de referência; ∑HR18 é a soma das entalpias dos reagentes a 18ºC relativas aosmesmos estados de referência. A entalpia sendo função de ponto, ter-se-á sempre o mesmo valor para H18, qualquer que seja o mecanismo da reação que parte de A e B e chega aC e D. Pelo mesmo motivo, a entalpia-padrão da reação inversa será – H18. Quando numa reação a entalpia dos produtos é maior do que a entalpiados reagentes, será necessário fornecer energia ao sistema em reação paraque os produtos sejam finalmente levados à mesma temperatura em que seencontravam os reagentes. Pelo contrário, quando os produtos têm menorentalpia que os reagentes, tem-se que retirar energia do sistema para que atemperatura final dos produtos coincida com a inicial dos reagentes. Reações
  24. 24. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULAdo primeiro tipo, que em processo “isotérmico” recebem energia do meio, sãoendotérmicas e suas entalpias-padrão de reação, H18 ,são positivas. As dosegundo tipo são exotérmicas e H18 < 0. Observe-se que, embora importante, a restrição feita quanto à igualdadedas temperaturas dos produtos e reagentes não implica na constância datemperatura durante todo o processo que se realiza. É necessário, tãosomente, que as temperaturas sejam iguais no início e no fim da reação. Istoporque, tanto H como U são funções de ponto. Suas variações independem docaminho seguido pelo processo. Se uma reação ocorrer em sistema fechado, na ausência de efeitoscinéticos, gravitacionais e outros, não realizando qualquer trabalho externoalém do de expansão do sistema, o primeiro princípio da termodinâmica nospermite escrever: Q – ∫V1V2 PdV = USe, além disso, a pressão for constante, resultará: Q = He o calor posto em jogo será igual à variação de entalpia durante a reação.À mesma conclusão chegaríamos se considerássemos a reação ocorrendo emsistema aberto, sem realizar trabalho útil e na ausência de efeitos adicionais.Conclui-se que reações exotérmicas ( H < 0 ) libertam calor em processo“isotérmico” e reações endotérmicas ( H > 0 ) absorvem calor em processo“isotérmico” realizado nas condições descritas. De modo inteiramente análogo poder-se-ia definir U18, energia internapadrão de reação, e as mesmas considerações até agora feitas sobre H18seriam igualmente aplicáveis. Se a reação ocorresse em sistema fechado, naausência de qualquer efeito adicional e sem realizar qualquer trabalho externo,o primeiro princípio levaria a Q = U, mostrando que a variação de energiainterna é igual ao calor posto em jogo durante a reação. Valores de H encontram-se na literatura para reações químicasocorrendo à temperatura ambiente (18 – 25ºC) e pressão atmosférica normal.É o que anteriormente chamamos entalpia padrão de reação, comdenominações especiais de acordo com o tipo de processo a que estáassociada. Definem-se assim, entalpias ou calores de formação, decombustão, de hidrogenação, de hidratação, de dissolução, diluição, mistura,neutralização, ionização e ainda outros cujo estudo poderá ser feito emqualquer texto de Termodinâmica ou de Físico-Química. Apenas o calor deformação será discutido brevemente neste ponto, a título de revisão eilustração.Entalpia padrão de formação é a variação de entalpia associada com oprocesso de formação de um mol da substância considerada, à temperaturapadrão de 18ºC e 1 atm, partindo de seus elementos no estado padrão e
  25. 25. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULAinicialmente à temperatura padrão e 1 atm. Assim, para o carbonato de cálcio,cuja equação de síntese direta é Ca(s) + C (s) + 3/2 O2 (g) → CaCO3(s) , aentalpia de formação é H18 = -288,45 kcal / mol , entendendo-se que estecalor é liberado durante a produção de 1 mol CaCO3(s) sólido a 18ºC e 1 atm,partindo de 40 gramas de cálcio sólido, 12 gramas de carbono grafítico e 48 gde oxigênio gasoso, todos a 1 atm e 18ºC. Deve-se indicar claramente avariedade alotrópica dos elementos participantes da reação propriamente ditos,mas ainda os calores de mudanças de estado físico e alotrópico dassubstâncias envolvidas na reação. Os calores de formação dos elementos noestado padrão a 1 atm e à temperatura padrão, consideram-se iguais a zero. Observe-se que, para a reação acima escrita, H18 = H CaCO3 – ∑HR ,onde H CaCO3 indica a entalpia do carbonato de cálcio e ∑HR é a soma dasentalpias dos reagentes. No caso particular que estamos considerando, ouseja, de entalpia de formação de uma substância, ∑HR = 0 e , portanto, H18 =H CaCO3 . Isto significa que o valor indicado, -288,45, pode ser consideradocomo entalpia do CaCO3 a 18ºC em relação ao estado padrão a 18ºC e 1 atm.Exemplo – Calcular a entalpia padrão da reação 2 FeS2(s) + 11 / 2 O2(g) →Fe2O3(s) + 4 SO2, sendo dadas as entalpias padrão de formação doscomponentes que participam da reação, respectivamente iguais a – 35500, –198500 e – 70930 cal / mol.Entalpias de Reação com Reagentes e Produtos em TemperaturasDiferentes de 18ºC Neste caso o H associado com a reação não é mais a entalpia padrãode reação. Continua sendo válida, contudo, a definição H = ∑HP – ∑HR comas entalpias dos diversos participantes da reação calculadas em relação aosestados de referência (elementos no estado padrão a 18ºC e 1 atm) e átemperatura de 18ºC. O exemplo a seguir esclarecerá este ponto.Exemplo – Calcular a entalpia de reação do exemplo anterior, considerandoagora os reagentes alimentados a 30ºC e os produtos formados a 100ºC. Sãodadas as capacidades caloríficas do Fe2O3, igual 0,23, e do FeS2, o,136 cal / g° ou seja, 36,8 e 16,3 cal / mol° respectivamente. C, CReações Incompletas. Reações Sucessivas e Laterais. Reagentes emExcesso. Quando num dado processo, as reações que ocorrem não secomplementam integralmente ou quando um ou mais reagentes se apresentamem excesso relativamente aos demais, deve-se levar em conta este fato aocalcular a variação de entalpia durante a reação. Nestes casos, somente os
  26. 26. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULAnúmeros de mol que de fato reagiram devem ser considerados para efeito decálculo do calor produzido ou consumido durante a reação. Por outro lado,devem ser levados em conta os excessos de reagentes ao se calcular asentalpias iniciais e finais. Da mesma forma, os reagentes que não setransformam em produtos não poderão ser ignorados ao se calcular a entalpiados produtos. Se ocorrerem reações sucessivas ou laterais entre reagentes, todas asalterações térmicas decorrentes dessas reações deverão ser consideradas nocálculo. Recomenda-se adotar sempre uma base de cálculo para a resoluçãode problemas mais complexos deste tipo, uma vez que sua solução exige arealização de balanços materiais no sistema.Exemplo – Calcular a entalpia padrão de reação relativa à redução do óxidoférrico, Fe2O3, com o dobro do coque necessário para realizar a operaçãoconforme adiante descrita, sabendo que a redução do ferro alimentado à formametálica se complementa com 80% e que os únicos out5ros produtos quedeixam o processo são FeO e CO. determinou-se que 10% do ferro alimentadopermanecem como Fe2O3 e que os restantes 10% formam FeO. São dadas asentalpias padrões de formação dos compostos participantes do processo e ado coque, todas em kcal / mol: HFe2O3 = - 198, 5 ; HFeO = - 64, 3 ; HCO= - 26,62 ; HC(coque) = +2,6Balanços de Energia em Processos Industriais com Reações Químicas Nas reações químicas realizadas em escala industrial há geralmentereagentes em excesso, as reações não se complementam integralmente e,além disso, ocorrem reações laterais. Há, muitas vezes, substâncias inertesinicialmente presentes no sistema, sendo outras alimentadas com osreagentes. Alguns reagentes são alimentados a uma temperatura, outros emtemperaturas diferentes e também os produtos são normalmente obtidos emtemperaturas que diferem das anteriores. A situação complica-se ainda maisquando o processo se realiza a pressões relativamente altas, como é comumna indústria petroquímica. Para resolver problemas deste tipo é necessário adotar uma base decálculo e efetuar os balanços materiais correspondentes, para finalmenteproceder ao balanço de energia de modo formal. A variação de entalpia de um processo realizado em sistema aberto (emescoamento) em condições de regime permanente (ou em sistema fechado apressão constante) pode ser obtida pela expressão: H = ∑H’P – ∑HR∑HR = soma das entalpias de todas as substâncias alimentadas ao sistema emreação, referidas à própria forma de combinação em que foram alimentadas e àtemperatura de 18ºC, isto é, a soma das entalpias de aquecimento entre 18ºC
  27. 27. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULAe a temperatura de cada reagente e mais, se for o caso, as entalpias demudança de estado.∑H’P = soma das entalpias de todas as substâncias que saem do sistema emreação (consideradas nas respectivas temperaturas), sendo a temperatura dereferência 18ºC e o estado padrão adotado, a forma de combinação dassubstâncias alimentadas (em seu estado padrão a 18ºC).Em outros termos, o estado de combinação em que as substâncias sãoalimentadas ao sistema, em seu estado padrão a 18ºC, é tomado agora comoestado de referência. É óbvio que, sendo HP a entalpia de um produto qualquerobtido no processo, referida ao estado padrão a 18ºC, a entalpia H’P dessemesmo produto, referida ao estado de combinação em que seus elementosforam alimentados ao processo, estará relacionada com HP através da reaçãoque permite passar de um estado de combinação a outro. No caso mais geralos produtos se formam a partir dos reagentes em decorrência de váriasreações, cada uma das quais tem sua entalpia padrão H18, concluindo-sefinalmente que a relação inicial poderá ser escrita sob a forma: H = ∑HP + ∑ H18 – ∑HRA demonstração matemática desta expressão poderia ser feita para o casogeral. Contudo, para fins didáticos é suficiente considerar um sistema em queos reagentes gasosos AB, CD e EF fornecem produtos gasosos AC, BD, AE eBF através de duas reações que ocorrem na proporção estequiométricaindicada pelas equações: AB + CD → AC + BD (1) AB + EF → AE + BF (2)As entalpias HAC , HBD , HAE e HBF são as entalpias de formação dosrespectivos compostos a partir dos elementos A, B, C, D, E, F no estadopadrão a 18ºC. Os H’ (H’AC , H’BD , H’AE e H’BF) são as entalpias dos mesmoscompostos relativas aos reagentes AB, CD, EF a 18ºC. Para as reações (1) e (2) as entalpias padrões de reação H1 e H2podem ser escritas: H1 = ( HAC18+ HBD18) – (HAB18 + HCD18) H2 = ( HAE18+ HBF18) – (HAB18 + HEF18)Supondo que todos os produtos sejam obtidos à temperatura TP e que osreagentes sejam alimentados à temperatura TR. Se os participantes foremgases perfeitos, então: HAB TR = HAB18+ CAB ( TR – 18 )
  28. 28. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA HCD TR = HCD18+ CCD ( TR – 18 ) HEF TR = HEF18+ CEF ( TR – 18 )Nestas expressões, os diferentes C representam as capacidades caloríficasmolares médias dos diversos gases entre 18ºC e TR. Somando, resulta: ∑HRTR = ( HAB18 + HCD18 + HEF18) + (CAB + CCD + CEF) ( TR – 18 )Calcula-se da mesma forma a entalpia dos produtos:∑HPTP = ( HAC18 + HBD18 + HAE18 + HBF18) + (CAC + CBD + CAE + CBF) ( TP – 18 )Vem finalmente: H = ∑HPTP – ∑HRTR = [ (CAC + CBD + CAE + CBF) ( TP – 18 )] + [(HAC18 + HBD18) – (HAB18 + HCD18) + (HAE18 + HBF18) – (HAB18 + HEF18)] – [(CAB + CCD + CEF) ( TR – 18 )] ,isto é, H = ∑HP + ∑ H18 – ∑HR . Em casos mais complexos do que oanteriormente considerado, as reações não ocorrem em proporçõesestequiométricas, há reagentes em excesso e verifica-se complementaçãoparcial durante o processo. A técnica de cálculo, no entanto, é a mesma.Exemplo 1 – A um processo industrial contínuo alimenta-se o reagente A àtemperatura tA, juntamente com o reagente B à temperatura tB, para formar oproduto AB á temperatura t, segundo a reação: A + B → ABA entalpia padrão desta reação é H1 . Durante o processo,concomitantemente com a reação principal mencionada, ocorre a reaçãolateral: A + 2B → AB2cuja entalpia de reação padrão é H2. Sabe-seque 70% do reagente A setransforma no produto principal AB, o restante formando o produto lateral AB2.O reagente B é alimentado em quantidade suficiente para reagir com todo omaterial A durante o processo. Calcular o calor posto em jogo na formação deum mol do produto principal AB. Efeitos cinéticos, gravitacionais, elétricos,magnéticos e de superfície poderão ser ignorados e não há realização detrabalho durante o processo. Os diversos participantes são gases ideais.
  29. 29. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULAExemplo 2 – Um forno queima monóxido de carbono a 200ºC e pressãoatmosférica com ar seco a 500ºC, alimentado com 90% em excessorelativamente ao teórico. Os produtos da combustão saem do forno a 1000ºC.Calcular o calor libertado na câmara de combustão por kmol de CO, admitindocombustão completa do combustível. Entalpia da reação: H = - 67,41kcal/mol.Demonstre, em tabela, o balanço energético.
  30. 30. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA INTRODUÇÃO A OPERAÇÕES UNITÁRIAS Os processos químicos podem ser constituídos por uma seqüência deetapas muito diferentes, que têm princípios fundamentais independentes dasubstância que está sendo operada e de outras características do sistema. Noprojeto de um processo, cada etapa a ser usada pode ser investigadaindividualmente. Algumas etapas são reações químicas, enquanto outras sãomodificações físicas. A versatilidade do responsável pelo processo deve-se aotreinamento em decompor praticamente um processo complicado em etapasfísicas individuais, denominadas operações unitárias, e em reações químicas.O conceito de operações unitárias está baseado na filosofia de que umaseqüência amplamente variável de etapas pode ser reduzida a operaçõessimples, ou a reações, que são idênticas, independentemente do material queestá sendo processado. Este princípio foi apresentado por A. D. Little, em 1915:“ Qualquer processo químico, qualquer que seja a sua escala, pode serdecomposto numa série coordenada do que se podem denominar “açõesunitárias”, como moagem, mistura, aquecimento, ustulação, absorção,condensação, lixiviação, precipitação, cristalização, filtração, dissolução,eletrólise, etc. O número destas operações unitárias básicas não é muitogrande e relativamente poucas delas estão presentes num processoparticular qualquer. A complexidade dos processos de engenhariaquímica provém da diversidade de condições, como a temperatura, apressão, etc., sob as quais as ações unitárias devem ser realizadas nosdiversos processos, e das limitações dos materiais de construção e doprojeto dos equipamentos, impostas pelo caráter físico e químico dassubstâncias reagentes.” A lista original das operações unitárias, mencionadas acima, contémuma dúzia de ações, nem todas das quais consideradas operações unitárias.Desde aquela época foram acrescentadas outras a uma taxa anual modesta,que aumentou nos anos mais recentes. Há muito tempo são reconhecidoscomo operações unitárias o transporte de fluidos, a transferência de calor, adestilação, a umidificação, a absorção de gases, a sedimentação, aclassificação, a agitação e a centrifugação. Nos anos mais recentes, com oaumento da compreensão das novas técnicas – e a adaptação de técnicasantigas, mas raramente usadas – aumentou continuamente o número deseparações, de operações de processamento ou de etapas na manufatura quepodem ser usadas sem alteração significativa em processos que cobrem ampladiversidade.
  31. 31. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULAIntegração das Operações Unitárias Os estudos iniciais das operações unitárias como etapas independentesconstituíram parte importante dos fundamentos sobre os quais se desenvolveuo crescimento fenomenal da indústria química. A apresentação tradicional das operações unitárias tem sido na forma deum pacote, reunindo-se num mesmo conjunto a informação teórica e asinformações práticas pertinentes a cada operação.Análise das Operações Unitárias As operações unitárias podem ser analisadas e agrupadas mediante aadoção de qualquer entre três métodos. Por meio de um modelo físico simplesque reproduz a ação da operação; ou pela consideração do equipamentousado na operação, ou, ainda, por investigação mediante uma expressãomatemática inicial que descreve a ação e é verificada contra os dadosexperimentais do processo. Faremos as análises de muitas dessas operações de maneira didática,tentando levar ao estudante uma compreensão do que acontece num processoindustrial. Os cálculos necessários para o dimensionamento dos equipamentosque realizam as operações que serão descritas devem ser objeto de estudodos profissionais de engenharia química, que aliados aos engenheirosmecânicos conseguem otimizar os equipamentos de processos. A partir de agora estudaremos algumas operações unitárias presentesem vários processos industriais. Esse capítulo só deverá ser encerrado nadisciplina Introdução a Processos Industriais 2, no próximo semestre. OPERAÇÕES UNITÁRIAS1 – Moagem – Redução de Tamanho de Sólidos Na indústria química, a redução de tamanho é realizada com o objetivode aumentar a superfície de contato, pois, na maior parte das reações queenvolvem partículas sólidas, a velocidade é diretamente proporcional à área decontato com uma segunda fase. Assim, a velocidade de combustão departículas sólidas é proporcional à área apresentada ao gás, embora existamoutros fatores que também afetam a reação. Na lixiviação, não só aumenta avelocidade de extração devido a maior área de contato entre o solvente e osólido, como, além disso, diminui a distância que o solvente tem a penetrar nointerior das partículas, a fim de ter acesso às bolsas mais remotas do soluto.
  32. 32. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULAEste fator também é importante na secagem de sólidos porosos, em que aredução de tamanho provoca um aumento de área e também uma diminuiçãoda distância que a umidade tem de percorrer no interior das partículas, a fim deatingir a superfície.Mecanismos de Redução de Tamanho O mecanismo do processo de redução de tamanho é extremamentecomplexo. Se um bloco único de material for sujeito a um impacto brusco,geralmente partir-se-á, dando lugar a partículas relativamente grandes e a umcerto número de partículas pequenas, sendo pequena a quantidade departículas de tamanho intermediário. Se a energia da pancada aumentar, aspartículas maiores serão de tamanho menor que o anterior e mais numerosase, apesar de aumentar a quantidade de partículas finas, seu tamanho não seráalterado. Assim, descobre-se que o tamanho das partículas finas estáintimamente ligado à estrutura interna do material e o tamanho das partículasmaiores está relacionado com o processo pelo qual se efetua a redução detamanho. A energia necessária para efetuar a redução de tamanho do materialestá relacionada com a estrutura interna do material e o processo, ou seja,primeiro ocorre a abertura por quaisquer pequenas fissuras presentes e,segundo, a formação de nova superfície.Natureza do Material a Triturar A escolha da máquina para uma dada operação de trituração seráafetada pela natureza do produto que se pretende e pela quantidade edimensão do material a tratar. As propriedades mais importantes do material aser moído, sem falar na dimensão, são: a) Dureza – A dureza do material afeta o consumo de energia e o desgaste da máquina. Com materiais duros e abrasivos é necessário usar uma máquina de baixa velocidade e proteger os apoios das poeiras abrasivas que são produzidas. b) Estrutura – Os materiais granulares normais, como carvão, minérios e rochas podem triturar-se eficientemente com o emprego das forças normais de compressão, impacto, etc. Para materiais fibrosos é necessário efetuar uma ação de rompimento. c) Conteúdo de umidade – Verifica-se que os materiais não correm bem se contiverem entre 5 e 50% de umidade; nestas condições, os materiais tendem a aglutinar-se formando bolas. A moagem pode realizar-se satisfatoriamente, em geral, fora destes limites. d) Resistência ao esmagamento – A potência necessária para o esmagamento é quase diretamente proporcional à resistência do material ao esmagamento.
  33. 33. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA e) Friabilidade – A friabilidade do material é a sua tendência a fraturar-se durante o manuseamento normal. Em geral, um material cristalino quebrará ao longo de planos bem definidos e a potência necessária para o esmagamento aumentará à medida que o tamanho da partícula diminui. f) Empastamento – Um material que facilmente empasta tenderá a entupir o equipamento de moagem e, por isso, deverá ser moído numa instalação que possa ser rapidamente limpa. g) Tendência para escorregamento – Esta característica é, em geral, um reflexo do valor do coeficiente de atrito da superfície do material. Se o coeficiente de atrito for baixo, o esmagamento pode ser mais difícil. h) Materiais explosivos – Devem ser moídos em úmido ou na presença de uma atmosfera inerte. i) Materiais que produzem poeiras que são prejudiciais à saúde – Devem ser moídos sob condições em que não se deixe escapar a poeira.Tipos de Equipamento de Moagem Os moinhos mais importantes, grosseiros, intermediários e finos são osseguintes:Trituradores Moinhos intermediários Moinhos finosgrosseirosBritador de Rolos triturantes Moinho Buhrstonemandíbulas BlakeBritador de Britador de discos Moinho de rolosmandíbulas DodgeBritador giratório Moinho com mó de eixo Moinho Raymond horizontalBritador Samson Moinho cônico Moinho Griffin Bateria de pilões Moinho de bolas centrífugo Moinho de martelos Moinho de rolos rotativos em anel Britador de rolo único Moinho de bolas Moinho de espigões Moinho de tubos Moinho com mó de eixo Moinho Hardinge vertical Desintegrador em gaiola de esquilo Os britadores grosseiros mais utilizados são os de mandíbula (maxilas) esão encontrados, principalmente, próximo às jazidas de produção mineral. Os britadores intermediários mais utilizados são os moinhos de martelosque são moinhos de impacto que empregam um disco que gira em alta
  34. 34. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULAvelocidade, ao qual estão fixas várias barras de martelos. O material éintroduzido no topo ou no centro e projetado para fora pela força centrífuga,sendo esmagado por pancadas entre as barras de martelos ou contra placasde fratura montadas ao redor da periferia da caixa cilíndrica. O material sofrepancadas até ficar suficientemente pequeno para cair através da peneira queforma a parte inferior da caixa. Para moagem fina o equipamento mais utilizadoé o moinho de bolas.Moinho de Bolas O moinho de bolas consiste num cilindro oco em rotação, parcialmentepreenchido com bolas, com seu eixo fazendo um pequeno ângulo com ahorizontal. A superfície interior do cilindro é normalmente revestida com ummaterial resistente à abrasão. O moinho de bolas usa-se para a moagem de uma larga gama demateriais, entre os quais carvão, pigmentos e feldspato para cerâmica e recebealimentação até o tamanho de cerca de 2 polegadas. Alguns fatoresinfluenciam no desempenho do moinho de bolas: • velocidade da alimentação; • propriedades do material alimentado; • peso e diâmetro das bolas; • inclinação do moinho; • velocidade de rotação. Vantagens do uso do moinho de bolas: • pode ser usado a seco ou úmido; • custos baixos de instalação e de energia; • possibilidade de atmosfera inerte para moagem de explosivos; • o material de moagem não é caro • o processo pode ser contínuo ou descontínuo.Classificação de Partículas Sólidas Se for necessário separar diversas frações granulométricas de ummaterial pode-se utilizar o método de peneiramento, pois este dependebasicamente da dimensão das partículas e de sua tendência para aglomerar. Geralmente as partículas grandes separam-se em fraçõesgranulométricas por meio de peneiras e as partículas pequenas que fechariamas aberturas finas separam-se num fluido. A separação com um fluido usa-secorrentemente para separar uma mistura de dois materiais, mas usam-setambém métodos magnéticos, elétricos e de flutuação com espuma, quandoapropriados.
  35. 35. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA2 – Mistura e Agitação O problema de misturar duas ou mais substâncias revelou-se um dosproblemas entre todas as operações unitárias. A mistura efetua-senormalmente por uma das seguintes razões: • para promover contato íntimo entre as substâncias e, conseqüentemente, para proporcionar um melhor controle duma reação química. • Para preparar materiais com novas propriedades necessariamente presentes nos ingredientes. Por exemplo, a pólvora é uma mistura de carvão, enxofre e nitrato de potássio; contudo, tem propriedades completamente diferentes. O equipamento de mistura pode ser projetado para funcionamento emregime contínuo ou descontínuo. Enquanto os gases e os líquidos finos oususpensões podem ser trabalhados em misturadores contínuos, os materiaismuito viscosos ou plásticos têm normalmente de ser tratados num sistemadescontínuo. Os misturadores contínuos são representados por simples jatospara gases, pelas bombas centrífugas para líquidos e pelos transportadores decorreia, que são usados como misturadores simples para sólidos.3 – Filtração É a operação pela qual se separa um sólido de um líquido ou gás,mediante um meio poroso que retém o sólido, mas deixa passar o fluido. As condições em que se efetua a filtração variam muito e a escolha dotipo de equipamento mais apropriado dependerá de um grande número defatores: • As propriedades do fluido, em particular sua viscosidade, massa específica e propriedades corrosivas. • A natureza do sólido – a dimensão e forma das suas partículas, a distribuição granulométrica e as características de empilhamento. • A concentração de sólidos em suspensão. • A quantidade de material a movimentar e o seu valor. • O fato de o material mais nobre (maior valor agregado) ser o sólido, o fluido ou ambos. • O fato de ser ou não necessário lavar os sólidos filtrados. • O fato de ser ou não prejudicial ao produto uma contaminação muito leve causada pelo contato da suspensão ou do filtrado com vários componentes do equipamento.O Meio Filtrante A função do meio filtrante é atuar como suporte para o bolo de filtração,ao passo que as camadas iniciais de bolo constituem o verdadeiro filtro. O meio
  36. 36. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULAfiltrante deve ser mecanicamente forte, resistente à ação corrosiva do fluido edeve oferecer uma resistência tão pequena quanto possível ao fluxo do filtrado.Usa-se, por isso, muitas vezes, material relativamente grosseiro e não seobtém um filtrado límpido enquanto não se formam as camadas iniciais de bolo(o filtrado turvo, inicial, deve ser recirculado). Os meios filtrantes mais importantes: • Materiais tecidos, como: lã, algodão, linho, seda, plásticos, fibras, metal. • Chapas perfuradas de metal. • Materiais granulares, como: brita, areia, carvão. • Sólidos porosos. • Materiais de fibras entrecruzadas, sendo mais largamente usado o papel poroso.Equipamento de Filtração O filtro mais apropriado para qualquer operação determinada é aqueleque preencher os requisitos com o mínimo custo.1 – Filtros de meio filtrante granulado. São os filtros industriais mais simples, constituídos por uma ou maiscamadas de sólidos particulados, suportados por um leito de cascalho sobreuma grade, através do qual o material a ser filtrado flui por gravidade ou porpressão. Em alguns desses filtros usam-se dois leitos. Esses filtros são usadosprimordialmente quando se tratam de grandes volumes de suspensão muitodiluída, nas quais nem o sólido nem o líquido têm valor unitário elevado, equando o produto sólido não deve ser recuperado. Os meios filtrantes duplospermitem operação mais prolongada no ciclo de filtração, antes de sernecessária a lavagem em corrente reversa. Chega-se a um ponto, porém, emque a vazão cai, ou em que a queda de pressão se torna excessiva, então, afiltração cessa e o leito tem que ser limpo, mediante uma lavagem comcorrente invertida de água, seguida possivelmente por uma lavagem com ar.2 – Filtros de mangas ou de sacos. São utilizados para separar sistemas gás-sólidos. Este filtro é constituídopor grandes sacos de feltro, ou de outro tecido, suspensos transversalmente nocanal de escoamento do gás. É possível ter centenas desses sacos emparalelo. O gás ao passar através dos sacos, deposita, no seu interior, ossólidos arrastados. Os sacos são periodicamente limpos, mediante a agitaçãoda armação a que estão suspensos.3 – Filtro-prensa.
  37. 37. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA É o dispositivo de filtragem mais comum na indústria química. Emboraesteja sendo substituído, nas grandes instalações, por dispositivos de filtragemcontínua, tem as vantagens de baixo custo, extrema flexibilidade de operação ecusto de manutenção pequeno. Por outro lado, a necessidade dedesmontagem manual periódica constitui um gasto de mão de obra. O filtro-prensa é projetado para realizar diversas funções, cuja seqüênciaé controlada manualmente. Durante a filtração o filtro-prensa: • Permite a injeção da suspensão a filtrar até as superfícies filtrantes, por intermédio de canais apropriados; • Permite a passagem forçada da suspensão através das superfícies filtrantes; • Permite que o filtrado que passou pelas superfícies filtrantes seja expelido através de canais apropriados; e • Retém os sólidos que estavam inicialmente na suspensão. O modelo mais comum de filtro-prensa consiste em placas e quadrosque se alternam numa armação e que são comprimidos fortemente, uns contraos outros. O meio filtrante pode ser uma lona ou um tecido sintético ou papelde filtro ou tela metálica, e é suspenso sobre as placas cobrindo as duas faces.4 – Filtros contínuos. Os processos modernos, de elevada capacidade, tornaram obrigatório odesenvolvimento de filtros contínuos, dos quais se usam comumente diversosmodelos. Nestes filtros, a suspensão é injetada continuamente, e o bolo e ofiltrado são produzidos, também, continuamente. São exemplos desses filtros: • Filtro rotatório horizontal, especialmente adaptado à filtração de sólidos cristalinos com drenagem rápida; • Filtro a vácuo e disco rotatório. Este filtro permite uma taxa de filtração especialmente elevada; • Filtro a vácuo com tambor rotatório.5 – Filtração por centrifugação. A operação de filtração pode ser efetuada usando-se a força centrífugaem lugar da força gerada pela pressão. Os filtros que operam com forçacentrífuga são usados, geralmente, para a separação de sólidos granuladosgrosseiros ou de sólidos cristalinos, e podem operar descontínua oucontinuamente.
  38. 38. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL. IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO CAMPUS CUBATÃO CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL DISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1 PROFESSORA : ANA PAULA BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA1 – Estequiometria Industrial. Reynaldo Gomide. EPUSP- SP.2 – Princípios dos Processos Químicos . Olaf A. Houghen, Kenneth M. Watson e Roland A.Ragatz. Livraria Lopes da Silva Editora - Porto.3 - Química – um curso universitário. Bruce M. Mahan e Rollie J. Myers. Ed. Edgard Blücher Ltda.4 – Princípios das Operações Unitárias. Alan Foust, Leonard Wenzel, Curtis Clump, Louis Maus e L. Bryce Andersen. Ed. Guanabara Dois S.A.
  39. 39. SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL.IFSP – INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULOCAMPUS CUBATÃOCURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIALDISCIPLINA : INTRODUÇÃO A PROCESSOS INDUSTRIAIS 1PROFESSORA : ANA PAULA

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