1) O documento apresenta uma apostila sobre operações unitárias para o curso técnico em química no Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Mato Grosso campus Fronteira Oeste/Pontes e Lacerda. 2) A apostila introduz os conceitos básicos de operações unitárias, dividindo-as em mecânicas, de transferência de massa e de transferência de calor. 3) Também apresenta noções fundamentais como conversão de unidades, balanço material e energético e elementos de mecânica

1. INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E
TECNOLÓGIA DE MATO GROSSO.
CAMPUS FRONTEIRA OESTE/PONTES E LACERDA –
PONTES E LACERDA – MT
DEPARTAMENTO DE ENSINO.
CURSO DE TÉCNICO INTEGRADO EM QUÍMICA.
APOSTILA DE OPERAÇÕES
ÚNITARIAS
PROFESSOR: ADNALDO BRILHANTE
PONTES E LACERDA – 2012.
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2.  INTRODUÇÃO
A disciplina de Operações Unitárias é aquela que classifica e estuda, separadamente,
os principais processos físico-químicos utilizados na indústria química. Os processos mais
comuns encontrados nas indústrias químicas são a Destilação Atmosférica e a Vácuo, os
processos de Absorção e Adsorção, a Extração Líquido-Líquido e Líquido-Gás, o
processo de Filtração, Transporte de Sólidos, Trituração, Separação, Evaporação,
Resfriamento, Secagem, Cristalização, etc.
De uma forma geral, uma operação unitária é aquela etapa física de um processo
industrial e que, portanto, não envolve a ocorrência de transformações químicas.
@ Tipos de Operações Unitárias
- Mecânicas - Transferência de Massa - Transferência de Calor
. OPERAÇÕES UNITÁRIAS MECÂNICAS
São as operações de transporte, separação e transporte de fluidos.
 Definição de Fluidos:
A matéria se apresenta basicamente em três fases de agregação: sólida, líquida e
gasosa. As fases líquida e gasosa são chamadas de fluidas, pois apresentam a propriedade de
se deformarem continuamente quando é aplicada sobre elas uma força tangencial,
denominada “tensão de cisalhamento”. Em outras palavras, um material fluido é aquele que
apresenta a propriedade de escoar.
 Conceito Básico de Mecânica dos Fluidos:
Para o estudo das Operações Unitárias de transporte e de separação de fluidos, é
importante o estudo da Mecânica dos Fluidos, ou seja, o estudo do comportamento desses
fluidos quando submetidos à ação de uma força.
As características mais importantes para o dimensionamento de equipamentos de processos
são a viscosidade e a pressão do fluido.
 Transporte e Armazenamento de Fluidos:
São realizados por:
- Bombas: centrífugas (rotor) e de deslocamento positivo ( pistão )
- Válvulas (controle e bloqueio)
- Linha de tubulações
- Medidores de vazão
- Vasos pressurizados.
 Separação de Fluidos: Realizada por: - Centrifugação - Filtração
. OPERAÇÕES UNITÁRIAS DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA
São as operações que envolvem a separação de líquidos miscíveis.
- Propriedades das soluções → principalmente as diferenças entre os Pontos de Ebulição.
. Principais Operações de Transferência de Massa:
- Destilação
- Absorção – soluções líquido-gás
. OPERAÇÕES UNITÁRIAS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR
São as operações de troca térmica entre fluidos:
. Mecanismos de Troca de calor:
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3. - Condução: contato entre dois corpos fluidos
- Convecção: mistura de fluidos
- Radiação: ondas de calor
. Principais Equipamentos para a realização da Transferência de Calor:
- Trocadores de Calor
- Evaporadores
 CONCEITOS FUNDAMENTAIS
Alguns conhecimentos são fundamentais para que se possa estudar de forma
adequada à disciplina denominada Operações Unitárias, como conhecimentos sobre
conversão de unidades, unidades que podem ser medidas lineares, de área, de volume, de
massa, de pressão, de temperatura, de energia, de potência. Outro conceito-base para
“Operações Unitárias” é o de Balanço, tanto Material quanto Energético.
• Conversão de Unidades
É necessário conhecer as correlações existentes entre medidas muito utilizadas na
Indústria Química, como é o caso das medidas de temperatura, de pressão, de energia, de
massa, de área, de volume, de potência e outras que estão sempre sendo correlacionadas.
Grandeza Unidade Símbolo
Comprimento Metro M
Massa Grama G
Corrente Elétrica Ampère A
Temperatura termodinâmica Kelvin K
Quantidade de matéria Mol Mol
Intensidade luminosa Candela Cd
Alguns exemplos de correlações entre medidas lineares
1 ft (pé) =12 in (polegada). 1 in =2,54 cm 1 m =3,28 ft 1 m =100 cm = 1000 mm
1 milha =1,61 km 1 milha =5.280 ft 1 km =1.000 m
Alguns exemplos de correlações entre áreas
1 ft2 = 144 in2 1 m2 = 10,76 ft2 1 alqueire = 24.200 m2 1 km2 = 103 m2
Alguns exemplos de correlações entre volumes
1 ft3 = 28,32 L 1 ft3 = 7,481 gal (galão). 1 gal = 3,785 L 1 bbl = 42 gal
1 m3 = 35,31 ft3 1 bbl = 0,159 1 m3
Alguns exemplos de correlações entre massas
1 kg = 2,2 lb 1 lb = 454 g 1 kg = 1.000 g 1 t = 1.000 kg
Alguns exemplos de correlações entre pressões
1 atm = 1,033 kg.f/cm2 1 atm = 14,7 psi (lb.f/in2) 1 atm = 30 in Hg 1 atm = 10,3 m H2O
1 atm = 760 mm Hg 1 atm = 34 ft H2O 1 Kpa = 10–2 kgf/cm2
Algumas observações sobre medições de pressão:
– Pressão Absoluta = Pressão Relativa + Pressão Atmosférica
– Pressão Barométrica = Pressão Atmosférica
– Pressão Manométrica = Pressão Relativa
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4. Alguns exemplos de correlações entre temperaturas
tºC = (5/9)(tºF – 32) tºC = (9/5)(tºC) + 32 tK = tºC + 273
tR = tºF + 460 (temperaturas absolutas)
Algumas observações sobre medições de temperatura:
Zero absoluto = – 273ºC ou – 460ºF
Entre 778 e 782 ft.lb.f (pés-libra-força).
Alguns exemplos de correlações entre potências
1 HP = 1,014 CV 1 HP = 42,44 BTU/min 1KW = 1,341 HP 1 HP = 550 ft.lbf/s
1KW = 1 KJ/s 1 KWh = 3.600 J 1KW = 1.248 KVA (kilovoltampere)
(unidades não oficiais como cavalo-vapor, cv (735,5W), horse power, hp (746,6W) e outras
unidades híbridas)
Alguns exemplos de correlações de energia
1 Kcal = 3,97 BTU 1BTU = 252 cal 1BTU = 778 ft.lb.f 1Kcal = 3,088 ft.lb.f
1Kcal = 4,1868 KJ 1 cal = 4,18 J
• Noção de Balanço Material e Balanço Energético
- Balanço Material: se baseia na Lei de Lavoisier da Conservação das Massas: na natureza
nada se destrói e nada se cria, tudo se transforma.
Igual
Massa que entra → PROCESSO → Massa que sai.
- Balanço Energético: se baseia nas Leis Termodinâmicas da Conservação de Energia.
Igual
Energia que entra → PROCESSO → Energia que sai
 ELEMENTOS DE MECÂNICA DOS FLUIDOS
• NOÇÕES DE HIDROSTÁTICA
Hidrostática é o ramo da Física que estuda a força exercida por e sobre líquidos em
repouso. Este nome faz referência ao primeiro fluido estudado, a água, é por isso que, por
razões históricas, mantém-se esse nome. Fluido é uma substância que pode escoar facilmente,
não tem forma própria e tem a capacidade de mudar de forma ao ser submetido à ação de
pequenas forças. Lembrando que a palavra “fluido” pode designar tanto líquidos como gases.
ELEMENTOS DE HIDROSTÁTICA
# Massa específica ou densidade absoluta (µ)
A massa específica é uma característica da substância que constitui o corpo e é obtida
pelo quociente entre a massa e o volume do corpo, quando este é maciço e homogêneo. A
unidade de massa específica no SI é o kg/m3, mas também é muito utilizada a unidade g/cm3.
1 g/cm3 = 1000 kg/m3.
Importante
4

5. Densidade e densidade absoluta são grandezas físicas diferentes. Observe que
podemos obter qualquer uma das duas grandezas utilizando a fórmula acima, porém, só
teremos a densidade absoluta ou massa específica se o corpo em questão for maciço e
homogêneo, de outra forma, o que estaremos obtendo é uma característica do corpo chamada
densidade. - Massa específica ou densidade absoluta: característica da substância que compõe
o corpo. - Densidade: característica do corpo.
# Pressão
Pressão é uma grandeza física obtida pelo
quociente entre a intensidade da força (F) e a
área (S) em que a força se distribui.
No caso mais simples a força (F) é
perpendicular à superfície (S) e a equação fica
simplificada:
A unidade de pressão no SI é o N/m2, também chamado de Pascal.
Relação entre unidades muito usadas:
1 atm = 760 mmHg = 101 N/m2.
. Pressão de uma coluna de líquido
A pressão que um líquido de massa específica m, altura h, num local onde a aceleração
da gravidade é g exerce sobre o fundo de um recipiente é chamada de pressão hidrostática e é
dada pela expressão:
Se houver dois ou mais líquidos não
miscíveis, teremos:
Teorema de Stevin
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6. A diferença de pressão entre dois pontos, situados em alturas diferentes, no interior de
um líquido homogêneo em equilíbrio, é a pressão hidrostática exercida pela coluna líquida
entre os dois pontos. Uma consequência imediata do teorema de Stevin é que pontos situados
num mesmo plano horizontal, no interior de um mesmo líquido homogêneo em equilíbrio,
apresentam a mesma pressão.
Se o ponto A estiver na superfície do líquido, a pressão neste ponto será igual à pressão
atmosférica. Então a pressão P em uma profundidade h é dada pela expressão:
Princípio de Pascal
A pressão aplicada a um líquido em equilíbrio se transmite integralmente a todos os pontos do
líquido e das paredes do recipiente que o contém.
Prensa hidráulica:
. Empuxo
Empuxo é uma força vertical, orientada de baixo para cima, cuja intensidade é igual ao peso
do volume de fluido deslocado por um corpo total ou
parcialmente imerso.
.Na Esfera A: E > P
A esfera A está em repouso,
flutuando na superfície do líquido. Isto
acontece quando a densidade do corpo é
menor que a densidade absoluta do líquido e,
neste caso, o empuxo recebido pelo corpo é
maior que seu peso.
Na Esfera B: E = P
A esfera B está em repouso e totalmente imersa no líquido. Isto acontece quando a
densidade do corpo é igual à densidade absoluta do líquido e, neste caso, o empuxo recebido
pelo corpo é igual ao seu peso.
Na Esfera: E + N = P
A esfera C está em repouso, apoiada pelo fundo do recipiente. Isto acontece quando a
densidade do corpo é maior que a densidade absoluta do líquido e, neste caso, o empuxo é
menor que o peso do corpo.
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7. . Peso aparente
É a diferença entre o peso do corpo e o empuxo que ele sofreria quando imerso no
fluido.
. Sistema de vasos comunicantes
Para entender esse sistema, é importante pensar em um recipiente que possui alguns
ramos que são capazes de se comunicar entre si:
Como
podemos
observar
na figura
acima, o
recipiente está cheio com apenas um líquido em equilíbrio, portanto
podemos concluir que:
1- A superfície que estiver sem líquido, será horizontal e irá atingir
a mesma altura de h.
2-Quando os pontos do líquido estiverem na mesma altura z, a
pressão do mesmo será igual.
Portanto:
Com isso pode-se concluir que esses fatos são denominados
princípio dos vasos comunicantes.
As duas propriedades acima (1 e 2), “percorrem” a Lei de
Stevin.
Um outro exemplo, porém agora com dois líquidos homogêneos, representados por A e B e
que não podem se misturar (imiscíveis):
Se o sistema estiver em total
equilíbrio e sob a ação da
gravidade, conseguiremos igualar as
pressões tanto no ponto 1 como no
ponto 2 da figura acima, pois eles
pertencem ao mesmo líquido, no
caso pertencem ao líquido A, e
consequentemente pertencem
também ao mesmo plano
horizontal.
Portanto: Com isso pode- se concluir que as duas
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8. alturas líquidas da figura acima, que são medidas partindo de uma superfície de separação,
são inversamente proporcionais ás próprias densidades.
• NOÇÕES DE HIDRODINÂMICA
A hidrodinâmica é o estudo de fluidos em movimento. É um dos ramos mais
complexos da Mecânica dos Fluidos, como se pode ver nos exemplos mais corriqueiros de
fluxo, como um rio que transborda, uma barragem rompida, o vazamento de petróleo e até a
fumaça retorcida que sai da ponta acesa de um cigarro. Embora cada gota d'água ou partícula
de fumaça tenha o seu movimento determinado pelas leis de Newton, as equações resultantes
podem ser complicadas demais. Felizmente, muitas situações de importância prática podem
ser representadas por modelos idealizados, suficientemente simples para permitir uma análise
detalhada e fácil compreensão.
# ELEMENTOS DE HIDRODINÃMICA
Viscosidade
É a propriedade dos fluidos que está associada à maior ou menor resistência que eles
oferecem ao seu próprio escoamento. Esta resistência se explica pelo atrito interno que ocorre
entre as moléculas que compõe o fluido, movimentando-se umas contras as outras, e por atrito
dessas moléculas com as paredes do recipiente que as contém.
Os fluidos com alta viscosidade como o melado ou mel, fluem mais lentamente que
aqueles com baixa viscosidade como a água. Todos os fluidos, líquidos e gases, têm certo
grau de viscosidade. Alguns materiais, como o piche, que parecem sólidos, são na realidade
altamente viscosos e fluem muito lentamente. O grau de viscosidade é importante em muitas
aplicações. Por exemplo, a viscosidade do óleo do motor determina o quanto ele pode
efetivamente lubrificar as partes de um motor de automóvel.
Um escoamento simples está mostrado na figura abaixo para ilustrar a definição de
viscosidade. ← τ F1 → escoamento →
F1: força aplicada sobre a placa superior a favor do sentido de escoamento do fluido.
F
τ : força ou tensão de cisalhamento; τ =
A
dV
V: velocidade de escoamento do fluido; V =
dx
• Lei de Newton para a viscosidade
F dV F dV
α => =κ . Ou τ α V => τ = κ . V (Lei de
A dx A dx
Newton)
TIPOS DE VISCOSIDADE
 Viscosidade Dinâmica (κ)
Está relacionada com a Lei de Newton, onde a constante ou coeficiente de proporcionalidade
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9. “τ” é denominada VISCOSIDADE ABSOLUTA ou VISCOSIDADE DINÂMICA.
τ = κ·. V, onde κ → VISCOSIDADE ABSOLUTA ou VISCOSIDADE DINÂMICA.
Os fluidos que obedecem a Lei de Newton para a Viscosidade, são denominados de
“FLUIDOS NEWTONIANOS”. São fluidos que apresentam viscosidade constante.
São exemplos de fluidos newtonianos: água, ar, óleo, glicerina, etc. Já os fluidos que não
obedecem a Lei de Newton para a Viscosidade, são chamados de “FLUIDOS NÃO
NEWTONIANOS”. São fluidos que apresentam viscosidade variável. São exemplos de
fluidos não newtonianos: Ketchup, amido + água.
 Viscosidade Cinemática (η)
k É aquela que se obtém quando se relaciona a viscosidade
dinâmica (κ) com a massa específica (µ) do fluido:
η= µ
• Unidades de Viscosidade
A unidade física de viscosidade no Sistema Internacional de Unidades é o pascal-
segundo (Pa·s), que corresponde exatamente a 1 N·s/m² ou 1 kg/(m·s). Na França intentou-se
estabelecer o poiseuille (Pl) como nome para o Pa·s, sem êxito internacional. Deve-se prestar
atenção em não confundir o poiseuille com o poise, chamado assim pela mesma pessoa.
Viscosidade Dinâmica
A unidade no Sistema CGS de unidades para a viscosidade dinâmica é o poise (p),
cujo nome homenageia a Jean Louis Marie Poiseuille. Sói ser mais usado o seu submúltiplo: o
centipoise (cp). O centipoise é mais usado devido a que a água tem uma viscosidade de
1,0020 cp a 20 °C 1 poise = 100 centipoise = 1 g/(cm·s) = 0,1 Pa·s. 1 centipoise = 1 mPa·s.
Viscosidade cinemática
Obtém-se com o cociente da viscosidade dinâmica (ou absoluta) e a densidade. A
unidade no SI é o (m²/s). A unidade física da viscosidade cinemática no Sistema CGS é o
stokes (abreviado S ou St), cujo nome provém de George Gabriel Stokes. Às vezes se
expressa em termos de centistokes (cS o cSt). 1 stokes = 100 centistokes = 1 cm²/s = 0,0001
m²/s.
Tabelas ilustrativas de Viscosidade: A tabela abaixo mostra os coeficientes de viscosidade
de alguns líquidos (em poise).
Glicerina (20oC) 8,3
o
Água (0 C) 0,0179
Água (100oC) 0,0028
o
Éter (20 C) 0,0124
Mercúrio (20oC) 0,0154
A tabela abaixo mostra os coeficientes de viscosidade de alguns gases (em poise).
Ar (0oC) 0,000171
Ar (20oC) 0,000181
o
Ar (100 C) 0,000218
Água (100oC) 0,000132
o
CO2 (15 C) 0,000145
Tabela para viscosidades cinemáticas aproximadas a 20ºC de alguns líquidos. Em centistokes
(= 10−2 St = 10−6 m2/s).
Líquido Água Leite Óleo Óleo Óleo Óleo Glicerina Óleo Mel Óleo
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10. SAE-1 SAE-3 SAE-5
combustível vegetal SAE-70
0 0 0
ν (cSt) 1 4 16 43 110 440 650 1735 2200 19600
• Medida ou determinação da viscosidade de um fluido
Na prática, a determinação da viscosidade de um fluido, é feita através de um
instrumento denominado viscosímetro. Um viscosímetro, também designado por
viscosímetro, consiste num instrumento usado para medição da viscosidade de um fluido.
Existem diversos tipos de viscosímetros, de entre os quais se destacam pela sua
importância e aplicação industrial, o viscosímetro capilar ou viscosímetro de Ostwald, o
viscosímetro de esfera em queda ou viscosímetro de bola e o viscosímetro rotativo.
No que diz respeito ao primeiro, o viscosímetro capilar ou de Ostwald, é utilizado para
líquidos e baseia-se na determinação de alguns dos parâmetros relacionados com a fricção
desenvolvida por um líquido quando este escoa no interior de um capilar.
Este tipo de viscosímetro é essencialmente um tubo em U, sendo que um dos seus
ramos é um tubo capilar fino ligado a um reservatório superior. O tubo é mantido na vertical e
coloca-se uma quantidade conhecida de um líquido no reservatório, deixando-se escoar sob a
ação da gravidade através do capilar. A medida da viscosidade é o tempo que a superfície de
líquido no reservatório demora a percorrer o espaço entre duas marcas gravadas sobre o
mesmo.
O viscosímetro de esfera em queda ou de bola possibilita a medição da velocidade de
queda de uma esfera no seio de uma amostra de fluído, cuja viscosidade se pretende
determinar. Este tipo de viscosímetro é baseado na lei de Stokes, enunciada pelo físico e
matemático irlandês George Gabriel Stokes, que nasceu em Skreen a 13 de Agosto de 1819 e
que faleceu em Cambridge a 1 de fevereiro de 1903.
Este método consiste em diversos tubos contendo líquidos padrões de viscosidades
conhecidas, com uma bola de aço em cada um deles. O tempo que a bola leva A descer o
comprimento do tubo depende da viscosidade do líquido. Colocando-se a amostra num tubo
semelhante, pode determinar-se aproximadamente a sua viscosidade por comparação com os
outros tubos. Finalmente, o viscosímetro rotativo é o mais usado na indústria e mede a força
de fricção de um motor que gira, devido a um sistema de pesos e roldanas, no seio de um
fluído que se pretende estudar.
. Imagens de Viscosímetros
# Regimes de Escoamentos de
Fluidos
Inicialmente, vamos
considerar apenas o que é chamado fluido ideal, isto é, um fluido incompressível e que não
tem força interna de atrito ou viscosidade. A hipótese de incompressibilidade é válida com
boa aproximação quando se trata de líquidos; porém, para os gases, só é válida quando o
escoamento é tal que as diferenças de pressão não são muito grandes.
O caminho percorrido por um elemento de um fluido em movimento é chamado linha
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11. de escoamento. Em geral, a velocidade do elemento varia em módulo e direção, ao longo de
sua linha de escoamento. Se cada elemento que passa por um ponto tiver a mesma linha de
escoamento dos precedentes, o escoamento é denominado estável ou estacionário.
No início de qualquer escoamento, o mesmo é instável, mas, na maioria dos casos, passa a ser
estacionário depois de certo período de tempo. A velocidade em cada ponto do espaço, no
escoamento estacionário, permanece constante em relação ao tempo, embora a velocidade de
uma determinada partícula do fluido possa variar ao longo da linha de escoamento.
Linha de corrente é definida como uma curva tangente, em qualquer ponto, que está
na direção do vetor velocidade do fluido naquele ponto. No fluxo estacionário, as linhas de
corrente coincidem com as de escoamento.
# Tipos de Escoamento
O movimento de fluidos pode se processar,
fundamentalmente, de duas maneiras diferentes: – escoamento
laminar (ou lamelar); – escoamento turbulento.
O escoamento laminar caracteriza-se pelo movimento
ordenado das moléculas do fluido, e todas as moléculas que passam num dado ponto devem
possuir a mesma velocidade. O movimento do fluido pode, em qualquer ponto, ser
completamente previsto.
O escoamento turbulento é o contrário de o escoamento
laminar. O movimento das moléculas do fluido é completamente
desordenado; moléculas que passam pelo mesmo ponto, em
geral, não têm a mesma velocidade e torna-se difícil fazer
previsões sobre o comportamento do fluido.
O escoamento turbulento não é interessante devido às
desvantagens e perigos que sua presença pode acarretar. Quando
um corpo se move através de um fluido, de modo a provocar
turbulência, a resistência ao seu movimento é bastante grande. Por esta razão, aviões, carros e
locomotivas são projetados de forma a evitar turbulência.
#Vazão
. Conceitos Básicos de Vazão
O conceito de vazão é fundamental praticamente para todos os estudos dos fluidos,
seja para uma instalação hidráulica de abastecimento, seja para o estudo de drenagem, seja
para o estudo de geração de energia através de turbina,
para todos estes estudos o parâmetro inicial a ser
conhecido é a vazão.
Conceito de Vazão em Volume ou Simplesmente
Vazão (Q)
Vazão é a quantidade em volume de fluido
que atravessa uma dada seção do escoamento por
unidade de tempo. Nota: A determinação da vazão
pode ser direta ou indireta; considera-se forma direta sempre que para a sua determinação
recorremos à equação de vazão é forma indireta quando recorremos a algum aparelho, como
por exemplo, Venturi, onde:
, sendo a variação de pressão entre duas seções do aparelho,
respectivamente uma de área máxima e uma de área mínima.
Conceito de Vazão em Massa (Qm)
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12. Vazão em massa é a quantidade em massa do
fluido que atravessa uma dada seção do escoamento
por unidade de tempo. Nota: O conceito de vazão em
massa é fundamental para o estudo de escoamentos
onde a variação de temperatura não é desprezível.
Conceito de Vazão em Peso (QG)
Vazão em peso é a quantidade de peso do
fluido que atravessa uma dada seção do escoamento
por unidade de tempo.
Relação entre Vazão em Peso (QG), Vazão em Massa (Qm) e Vazão em Volume (Q)
Para obtenção desta relação, evocamos os conceitos de peso específico (γ = G/V) e
massa específica (ρ = m/v), através dos mesmos, obtemos a relação deseja.
. Unidades de QG, Qm e Q
Para que possamos evocar as suas principais unidades, introduzimos inicialmente as
suas equações dimensionais.
Conhecendo-se as equações dimensionais, podemos estabelecer as suas principais unidades,
por exemplo:
.
Cálculos da vazão
São ainda muito usadas as unidades litro por segundo e metro cúbico por hora (m 3/h).
Se tivermos num condutor um fluido em escoamento uniforme, isto é, o fluido escoando com
velocidade constante, a vazão poderá ser calculada multiplicando-se a velocidade (v) do
fluido, em dada seção do condutor, pela área (A) da seção considerada, ou seja:
Q = A .v
Para demonstrar, suponha-se um condutor de seção constante:
O volume escoado entre as seções (1) e
(2) de área A é igual : V = A . L , onde
:
L = v.t (movimento uniforme), e daí
tem-se que: V = A .v.t
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13. V
Como Q = , tem-se : Q = A . v
t
. Exemplos práticos
1) Um condutor de 20 cm2 de área de secção reta despeja gasolina num reservatório. A
velocidade de saída da água é de 60 cm3/s. Qual a vazão
do fluido escoado?
Resolução:
Sabemos que a vazão Q é dada por Q = V/T ou Q = Av
Neste caso, torna-se evidente que devemos usar a relação
Q = Av, porque conhecemos a velocidade do fluido e a
área da secção reta do condutor.
V = 60 cm3/s A = 20 cm2 Q = A.v Q = 20 x 60
Q = 1.200 cm3/s. Suponha que, no exemplo, o reservatório tenha 1.200.000 cm3 de
capacidade. Qual o tempo necessário para enchê-lo?
Resolução:
Temos V = 1.200.000 cm3 Q = 1.200 cm3/s T = ?
Aplicando a relação Q = V/ t, tiramos t = V/Q t = 1.200.000/1.200 t = 1.000 segundos.
t = 16 minutos 40 s
2) Uma bomba transfere óleo diesel em um reservatório à
razão de 20 m3/h. Qual é o volume do reservatório, sabendo-
se que ele está completamente cheio após 3 horas de
funcionamento de bomba ?
Resolução:
Temos que Q = 20 m3/h t = 3 h V = ? Q = V/ t =>
V = Q x t V = 20 x 3
V = 60 m3
Equação da continuidade nos escoamentos
Dizemos que um fluido encontra-se escoando em regime permanente quando a velocidade,
num dado ponto, não varia com o tempo.
Assim, considerando vários pontos quaisquer no interior de um
fluido, estes estarão em regime permanente, desde que toda
partícula que chegue a cada um desses pontos, passe com a mesma
velocidade e na mesma direção. Porém não há obrigação que as
velocidades sejam iguais em todos os pontos. O importante é que
toda partícula que passe por cada um deles isoladamente tenha a
mesma velocidade.
Se unirmos os pontos da figura acima, teremos trajetória de qualquer partícula que tenha
passado pelo ponto mais baixo da curva. Esta trajetória é conhecida pelo nome de Linha de
Corrente. Suponha-se, agora, um fluido
qualquer escoando em regime
permanente no interior de um condutor
de secção reta variável.
A velocidade do fluido no ponto A1 é
V1, e no ponto A2 é V2. A1 e A2 são
áreas da secção reta do tubo nos dois
pontos considerados.
Já foi visto que Q = V/ t e Q = Av,
portanto pode-se escrever que:
V/ t = Av V = A v t
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14. Sabe-se, ainda, que a massa específica é definida pela relação:
μ = m/V m = μV m = μAvt
Pode-se, então, dizer tendo em vista esta última equação, que a massa de fluido passando
através da secção A1 por segundo é m = μ1A1v1; e que a massa de fluido que atravessa a
secção A2, em cada segundo é igual a m = μ2A2v2. Está sendo supondo aqui que a massa
específica do fluido varia ponto a ponto no interior do tubo. A massa de fluido, porém,
permanece constante, desde que nenhuma partícula fluida possa atravessar as paredes do
condutor.
Portanto, é possível escrever: μ1.A1.v1 = μ2.A2.v2
Esta é a Equação da Continuidade nos escoamentos em regime permanente. Se o
fluido for incompressível, não haverá variação de volume e, portanto, μ1 = μ2 e a Equação da
Continuidade toma uma forma mais simples, qual seja A1.v1 = A2.v2 ou Q1 = Q2.
Esta relação mostra que onde a área da secção do condutor for maior, a velocidade de
escoamento da massa fluida é menor e vice-versa.
Exemplos práticos
1) Um duto de secção retangular possui um estreitamento cuja área de secção é de 100 cm2.
Certo líquido flui no duto à razão de 90 litros/min. Calcular a velocidade do líquido no
estreitamento. Resolução: O problema fornece vazão do líquido no interior do duto em sua
parte mais larga. Sabe-se que:
Q1 = Q2Q1 = A2 v2 Logo, v2 = Q1/A2 Deve-se estar atentos para as unidades.
Trabalhemos no sistema CGS.
Q1 = 90 l/ min = 90 dm3/60s = 90.000 cm3/60s
Q1 = 1.500 cm3/s v2 = Q1/A2
V2 = 1.500/100
V2 = 15 cm/s
2) Calcular a velocidade do fluido na parte mais larga do condutor mostrado na figura abaixo:
v1 = 5 ,0 cm/s v2 = ? A1 = 40 cm2 A2 = 150 cm2
Aplica-se a Equação da Continuidade:
A1.v1
A1. V1 = A2. V2 => v2 =
A2
40x5 200
=> v2 = => v2 = = 1,3 cm / s
150 150
Número de Reynolds (NR)
Quando a velocidade de um fluido que escoa em um tubo excede certo valor crítico,
o regime de escoamento passa de lamelar para turbulento, exceto em uma camada
extremamente fina junto à parede do tubo, chamada camada limite, onde o escoamento
permanece laminar. Além da camada limite, onde o escoamento é turbulento, o movimento do
fluido é altamente irregular, caracterizado por vórtices locais e um grande aumento na
resistência ao escoamento. O regime de escoamento, se lamelar ou turbulento, é determinado
pela seguinte quantidade adimensional, chamada Número de Reynolds:
NR = r D v / κ
Onde r é a densidade do fluido, κ, seu coeficiente de viscosidade, v, o módulo da sua
velocidade média de escoamento para frente e D, o diâmetro do tubo.
Esta velocidade média é definida como a velocidade uniforme em toda a seção reta
do tubo que produz a mesma vazão. Verifica-se experimentalmente que o escoamento de um
fluido qualquer é:
• Lamelar se NR < 2.000
14

15. • Turbulento se NR > 3.000
• Instável, isto é, mudando de um regime para outro, se 2.000 < NR < 3.000
Por exemplo, a 20oC, κ = 1 x 10-2 poise para a água. Em um tubo de 1 cm de
diâmetro, o módulo da velocidade média máxima de escoamento laminar é v = 20 cm/s. E o
escoamento é turbulento para velocidades médias de escoamento acima de 30 cm/s.
Para o ar a 20oC, κ = 1,81 x 10-4 poise. Em um tubo de 1 cm de diâmetro, o módulo
da velocidade média máxima de escoamento laminar é v = 278 cm/s. E o escoamento é
turbulento para velocidades médias de escoamento acima de 420 cm/s.
Com a Lei de Stokes viu-se que a força resistiva sobre uma esfera que se move em
um fluido viscoso com uma velocidade não muito grande é proporcional ao módulo desta
velocidade. Por outro lado, a força resistiva sobre qualquer objeto sólido que se move em um
fluido viscoso com velocidades maiores é aproximadamente proporcional ao módulo da
velocidade ao quadrado. Reynolds, estudando a causa destas duas diferentes leis de atrito nos
fluidos, descobriu que a mudança da lei de primeira potência para a de segunda potência não
era gradual, mas sim, brusca, e ocorria, para qualquer fluido dado e qualquer aparato de
medida, sempre na mesma velocidade crítica. Reynolds mostrou experimentalmente que esta
mudança acontecia simultaneamente com a mudança no regime do escoamento do fluido no
aparato de medida, de laminar para turbulento.
O experimento consistia em introduzir um fio de líquido colorido no centro de um
tubo através do qual o mesmo líquido, sem corante, escoava com uma velocidade controlada.
As baixas velocidades de
escoamento, o fio de líquido colorido
permanecia reto e contínuo pelo
comprimento do tubo e quando certa
velocidade crítica era atingida, a linha
colorida era violentamente agitada e
sua continuidade destruída por curvas e
vórtices, revelando assim fluxo
turbulento. Exatamente nesta
velocidade crítica é que a lei de atrito
no fluido passava de uma lei de primeira potência para uma de segunda potência.
# Perda de Carga
$ Conceito
Quando um líquido escoa de um ponto para outro no interior de um tubo, ocorrerá
sempre uma perda de energia, denominada perda de pressão (Sistemas de ventilação ou
exaustão) ou perda de carga (Sistemas de bombeamento de líquidos). Esta perda de energia é
devida principalmente ao atrito do fluído com uma camada estacionária aderida à parede
interna do tubo. O emprego de tubulações no transporte de fluídos pode ser realizado de duas
formas: tubos fechados e canais abertos. Em suma, perda de carga é a energia perdida pela
unidade de peso do fluido quando este escoa. No cotidiano a perda de carga é muito utilizada,
principalmente em instalações hidráulicas. Por exemplo, quanto maior as perdas de cargas em
uma instalação de bombeamento, maior será o consumo de energia da bomba. Para estimar o
consumo real de energia é necessário que o cálculo das perdas seja o mais preciso possível.
No caso de escoamentos reais, a preocupação principal são os efeitos do atrito. Estes
provocam a queda da pressão, causando uma "perda", quando comparado com o caso ideal,
sem atrito. Para simplificar a análise, a "perda" será dividida e distribuída (devidas ao atrito
em porções de área constante do sistema) e localizadas (devidas ao atrito através de válvulas,
tês, cotovelos e outras porções do sistema de área não constante). Como os dutos de seção
circular são os mais comuns nas aplicações de engenharia, a análise básica será feita para
15

16. geometria circular. Os resultados podem ser estendidos a outras formas pela introdução do
diâmetro hidráulico. A perda de carga total (Hp) é considerada como a soma das perdas
distribuídas (hf) devidas aos efeitos de atrito no escoamento completamente desenvolvido em
tubos de seção constante, com as perdas localizadas (hs) devidas a entradas, acessórios,
mudanças de área etc. Consequentemente, consideram-se as perdas distribuídas e localizadas
em separado.
Em resumo:
A Perca de Carga pode ser definida como sendo a perda de energia que o fluido sofre
durante o escoamento em uma tubulação. É o atrito entre o fluido (no nosso caso a água) e a
tubulação, quando o fluido está em movimento.
É a resistência ao escoamento devido ao atrito entre o fluido e a tubulação, mas que
pode ser maior ou menor devido a outros fatores tais como o tipo de fluido (viscosidade do
fluido), ao tipo de material do tubo (um tubo com paredes rugosas causa maior turbulência), o
diâmetro do tubo e a quantidade de conexões, registros, etc. existentes no trecho analisado.
Variáveis Hidráulicas que influem na Perda de Carga
I. Comprimento da tubulação (l)
Quanto maior o comprimento da tubulação,
maior a perda de carga. O comprimento é
diretamente proporcional à perda de carga. O
comprimento é identificado pela letra l (do inglês
length, comprimento).
II. Diâmetro da tubulação (d)
Quanto maior o diâmetro, menor a perda de carga. O
diâmetro é inversamente proporcional à perda de
carga.
III. Velocidade (v): Quanto maior a velocidade do
fluido, maior a perda de carga.
IV. Outras variáveis: fator (f)
a) Rugosidade: A rugosidade depende do material do tubo. Existem tabelas onde encontramos
esses valores em função da natureza do material do tubo.
b) Tempo de uso: O tempo de uso, ou seja, a idade do tubo também é uma variável a ser
considerada, devido principalmente ao tipo de material que for utilizado (ferro fundido, aço
galvanizado, aço soldado com revestimento, etc.). O envelhecimento de um tubo provoca
incrustações ou corrosões que poderão alterar desde o fator de rugosidade ou até o diâmetro
interno do tubo.
16

17. c) Viscosidade do fluido
A viscosidade, ou seja, o atrito intermolecular do fluido também influencia a perda
de carga em um sistema. Líquidos com viscosidades diferentes vão possuir perdas de cargas
distintas ao passar dentro de uma mesma tubulação.
#Expressões da Perda de Carga (J) I. Método Racional ou Moderno
Em função das variáveis hidráulicas apresentadas e utilizando
o chamado método moderno ou racional, Darcy e Weisbach chegaram
à expressão geral da perda de carga válida para qualquer líquido onde:
J = Perda de Carga / l = comprimento / d = diâmetro / f = fator -
viscosidade, rugosidade, idade do tubo, etc.
II. Método Empírico
Esse método consiste em aplicar uma fórmula empírica criada para água em uma
tubulação feita com determinado material. Dentre as várias fórmulas criadas com esse
método, muitas vezes se adota a fórmula de Fair-Whipple-Hsiao (FWH), pois é a que melhor
se adapta a muitos projetos, como os para tubulações em PVC de até 100 mm de diâmetro.
J = 8,69 x 106 x Q x 101,75 x d -4,75
#Tipos de Perda de Carga
As perdas de carga podem ser de dois tipos:
I. Normais
As perdas de cargas normais ocorrem ao longo de
um trecho de tubulação retilíneo, com diâmetro constante.
Se houver mudança de diâmetro, muda-se o valor da perda
de carga.
II. Acidentais ou localizadas
As perdas de carga acidentais ou localizadas são as perdas que ocorrem nas conexões
(curvas, derivações), válvulas (registros de gaveta, registros de pressão, válvulas de descarga)
e nas saídas de reservatórios. Essas peças causam turbulência, alteram a velocidade do fluido,
aumentam o atrito e provocam choques das partículas líquidas.
O método que será utilizado para calcular as
perdas de carga localizadas é o método dos
comprimentos equivalentes ou virtuais. Em uma
tabela já existem todas as conexões e válvulas
nos mais diversos diâmetros e a comparação com
a perda de carga normal em uma tubulação de
mesmos diâmetros. Por exemplo: A perda de
carga existente em um registro de gaveta aberto
17

18. de 20 mm equivale à perda de carga existente em um tubo de PVC de 20 mm (mesmo
diâmetro) com 0,20 m de comprimento:
Princípio de Bernoulli ou
Equação de Bernoulli
O Princípio de Bernoulli, também denominado Equação de Bernoulli
ou Trinômio de Bernoulli, ou ainda Teorema de Bernoulli descreve o comportamento de
um fluido movendo-se ao longo de uma linha de corrente e traduz para os fluidos o principio
da conservação da energia.
Foi exposto por Daniel Bernoulli em sua obra Hidrodinâmica (1738) e expressa que
num fluido ideal (sem viscosidade nem atrito) em régime de circulação por um conduto
fechado, a energia que possui o fluido permanece constante ao longo de seu percurso. A
energia de um fluido em qualquer momento consta de três componentes:
1 – Cinética: é a energia devida à velocidade que possua o fluido.
2 – Potencial gravitacional: é a energia devida à altitude que um fluido possua.
3 – Energia de fluxo: é a energia que um fluido contém devido à pressão que possui.
A seguinte equação conhecida como “Equação de Bernoulli” (Trinômio de Bernoulli)
consta destes mesmos termos.
Onde:
* V = velocidade do fluido na
seção considerada.
* g = aceleração gravitacional
* z = altura na direção da gravidade desde uma cota de referência. *P = pressão ao longo da
linha de corrente. ρ = densidade do fluido.
Para aplicar a equação deve-se realizar as seguintes suposições:
* Viscosidade (atrito interno) = 0, ou seja, se considera que a linha de corrente sobre a qual se
aplica se encontra em uma zona ‘não viscosa’ do fluido.
* Caudal constante * Fluxo incompressível, onde ρ é constante.
* A equação se aplica ao longo de uma linha de corrente ou em um fluxo irrotacional.
Sob determinadas condições, é possível fazer a simplificação da Equação de Bernoulli,
chegando-se a Equação de Torricelli, aplicada ao escoamento de fluidos através de pequenos
orifícios: v = 2 gH
EXERCÍCIOS RESOLVIDOS DE APLICAÇÃO – Hidrostática / Hidrodinâmica; vazão
e perda de carga.
1) Qual a pressão manométrica dentro de uma tubulação onde circula ar se o desnível do nível
do mercúrio observado no manômetro de coluna é
de 4 mm?
Considere: densidade do Mercúrio = ρhg = 13600
kg/m3 e aceleração gravitacional g = 9,81 m/s2
Resolução:
18

19. Observando o Princípio de Stevin, calculamos a pressão manométrica da tubulação
através da seguinte equação:
pmanométrica = ρhg . g . h = 13600 x 9,81 x 0,004 = 533,6 Pa
A pressão absoluta é a soma dessa pressão com a pressão atmosférica (101325 Pascals).
2 ) Qual a vazão de água (em litros por segundo) circulando através de um tubo de 32 mm de
diâmetro, considerando a velocidade da água como sendo 4 m/s? Lembre-se que 1 m3 = 1000
litros. Resolução:
Primeiramente, calcula-
se a área da secção
transversal do tubo:
Agora, pode-se determi-
nar a vazão no tubo:
Vazão = V. A = 4 x 0,000803 = 0,0032 m3 /s x 1000 = 3,2 L/s
3 ) Qual a velocidade da água que escoa em um duto de 25 mm se a vazão é de 2 litros/s?
Solução: Vazão = V. A
Logo: V = Vazão / A
Logo, V = 0,002/0,00049 = V = 4,08 m/s
4 ) Qual a velocidade da água através de um furo
na lateral de um tanque, se o desnível entre o
furo e a superfície livre é de 2 m ?
Resolução: Utilizando a equação de Bernoulli
simplificada e considerando z1 = 2 m e g = 9,81
m/s2, podemos calcular a velocidade da água pela
equação a seguir:
5 – Qual a perda de carga
em 100 m de tubo liso de PVC de 32 mm de diâmetro por onde escoa água a uma velocidade
de 2 m/s?
Resolução: Inicialmente devemos calcular o Número de Reynolds:
Com o número de Reynolds e o Diagrama de Moody, obtemos para o tubo liso que o fator de
atrito f = 0,02.
19

20. 6 ) Qual a perda de carga no tubo?
Considere: tubo liso PVC
υágua = 1,006 x 10-6 m2/s Vágua = 5 m/s ρágua = 1000 kg/m3
Resolução: Cálculo do número de Reynolds:
Cálculo da perda de carga: Com o número de Reynolds, podemos agora obter o fator de atrito
através do diagrama de Moody, onde se obtém o fator de atrito f = 0,095.
FUNDAMENTOS DE BALANÇO DE MATERIAL
A natureza impõe certas restrições às transformações químicas e físicas de matéria,
que precisam ser levadas em conta quando projetamos um novo processo ou analisamos um já
existente. Uma dessas restrições é o princípio da conservação da massa ou Princípio de
Lavoisier, segundo o qual nada pode ser criado ou destruído, apenas transformado (a menos
das reações nucleares). Se em um dado processo 120g de enxofre estão contidos no carvão
diariamente queimado em uma caldeira, esta mesma quantidade de enxofre por dia deixará a
câmara de combustão de uma forma ou de outra. A análise química das cinzas ou da fuligem
(gases de chaminé ou fumos) revelará a quantidade de enxofre em cada uma dessas
substâncias. Mas necessariamente, a soma das duas quantidades deverá ser igual a 120g. Para
relacionar-se as quantidades de matéria envolvidas em um dado processo, o engenheiro
realiza um balancete ou uma contabilidade das massas totais e de cada componente, tendo
emente o princípio da conservação da massa. Esta técnica é chamada de balanço de massa ou
de material.
Classificação dos Processos
20

21. Os processos químicos podem ser classificados em batelada, contínuos ou semi-
contínuos. A classificação se baseia no procedimento de entrada e saída dos materiais.
Processos em Batelada:
A alimentação é introduzida no sistema de uma só vez, no início do processo e todos
os produtos são retirados algum tempo depois. Nenhuma massa atravessa a fronteira do
sistema no intervalo de tempo decorrido entre a alimentação e a remoção dos produtos.
Exemplo: adição instantânea de reagentes em um tanque e remoção dos produtos reagentes
não consumidos algum tempo depois, quando o sistema atingiu o equilíbrio; panela de
pressão; cozimento de pão; preparação de uma vitamina em um liquidificador.
Processos Contínuos:
A alimentação e os produtos fluem continuamente enquanto dura o processo. Há
contínua passagem de matéria através das fronteiras do sistema. Exemplo: Bombeamento de
uma mistura de líquidos a uma vazão constante a um tanque e retirada dos produtos na mesma
vazão constante. Evaporador (processo industrial) de suco de laranja.
Processos Semi-Contínuos:
A entrada de material é praticamente instantânea e a saída é contínua, ou vice-versa.
Há passagem contínua de matéria através de uma única fronteira (entrada ou saída) do
processo. Exemplo: a) adição contínua de líquidos em um tanque misturador, do qual nada é
retirado. b) escape de gás de um bujão pressurizado. c) tanque de combustível.
Os processos também são classificados em relação ao tempo, como estado
estacionário ou transiente.
Processos em estado estacionário ou regime permanente
Se os valores de todas as variáveis de processo (todas as temperaturas, pressões,
concentrações, vazões, etc.) não se alteram com o tempo (a menos de pequenas flutuações) o
processo é dito que opera em estado estacionário ou regime permanente.
Estado Transiente (ou não permanente)
São aqueles processos onde ocorrem alterações dos valores das variáveis de processo
com o tempo. Os processos em batelada e semi-contínuos, pela sua natureza, são operações
em estado transiente, já que ambos os casos há alteração das variáveis ao longo do tempo. No
exemplo dos reagentes colocados no tanque de forma instantânea, haverá em cada tempo a
alteração da composição do sistema, além das decorrentes alterações de pressão, temperatura,
volume, etc. No caso do escape de gás do botijão, haverá alteração da massa e da pressão
dentro do sistema com o tempo. Os processos contínuos, no entanto, podem ocorrer tanto em
regime permanente quanto em transiente. Se um dado ponto do sistema as variáveis
alterarem-se com o tempo, o regime será transiente. Mas, se naquele ponto, não houver
alteração, o regime será permanente, mesmo que essas variáveis tenham valores diferentes em
um e outro ponto do mesmo sistema, mas também aí constantes no tempo.
Consideremos o exemplo da parede de um forno de cozimento dentro da qual a
temperatura é igual a 200°C. A temperatura do lado externo é ambiente (25°C). Quando se
inicia o aquecimento do forno, a temperatura da parede interna será de 200°C e da externa
25°C. Com o decorrer do tempo, a temperatura da parede externa irá aumentando até atingir
uma temperatura final de 40°C, por exemplo, e a partir daí estabilizar-se-á e se formará um
perfil de temperaturas definido em função das propriedades do material que compõe o
material. Então até que a temperatura atinja esse valor inicial, o processo é transiente, pois a
temperatura variou neste ponto (parede externa) com o tempo. Quando a temperatura da
21

22. parede externa
não mais se
alterar, o regime
atingiu regime
permanente.
Observemos que
continuamente
haverá passagem
de calor porque
há uma
diferença de temperatura entre as duas faces da parede do forno, mas em qualquer posição da
parede isolante do forno, a temperatura será constante com o tempo e o processo se
desenvolve em estado estacionário.
Observemos que regime permanente não quer dizer equilíbrio. Num determinado
processo, se o equilíbrio for alcançado, cessará a passagem de calor (a figura acima).
Os processos em batelada são comumente utilizados quando quantidades
relativamente pequenas de um produto necessitam ser produzidas em dadas ocasiões. Os
processos contínuos são usualmente desenvolvidos quando se necessitam de grandes
produções. Eles são normalmente operados em estado estacionário ocorrendo o estado
transiente na partida do processo (start-up) ou quando ele necessita ser intencionalmente ou
acidentalmente reparado.
Equação de Balanço
Suponha que ao final de um dado mês você recebeu R$1000,00 de salário. Perdeu
R$200,00, gastou R$700,00 e ganhou R$400,00 na loteria. A quantidade de dinheiro
acumulado no final do mês será:
Δ = dinheiro que entra por mês – dinheiro que desapareceu no mês
= R$ (1000,00 + 400,00 - 200,00 - 700,00) = R$500,00:. Assim, neste mês você acumulou
R$500,00. Suponhamos agora um processo contínuo onde entra e sai metano à vazão qe (kg
CH4/h) e qs (kg CH4/h), respectivamente.
As vazões foram medidas e constatou-se que qe é diferente de qs. Há cinco
explicações para este fato:
1- Está vazando metano através do equipamento;
2- O metano está sendo consumido como reagente;
3- O metano está sendo gerado como produto;
4- O metano está acumulando na unidade, possivelmente sendo absorvido em suas paredes;
5- As medidas estão erradas.
Se as medidas estão corretas, e não há vazamento, as demais possibilidades (uma ou
ambas) são responsáveis pela diferença constatada.
Um balanço (ou contabilidade) de massa de um sistema (uma única unidade, várias
unidades ou o sistema como um todo) pode ser escrito na seguinte forma geral:
SAI = ENTRA + GERADO – CONSUMIDO – ACUMULADO
(através da fronteira) (através da fronteira) (dentro do sistema) (dentro do sistema) (dentro do sistema)
Esta é a equação geral de balanço que pode ser escrito para qualquer material que
entra ou deixa um sistema: pode tanto ser aplicada a massa total de componentes do sistema
22

23. ou a qualquer espécie molecular ou atômica envolvida no processo. Nós podemos também
escrever dois tipos de balanços:
A) Balanços Diferenciais  São os balanços que indicam o que está acontecendo num dado
sistema num dado instante. Cada termo da equação de balanço é expresso em termos de uma
velocidade (taxa); e tem unidade da quantidade balanceada dividida pela unidade de tempo (g
SO2 h; pessoa/ano; barris / dia). Este é o tipo de balanço usualmente aplicado a um processo
contínuo.
B) Balanços Integrais  São os balanços que descrevem o que acontece entre dois instantes
de tempo (Δt). Cada termo da equação de balanço é então uma quantidade balanceada com
sua respectiva unidade (gSO2; pessoas, barris) Este tipo de balanço é usualmente aplicado a
processos em batelada, como os dois instantes de tempo sendo o momento imediatamente
após a entrada da alimentação e o momento imediatamente anterior à retirada do produto.
Os termos “gerado” e “consumido” se referem à produção ou consumo de matéria,
relacionadas às transformações provocadas por reações químicas. Podem, portanto, serem
substituídos pelo termo “reage”. Se um dado componente a ser balanceado estiver sendo
produzido no interior do sistema, o termo será positivo; caso contrário será negativo. Assim:
SAI= ENTRA + REAGE – ACUMULA
O acúmulo de massa, próprio dos sistemas
em regime transiente, relaciona a taxa de aumento
(ou diminuição) de matéria com o tempo (dmA/dt).
Se em uma dada unidade de processo entram qAe
(kg/s) de um dado componente “A” e saem qAs (kg/
s) desse mesmo componente, havendo reação
química (consumo ou geração do componente) à taxa rA (kg/s), a equação se transforma
como na figura acima.
BALANÇO TOTAL DE MASSA
São os balanços envolvendo a massa total do conjunto de todos os componentes que
entram e saem do sistema.
@ Processos Contínuos  Num balanço total de massa, desaparecem os termos sobre a
geração e consumo da equação geral, uma vez que a matéria não pode ser criada nem
destruída (a menos das reações nucleares). Isto porque, a produção de uma ou mais
substâncias é o resultado do consumo de outra ou mais substâncias. Assim duas alternativas
podem ocorrer:
a) Estado não estacionário  SAI = ENTRA – ACUMULA Ou (dm/dt) = qe – qs (kg/s)
b) Regime Permanente  Como não há acúmulo de matéria, a quantidade total de massa que
entra deve necessariamente ser igual à quantidade que sai. Daí: ENTRA = SAI qs = qe (kg/s)
@ Processos em Batelada  Pela própria natureza, esses processos se desenvolvem em
regime transiente. Como qe = qs = 0, já que não há matéria atravessando a fronteira, vem: dm/
dt = 0 MASSA FINAL = MASSA INICIAL
BALANÇO DE MASSA PARA UM COMPONENTE
Consideremos que a espécie A participa de um dado processo. O balanço de massa
para esta espécie depende de cada tipo de operação.
@ Processos em Batelada:
& Balanço para um componente com reação química  Da equação geral vem: SAI =
ENTRA = 0, então: ACUMULA (A) = REAGE (A) e dmA/dt = rA
& Balanço para um componente sem reação química:  Como ENTRA = SAI e REAGE =
0, temos: dmA/dt = 0 e MASSA INCIAL DE A = MASSA FINAL DE A
@ Processos Contínuos:
23

24. & Balanço de um componente com reação química  a) em regime transiente: SAI (A) =
ENTRA(A) + REAGE (A) – ACUMULA(A) Ou dmA/dt = qAe – qAs + rA É a própria
equação geral de balanço. Lembremos que se A é consumido, o sinal do termo de reação é
negativo, se é produzido o sinal é positivo.
b) em estado estacionário: SAI (A) = ENTRA (A) + REAGE (A) ou rA = qAe - qAs
& Balanço de um componente sem reação química: Se não há reação química, então r = 0 e a
equação anterior se transforma em a) em regime transiente: SAI (A) = ENTRA(A) –
ACUMULA(A) ou dmA/dt = qAe – qAs.
b) em regime permanente: SAI (A) = ENTRA (A) ou qAe = qAs
PROCEDIMENTO PARA REALIZAÇAO DE CÁLCULOS DE BALANÇO DE
MASSA
Todos os problemas de balanço de material são variações de um único tema: dados
valores de algumas variáveis nas correntes de entrada e saída, calcular os valores das demais.
A resolução das equações finais é uma questão de álgebra, mas a obtenção destas equações
depende do entendimento do processo. Alguns procedimentos facilitam esta tarefa de a partir
da descrição do processo, montar-se as equações de balanço correspondentes.
Indicação das variáveis no fluxograma
Algumas sugestões para indicação das variáveis nos fluxogramas auxiliam os
cálculos de balanço de material.
1-Escreva os valores e unidades de todas as variáveis conhecidas sobre as linhas que indicam
as correntes de processo. Quando isso é realizado para todas as correntes, você tem um
sumário das informações conhecidas acerca do processo.
2- Indique sobre as respectivas correntes as variáveis desconhecidas com os símbolos
algébricos e unidades.
3- Se a vazão volumétrica de uma corrente é conhecida, é útil indicá-la no fluxograma na
forma de uma vazão mássica ou molar, uma vez que os balanços não são normalmente
escritos em termos de quantidades volumétricas, pois frequentemente há variação de
densidade.
4- Quando várias correntes de um processo estão envolvidas, é interessante numerá-las.
Assim, as vazões mássicas podem ser indicadas por Q1, Q2, Q3, etc.
Mudança de Escala e Base de Cálculo
É fundamental checar o balanço, para certificar-se que a mudança de escala manteve
o processo balanceado.
Balanço Global ENTRA=SAI  Entra: 200 lbm /min e Sai: 100 + 100 lbm /min
Balanço de massa para o benzeno Entra: 200 lbm / min x 0,6 lbm B / lbm = 120 lbm B /
min e Sai: 100(0,9) + 100(0,3) = 120 lbm B /min
Note que não podemos alterar a escala de massa para mol (ou vazão mássica para
vazão molar) ou vice-versa através da simples multiplicação. Conversões deste tipo só podem
ser realizadas segundo o procedimento anteriormente realizado. Desde que um processo pode
ter sempre modificada sua escala, os cálculos de balanço de material podem ser realizados em
qualquer base conveniente de quantidade de matéria ou de fluxo de matéria, e posteriormente
alterados para uma escala desejada. O primeiro passo no procedimento de um balanço de um
procedimento é escolher uma quantidade (básica ou molar) ou vazão (mássica ou molar) de
uma corrente ou de um componente de uma corrente como uma base de cálculo. Todas as
variáveis desconhecidas de uma corrente serão então determinadas relativas à base escolhida.
Se uma quantidade ou vazão é fornecida, é mais conveniente utilizá-lo como base de cálculo;
todos os cálculos subsequentes fornecerão automaticamente os valores corretos para o
24

25. processo. Se nenhuma quantidade ou vazão é conhecida, deve-se assumir uma. Neste caso,
escolhe-se uma quantidade de uma corrente com composição conhecida. Se a fração fornecida
for molar, escolhe-se uma quantidade (ou vazão) molar, em via de regra 100 mols, caso
contrário escolhe-se uma quantidade mássica. Também nesse caso o número mais indicado é
100 (100 kg; 100g, 100 lbm, etc.).
RECICLO, BYPASS E PURGA
Considere a reação química A→ R. É muito raro que ela se complete num reator
contínuo. Tanto faz quanto A está presente no início da reação ou quanto tempo ele é deixado
no reator. A é normalmente encontrado nos produtos (nem todo A reagiu). Suponha que seja
possível encontrar-se um modo de separar a maioria ou todo o A do produto R. Isto é
vantajoso se o custo de operação e alimentação compensar o custo da matéria-prima A. Nesta
situação é interessante reciclar o reagente A (separado de R) para a entrada do reator.
É importante distinguir-se com clareza (para efeito de balanço), a alimentação nova
(fresh feed) da alimentação do reator (alimentação combinada). Esta última é a soma da
alimentação nova com a corrente de reciclo.
Uma operação também comum na indústria química é o desvio de uma parte de
alimentação de uma unidade e a combinação dessa corrente chamada de “by-pass” com a
corrente de saída daquela unidade. Um fluxograma típico é apresentado na Figura 3.13. O
procedimento para o cálculo de balanço nesses processos com reciclo e by-pass é baseado no
mesmo adotado para processos com múltiplas unidades.
Outro procedimento adotado nas indústrias químicas consiste da purga, em que parte
de uma corrente que não interessa é separada da parte de corrente de interesse.
Problemas envolvendo reciclo e purga de correntes são frequentemente encontrados
na indústria química. As correntes de reciclo na engenharia química são usadas para
enriquecer um produto, para conservar energia, ou para reduzir custos operacionais. São
vários exemplos industriais onde estas correntes podem estar presentes. Em processos físicos
de separação podemos citar:
a) em torres de destilação, parte do destilado retorna à torre como refluxo para enriquecer o
destilado no componente mais leve, obtendo uma melhor qualidade do destilado, quanto
maior for essa corrente de refluxo;
b) em operações de secagem com ar, parte do ar efluente do secador é reciclado, misturando-
se com o ar fresco na entrada do secador, aquecendo apenas o ar fresco e mantendo o ar em
nível razoável. No item a, o reciclo é usado para melhorar a qualidade do produto, no item b,
para redução do custo operacional.
Nos processos químicos com reação, como nos processos de refino de petróleo, a
maioria das correntes são misturas muito complexas, exigindo muitas etapas de separação que
envolve reciclo de algumas correntes. Nos reatores catalíticos, como nos processos de síntese
de amônia a partir de N2 e H2, ou síntese de metanol a partir de CO e H 2, somente parte dos
gases presentes na carga reagem, ou seja, a conversão no produto final não é total.
Os produtos são separados e a mistura gasosa não convertida em produto é reciclada
para o reator, após ser misturada coma carga fresca (alimentação nova). Estas operações de
reciclo são importantes, pois desta forma se consegue um aproveitamento maior da matéria-
25

26. prima, levando a uma redução do custo de operação, apesar do maior custo de investimento,
uma vez que reatores precisarão ter maior capacidade para permitir processar uma vazão
maior de carga do reator.
Se componentes inertes (que não participam da reação química) estiverem presentes
na carga (alimentação), tais como o argônio (proveniente do ar) na mistura de N 2-H2 (carga do
conversor de amônia), é necessário que se faça uma purga contínua da mistura gasosa não
convertida para limitar a concentração deste inerte na entrada do reator, ou seja, não se
fazendo a purga e reciclando todo o material não reagente, a concentração de inerte cresceria
ilimitadamente no reator.
Frequentemente, os cálculos de reciclo provocam dificuldades. Os cálculos de reciclo
são feitos para o estado estacionário, ou seja, não há perda ou acréscimo de massa no
processo, nem na corrente de reciclo.
BALANÇO DE ENERGIA
Da mesma forma que a lei de conservação de massa, a lei de conservação de energia
diz que energia não se cria, não se perde, mas um tipo de energia pode ser transformado em
outro tipo de energia, como por exemplo, calor pode ser transformado em trabalho. Desta
forma, a energia total presente em um processo também é uma quantidade conservativa, e isso
é, em linhas gerais, o quê afirma a Primeira Lei da Termodinâmica.
O equacionamento do balanço de energia é mais complicado do que para o balanço
de massa, sendo que se deve considerar a energia na forma de calor, na forma de trabalho e a
energia contida nas moléculas que estão no sistema e nas moléculas que entram e saem do
sistema.
Semelhante à convenção adotada no balanço de massa, as quantidades de energia são
positivas se elas entram no sistema, e negativas se elas saem do sistema.
[Energia entrando no sistema (+) Energia saindo do Sistema (–)].
A energia contida nas moléculas pode ser dividida em energia interna, energia
potencial e energia cinética. A energia interna representa a energia de uma substância
associada aos movimentos, interações e ligações dos seus elementos constituintes. A energia
cinética e a energia potencial são formas de energia relacionadas ao movimento e à posição do
sistema em relação a um referencial externo. O transporte de energia pode ser feito na forma
de calor, Q’,
quando há uma
diferença de
temperatura entre o
sistema e as
26

27. vizinhanças. Se calor é transferido das vizinhanças para o sistema, então o fluxo de calor
possui sinal positivo; caso o sistema transfira calor para as vizinhanças, então o valor do fluxo
de calor é negativo.
[Calor entrando no sistema (+) / Calor saindo do sistema (–)].
O trabalho (W’) é outra forma de energia em trânsito que pode ser realizado
basicamente de três
modos: trabalho de eixo,
trabalho de pistão e
trabalho de fluxo.
O trabalho de eixo resulta
da ação de uma força
mecânica dentro do
sistema, não havendo
deformação das fronteiras
do sistema. Quando há do movimento (deformação) das fronteiras do sistema devido à
atuação de uma força então trabalho é realizado na forma de trabalho de pistão.
[trabalho fornecido ao sistema pela vizinhança (+) / Trabalho
realizado pelo sistema na vizinhança (–)].
Num processo de escoamento, o deslocamento de uma porção de fluido realiza
trabalho na porção de fluido a sua frente e por sua vez também sobre a ação do trabalho do
fluido anterior. Desta forma, se há passagem de fluido pelo sistema, o fluido que está entrando
irá realizar um trabalho no sistema e o fluido que está saindo irá realizar um trabalho nas
vizinhanças. A Primeira Lei da Termodinâmica pode ser representada pela equação geral
(abaixo) da conservação da energia:
Uma função de estado importante na termodinâmica é a entalpia de um sistema (H),
que é equivalente à soma da energia interna U e do produto PV. H = U + P.V
Substituindo essa definição
no balanço de energia, a Equação
anterior pode ser escrita de forma
mais compacta (ao lado):
A variação do conteúdo de energia do sistema num intervalo de tempo finito Δt é
encontrada integrando-se a equação do balanço de energia entre os tempos t e t+Δt.
CONFIGURAÕES DE FLUXO
Em muitas operações de transferência de energia ou massa de uma fase para outra, é
necessário colocar em contato
duas correntes de fluído para que
possa ocorre a modificação no
sentido do equilíbrio de energia
ou de massa ou de ambos. A
transferência pode ser realizada
com duas correntes fluindo na
27

28. mesma direção, no que denominamos escoamento paralelo. Quando se usa este tipo de
escoamento, limite de transferência que pode ocorrer, está praticamente determinado pelas
condições de equilíbrio que serão atingidos pelas duas correntes que entram em contato. Se as
duas correntes que contatarem forem em direções opostas, as transferências de massa e/ou
energia podem ocorrer com uma intensidade muito maior. Essa configuração defluxo é
conhecida como escoamento em contracorrente.
Para se tomar um exemplo, vamos discutir a previsão da temperatura a ser atingida
quando se opera comum a corrente de mercúrio quente e com outra de água fria quando o
equilíbrio é atingido. Isso pode ser feito simplesmente mediante um balanço térmico que leva
em consideração as quantidades relativas das duas correntes, as respectivas temperaturas
iniciais e as capacidades caloríficas. Se as correntes escoam simultaneamente de um mesmo
ponto inicial para um ponto final, a temperatura do equilíbrio está definida e a respectiva
variação está indicada
na figura acima, onde o
fluxo é denominado de
escoamento paralelo.
Na figura ao lado, tem-
se o escoamento em
contracorrente.
No escoamento
em contracorrente a
temperatura de
equilíbrio do sistema é
muito maior. Troca em
contracorrente, juntamente com troca concorrente ou simultânea, compreendem os
mecanismos utilizados para a transferência de uma propriedade de um fluido a partir de um
fluxo de corrente de fluido para outro através de uma membrana semipermeável ou material
termicamente condutor entre elas. A propriedade pode ser calor transferido, a concentração
de uma substância química ou outras. A troca em contracorrente é um conceito-chave na
engenharia química, na termodinâmica e em processos de fabricação, como por exemplo, na
extração de sacarose a partir de raízes de beterraba-sacarina.
OPERAÇÄO CONTÍNUA E OPERAÇÃO DESCONTÍNUA.
Em muitas situações das operações de processos é mais econômico manter os
equipamentos em operação continua e permanentes, com o mínimo de perturbações ou
paradas possíveis. Entretanto, essa condição pode não ser a mais adequada em certas
situações, como em plantas com “gargalo”, onde uma ou mais seções está ou ficou
subdimensionada em relação às demais, ou por problemas de manutenção dos equipamentos
ou ainda devido à natureza de um processo. Alguns processos são tão complexos, tem tantas
variáveis e requerem pausas, que tem de ser executados, em bateladas ou ainda por razões do
próprio controle do processo. Em virtude da maior produtividade dos equipamentos que
operam continuamente e do preço unitário mais baixo que daí decorre, é em geral mais
vantajoso operar de forma contínua. Isto quer dizer que o tempo não é uma variável na análise
desses processos, exceto nos momentos deparadas e de partidas. Em suma, a operação
descontínua, denominada comumente de operação em batelada (do inglês batch) ocorre
quando se processa quantidade de materiais seguindo um conjunto de procedimentos e
quantidades pré-determinadas, onde uma receita é seguida.
A cada momento que a batelada for concluída esta é descarregada e outra é iniciada,
de acordo com a organização de tempos e métodos para a seção. Uma operação que varia de
acordo com o tempo é denominada transiente ou não permanente, em contraposição ao estado
28

29. permanente, no qual as condições não variam com o tempo. Nesses termos a análise de
operação transiente é diferente da do estado permanente apenas pela introdução da variável
adicional de tempo. Para ilustrar um exemplo de operação em regime transiente podemos citar
como exemplo o resfriamento de uma peça de aço num tratamento térmico. Observa-se que a
temperatura da peça varia com o tempo. Ouro exemplo é a obtenção de cubos de gelo no
congelador da sua geladeira. Aqui cabe uma observação interessante: Observe que a questão
de transiente ou permanente é conceitual a partir da concepção e construção de plantas.
Vamos supor que certa seção foi projetada para trabalhar operando com fluído a 700 C.
Ocorre que há uma perturbação instalada na seção que provoca uma variação na temperatura
de 70 a 800 C. Não se pode considerar esse regime transiente. Trata-se de um regime
permanente com problemas de controle. Outro aspecto importante é não se confundir
operação contínua/descontinua com regime transiente/permanente. A operação contínuo-
descontínua se relaciona com o operar parando-partindo ou sem interrupções. O regime
transiente/permanente se relaciona com a variação ou não das variáveis operacionais com o
tempo.
INTEGRAÇÄO DAS OPERAÇÖES UNITÁRIAS
Quando se aborda as operações unitárias considerando-se um conjunto de operações
independentes, há alguns aspectos positivos, por exemplo, se um operador compreende o
funcionamento de uma seção de filtros rotativos a vácuo que tem o objetivo de remover um
determinado tipo de material, ele compreenderá qualquer outro FRV, mesmo que tenha o
objetivo de remover outro tipo de material, posto que, os princípios básicos de funcionamento
são os mesmos dessa operação unitária que recebe a denominação de filtração. Numa
indústria complexa, as interações das etapas são inevitáveis, posto que, o conjunto de
operações unitárias, geralmente termina por se constituir em etapas de um determinado
processo produtivo sequenciado. Exemplo: Na seção da evaporação que tem um conjunto de
procedimentos independentes de uma hidrólise, o fluído deve sair na concentração ótima de
um componente para que a eficiência na hidrólise seja máxima.
Quando se analisa uma situação tal qual esta, vemos que há de se ter a visão da
independência, do “unitário”, mas há de não se perder de vista a integração que existe, na
realidade. As compreensões mais completas das inter-relações dos princípios fundamentais
levam ao agrupamento das operações de modo a englobá-las num modelo, dentro do qual se
ajustam a mesma expressão matemática, as ações que possibilitam valiosas generalizações.
Há inter-relações extremamente íntimas, por exemplo, a transferência de calor num sistema
em escoamento não pode ser apresentada no seu todo, sem levar em consideração a mecânica
dos fluídos: a transferência de massa pode ser separada da transferência do calor e da
mecânica dos fluídos. O reconhecimento mais amplo das semelhanças básicas é uma
consequência do aumento de informação. Por outro lado, o reconhecimento e a exploração das
semelhanças contribuem para a compreensão mais ampla de cada operação. Há evidencias
atualmente, de que a compartimentalização da informação, de acordo com cada operação
unitária, não pode comprometer a integração do conjunto que sempre tem como meta produto
ou produtos adequados aos mercados destinatários. A operação unitária pode ser analisada por
meio de um modelo físico simples que reproduz a ação da operação ou pode ser analisada
pela consideração de um equipamento ou então pode ser investigada segundo uma expressão
matemática inicial, que descreve a ação e é verificada contra os dados experimentais do
processo. Sem dúvidas, os dois primeiros modelos são os mais adequados para um operador
de processo, cujo objetivo principal é saber fazer.
MISTURA DE SÓLIDOS
29

30. Princípio de mistura entre sólidos é bastante simples. Quando se efetua esta
operação, juntam-se os dois componentes que, por exemplo, se encontram depositados em
dois pontos diferentes. À medida que a
mistura se vai fazendo, vai-se dando uma
uniformização. Quando a camada de um
dos componentes for da ordem de
grandeza da sua granulometria, a operação
de mistura está realizada.
A operação de mistura vai
obrigar, assim, a uma série sucessiva de
conjugação e disjunção em que os dois
componentes se vão interpenetrando. O
trabalho necessário para realizar a mistura
aumenta com os volumes das fracções; a mistura é tanto mais rápida quanto maior forem os
volumes das fracções. Existem dois processos de mistura que se usam na Indústria Química,
dando origem, portanto, a dois tipos de misturadores:
• misturadores contínuos - a mistura é mais lenta, mas o consumo de energia é menor;
• misturadores descontínuos - a mistura é mais rápida, mas o consumo de energia é maior.
Os misturadores contínuos são constituídos por uma caixa cilíndrica em cujo interior
existe um órgão móvel que efetua a mistura, imprimindo às partículas um movimento com um
determinado sentido. Este objetivo é atingido através dos misturadores com titulo de sem fim
ou contínuos.
Os misturadores descontínuos são constituídos por uma caixa com um movimento de
rotação em torno de um eixo. Esta caixa tem, habitualmente, uma forma cilíndrica ou tronco-
cónica (em que se incluem, por exemplo, as betoneiras). No movimento de rotação, devido ao
atrito da força centrífuga, a substância é arrastada, caindo de uma determinada altura. A
velocidade de rotação tem de ser limitada para que as partículas caiam quando atingem uma
determinada altura.
MISTURA DE LÍQUIDOS
A mistura de líquidos efetua-se por agitação, executada mecanicamente, ou por meio
de ar comprimido (cujo objetivo é criar correntes na massa líquida). A agitação mecânica
consiste em comunicar um movimento de rotação a uma determinada porção de líquido. A
mistura faz-se por meio de um movimento cuja superfície isobárica é um parabolóide e cujo
eixo é o do eixo de rotação.
Há, no entanto duas forças que impedem a
formação de um parabolóide: a força centrífuga que
impele a parte isolada para a periferia, e as camadas
superiores do líquido que tendem a ocupar o espaço que
ficou livre. No entanto, as linhas de corrente são
dependentes dos tipos de misturadores. Ao contrário dos
sólidos, os líquidos misturam-se rapidamente, uma vez
acionada a perturbação, sendo necessário, para tal, ter
uma agitação permanente e a energia para o efeito. O
cálculo de um agitador de pás é complexo e baseia-se em
princípios de mecânica definidos, sendo as fases
essenciais as seguintes:
• resistência ao movimento; • potência a instalar;
• número de rotações; • dimensionamento das pás.
Outros tipos de agitadores são os mecânicos; os
30

31. mais comuns são os seguintes:
• agitadores de hélice; • agitadores contínuos;
• agitadores de rotor; • agitadores de cone;
• agitadores de propulsão radial; • agitadores de discos de elevada velocidade.
Nos primeiros (agitadores de hélice) as pás tradicionais são substituídas por uma
hélice. Nos agitadores sem-fim a parte central possui um parafuso continuo. Nos primeiros
(agitadores de hélice) as pás tradicionais são substituídas por uma hélice. Nos agitadores
contínuos a parte central possui um parafuso em forma de broca, seja sem fim. Nestes
sistemas, cada pá é equivalente a uma hélice.
Nos agitadores de rotor existe um corpo central (rotor), que é acionado como uma
bomba centrífuga, obrigando o líquido a circular. Os outros tipos de agitadores têm
geometrias características dos nomes, obrigando os líquidos a movimentos específicos.
Agitação por Ar Comprimido
O sistema por impulsor é idêntico ao de
rotor, mas a bomba centrífuga é substituída por
um impulsor. Outros sistemas fazem borbulhar ar
comprimido ou vapor por meio de tubos
perfurados, situados no interior do líquido. Este
sistema é usado para explosivos ou líquidos
corrosivos.
MISTURA DE SÓLIDOS COM LÍQUIDOS
A mistura de sólidos com líquidos pode
efetuar-se de dois modos:
• Caso a mistura seja pouco viscosa, efetua-se
como se de um líquido se tratasse;
• se a mistura for bastante viscosa a forma de
efetuá-la e através de um sistema com um sem-fim, sendo essencial estudar o atrito. As pás
possuem formato esférico, tendo cada uma delas uma função idêntica a uma hélice de um
continuo sendo o número de rotações igual ao de um sistema deste tipo.
Para sistemas usados no fabrico de explosivos usam-se misturadores de baixa
rotação, podendo efetuar, igualmente, uma rotação em torno do eixo.
MISTURADORES DE GASES E DE LÍQUIDOS COM GASES
A mistura de gases é feita num recipiente fechado, fazendo entrar pela parte inferior
gás mais denso ou fazendo entrar os dois simultaneamente. Na mistura de líquidos com gases,
pode-se atuar de dois modos:
• lançando o líquido finamente dividido na massa do gás;
• fazendo borbulhar o gás na massa líquida, sendo, no entanto, o primeiro tipo o mais comum.
A mistura do líquido com o gás pode ser feita ainda de dois modos:
• lançamento do líquido sob pressão;
• afastamento do líquido por meio dum gás sob pressão.
Em uma subdivisão pode-se executar fazendo passar o líquido através de orifícios
finos, ou através de um pequeno rotor que lança o líquido dividido para a periferia do
aparelho. O primeiro sistema denomina-se pulverização e o segundo, dispersão. No caso de
rotores cilíndricos, o sistema de dispersão chama-se turbo dispersor. O sistema de
arrastamento é bastante usado na combustão de líquidos e ar, denominando-se “ar primário”.
Mistura de Soluções Coloidais  A mistura deste tipo de soluções é idêntica à dos líquidos,
31

32. mas com grande agitação, sendo aconselhável a utilização de agitadores de propulsão radial.
Dosagem  A dosagem é acompanhada de medição de quantidades a misturar, tendo
aspectos específicos no caso de misturadores descontínuos ou contínuos.
Misturadores descontínuos  Nestes misturadores são necessários à pesagem prévia dos
sólidos e dos líquidos ou a medição dos volumes dos líquidos. A pesagem é semelhante para
sólidos ou líquidos, porque os sólidos estão, em princípio, bastante subdivididos. Os
sistemas de pesagem podem ser manuais ou automáticos, caindo a massa no sistema de
alimentação, quando necessário. No caso de regulação automática existe uma válvula de
regulação que fecha pouco antes do fim da dosagem necessária, sendo o último ajuste feito
por outra válvula de regulação fina, permitindo, deste modo, uma alimentação rápida e
correta. A medição de volumes de líquidos faz-se com recurso recipiente de volume
conhecido.
Misturadores Contínuos  Neste caso há necessidade de fazer uma medição contínua das
substâncias a alimentar no misturador, as quais são feitas por dosadores volumétricos ou
ponderais. Os dosadores volumétricos para sólidos são de tipo variável, indo desde uma
simples válvula a dispositivos com um órgão rotativo, que no movimento arrastam um dado
volume de sólidos, ou por um transportador de vários tipos. Os dosadores ponderais são do
tipo transportador, normalmente de banda, e que é alimentado a partir de uma balança. Os
dosadores de líquidos são mais simples e fazem-se, volumetricamente, por meio de válvulas.
No entanto, o volume doseado depende da pressão em que é introduzido, sendo
necessário uma devida calibração. Os dosadores de gases têm um princípio idêntico ao dos
líquidos, sendo a pressão de alimentação uma variável importante.
 BOMBAS HIDRÁULICAS
MÁQUINAS
São transformadores de energia (absorvem energia em uma forma e restituem em
outra). Entre os diversos tipos de máquinas, as máquinas fluidas são aquelas que promovem
um intercâmbio entre a energia do fluido e a energia mecânica. Dentre elas, as máquinas
hidráulicas se classificam em motora e geradora:
- máquina hidráulica motora ou motriz: transforma a energia hidráulica em energia mecânica
(ex.: turbinas hidráulicas e rodas d’água).
- máquina hidráulica geradora ou geratriz ou operatriz: transforma a energia mecânica em
energia hidráulica.
Dessa forma, por exemplo, as bombas hidráulicas são máquinas motrizes que sugam
ou empurram um fluido, obrigando-o a água a subir. Há muitos tipos de bombas.
BOMBAS HIDRÁULICAS
Uma bomba hidráulica é um dispositivo que adiciona energia aos líquidos, tomando
energia mecânica de um eixo, de uma haste ou de outro fluido: ar comprimido e vapor são os
mais usuais. As formas de transmissão de energia podem ser: aumento de pressão, aumento de
velocidade ou aumento de elevação – ou qualquer combinação destas formas de energia.
Como consequência, facilita-se o movimento do líquido. É geralmente aceito que o líquido
possa ser uma mistura de líquidos e sólidos, nas quais a fase líquida prepondera.
Outras máquinas destinadas a adicionar energia aos fluidos na forma de vapor e
gases só são chamadas de bombas apenas eventualmente. Como exemplos, há a bomba de
vácuo, destinada a esgotar ar e gases, e a bomba manual de ar, destinada a encher
32

33. pneumáticos, bolas de futebol, brinquedos e botes infláveis, etc. As máquinas que se destinam
a manusear ar, gases ou vapores são normalmente chamadas pelos técnicos de ventiladores ou
ventoinhas, sopradores ou compressores.
• CLASSIFICAÇÃO GERAL DAS BOMBAS
As bombas podem ser classificadas em duas categorias, a saber:
- Volumétricas ou de Deslocamento Positivo: são aquelas em que a movimentação do
líquido é causada diretamente pela movimentação de um dispositivo mecânico da bomba, que
induz ao líquido um movimento na direção do deslocamento do citado dispositivo, em
quantidades intermitentes, de acordo com a capacidade de armazenamento da bomba,
promovendo enchimentos e esvaziamentos sucessivos, provocando, assim, o deslocamento do
líquido no sentido previsto.
- Turbo-Bombas, Hidrodinâmicas ou Rotodinâmicas: são máquinas nas quais a
movimentação do líquido é desenvolvida por forças que se desenvolvem na massa líquida em
consequência da rotação de uma peça interna (ou conjunto dessas peças) dotada de pás ou
aletas chamada de roto. São exemplos de bombas rotodinâmicas as conhecidíssimas bombas
centrífugas e de bombas volumétricas as de êmbolo ou alternativas e as rotativas (figura
abaixo).
Esquemas de bombas volumétricas
Resumindo:
Bombas Hidráulicas são máquinas motrizes que recebem energia potencial de um
motor ou de uma turbina, e transforma parte dessa energia em potência:
 Energia de pressão (força): Bombas de Deslocamento Direto
 Energia cinética: Bombas Cinéticas
As bombas cedem estas duas formas de energia ao
fluido bombeado, para fazê-lo recircular ou
transportá-lo de um ponto a outro.
• TIPOS DE BOMBAS HIDRÁULICAS
 BOMBAS VOLUMÉTRICAS OU DE
33

34. DESLOCAMENTO POSITIVO: o órgão fornece energia ao fluido em forma de
pressão. São as bombas de êmbulo ou pistão e as bombas diafragma. O intercâmbio de
energia é estático e o movimento é alternativo.
. Bombas de Pistão
Funcionam através da ação de um pistão sob uma porção de fluido presa em uma
câmara. Quando o pistão se move, o fluido é impulsionado para fora. Desse modo, a energia
do pistão é transferida para o fluido. As bombas de pistão podem ser:
- Um único pistão: Simplex
- Dois pistões: Duplex
- Muitos pistões
Quando utilizar as bombas de pistão?
- quando um fluido vaporiza, ou pode eventualmente vaporizar nas condições do processo;
- com altas pressões de descarga, atingindo valores bem acima das bombas centrífugas: até
2.000 atm ;
- como bombas dosadoras.
Bombas de Diafragma
Funcionam através do movimento hidráulico
de um pistão sob uma membrana flexível, chamada de
diafragma,
que serve
para reter
uma
porção de
fluido em
seu
interior e
expulsá-lo
no
movimento inverso do pistão. Possui válvulas de
admissão e de descarga.
. Quando utilizar as bombas de diafragma?
- quando o fluido é corrosivo, pois simplifica o material de construção;
- com altas pressões de descarga, atingindo valores bem acima das bombas centrífugas: até
150 kgf / cm2
- como bombas dosadoras.
 BOMBAS CENTRÍFUGAS
Bombas Centrífugas são bombas hidráulicas que têm como princípio de
funcionamento a força centrífuga através de palhetas e impulsores que giram no interior de
uma carcaça estanque, jogando líquido do centro para a periferia do conjunto girante.
Portanto, funcionam através do movimento rotativo de engrenagens (lóbulos, palhetas ou
fusos), que retém o fluido no espaço formado entre a carcaça e as engrenagens.
34

35. Descrição
Constam de uma câmara fechada,
carcaça, dentro da qual gira uma peça, o
rotor, que é um conjunto de palhetas que
impulsionam o líquido através da voluta
(Figura acima). O rotor é fixado no eixo da
bomba, este contínuo ao transmissor de
energia mecânica do motor. A carcaça é a
parte da bomba onde, no seu interior, a
energia de velocidade é transformada em
energia de pressão, o que possibilita o líquido
alcançar o ponto final do recalque. É no seu
interior que está instalado o conjunto girante
(eixo-rotor) que torna possível o
impulsionamento do líquido.
A carcaça pode ser do tipo voluta ou
do tipo difusor. A de voluta é a mais comum podendo ser simples ou dupla (Figura abaixo).
Como as áreas na voluta não são simetricamente distribuídas em torno do rotor ocorre uma
distribuição desigual de pressões ao longo da mesma. Isto dá origem a uma reação
perpendicular ao eixo que pode ser insignificante quando a bomba trabalhar no ponto de
melhor rendimento, mas que se acentua à medida que a máquina sofra redução de vazões,
baixando seu rendimento. Como consequência deste fenômeno tem para pequenas vazões,
eixos de maior diâmetro no rotor. Outra providência para minimizar este empuxo radial é a
construção de bombas com voluta dupla, que consiste em se colocar uma divisória dentro da
própria voluta, dividindo-a em dois condutos a partir do início da segunda metade desta, ou
seja, a 180o do início da "voluta externa", de modo a tentar equilibrar estas reações duas a
duas, ou minimizar seus efeitos (volta dupla figura acima).
Para vazões médias e
grandes alguns fabricantes optam
por bombas de entrada bilateral
para equilíbrio do empuxo axial e
dupla voluta para minimizar o
desequilíbrio do empuxo radial. A
carcaça tipo difusor não apresenta
força radial, mas seu emprego é
limitado a bombas verticais tipo
turbina, bombas submersas ou horizontais de múltiplos estágios e axiais de grandes vazões. A
carcaça tipo difusor limita o corte do rotor de modo que sua faixa operacional com bom
rendimento torna-se reduzida.
Principais Componentes de uma Bomba Hidrodinâmica
∅ Rotor: órgão móvel que fornece energia ao fluido. É responsável pela formação de uma
depressão no seu centro para aspirar o fluido e de uma sobre pressão na periferia para
recalcá-lo.
∅Difusor: canal de seção
crescente que recebe o
fluido vindo do rotor e o
encaminha à tubulação de
recalque. Possui seção
crescente no sentido do
escoamento com a
35

36. finalidade de transformar a energia cinética em energia de pressão; são aletas estacionárias
que oferecem ao fluido um canal de área crescente desde o rotor até a carcaça.
∅ Voluta: o rotor descarrega fluido num canal de área de seção reta contínua e crescente.
Aumentando a área, a velocidade diminui, reduzindo assim a formação de turbilhões.
Saída em caracol (difusor).
Classificação das Turbo-bombas
 Quanto à trajetória do fluido dentro do rotor
a) Bombas radiais ou centrífugas: o fluido entra no rotor na direção axial e sai na direção
radial. Caracterizam-se pelo recalque de pequenas vazões em grandes alturas. A força
predominante é a centrífuga. Pelo fato das bombas centrífugas serem as mais utilizadas, será
abordado, neste material, todo o seu princípio de funcionamento e critérios de seleção.
b) Bombas Axiais: o fluido entra no rotor na direção axial e sai também na direção axial.
Caracterizam-se pelo recalque de grandes vazões em pequenas alturas. A força predominante
é a de sustentação.
Corte de uma bomba de monoestágio
 Quanto ao número de entradas para a aspiração e sucção
a) Bombas de sucção simples ou de entrada unilateral: a entrada do líquido se faz através de
uma única boca de sucção.
b) Bombas de dupla sucção: a entrada do líquido se faz por duas bocas de sucção,
paralelamente ao eixo de rotação. Esta configuração equivale a dois rotores simples montados
em paralelo. O rotor de dupla sucção apresenta a vantagem de proporcionar o equilíbrio dos
empuxos axiais, o que acarreta uma melhoria no rendimento da bomba, eliminando a
necessidade de rolamento de grandes dimensões para suporte axial sobre o eixo.
36

37.  Quanto ao número de rotores dentro da carcaça
a) Bombas de simples estágio ou unicelular: a bomba possui um único rotor dentro da
carcaça. Teoricamente é possível projetar uma bomba com um único estágio para qualquer
situação de altura manométrica e de vazão. As dimensões excessivas e o baixo rendimento
fazem com que os fabricantes limitem a altura manométrica para 100 m.
b) Bombas de múltiplo estágio: a bomba possui dois ou mais rotores dentro da carcaça. É o
resultado da associação de rotores em série dentro da carcaça. Essa associação permite a
elevação do líquido a grandes alturas (> 100 m), sendo o rotor radial o indicado para esta
associação.
 Quanto ao posicionamento do eixo
a) Bomba de eixo horizontal: é a concepção construtiva mais comum.
b) Bomba de eixo vertical: usada na extração de água de poços profundos.
 Quanto ao tipo de rotor
a) Rotor aberto: usada para bombas de pequenas dimensões. Possui pequena resistência
estrutural. Baixo rendimento. Dificulta o entupimento, podendo ser usado para bombeamento
de líquidos sujos.
b) Rotor semiaberto ou semifechado: possui apenas um disco onde são afixadas as palhetas.
c) Rotor fechado: usado no bombeamento de líquidos limpos. Possui discos dianteiros com as
palhetas fixas em ambos. Evita a recirculação da água, ou seja, o retorno da água à boca de
sucção.
 Quanto à posição do eixo da bomba em relação ao nível da água.
37

38. a) Bomba de sucção positiva: o eixo da bomba situa-se acima do nível d’água do reservatório
de sucção.
b) Bomba de sucção negativa ou afogada: o
eixo da bomba situa-se abaixo do nível d’água do reservatório de sucção.
Bombas Rotativas de Deslocamento Positivo
Funcionam através do movimento rotativo de engrenagens (lóbulos, palhetas ou
fusos), que retém fluido no espaço entre a carcaça e as engrenagens.
.
Quando utilizar as
bombas rotativas de
deslocamento positivo?
38

39. - São utilizados para fluidos viscosos quaisquer, desde que não contenham sólidos em
suspensão. A folga entre a carcaça e a ponta da engrenagem (lóbulos, palhetas ou fusos) é
mínimo, sendo proibitiva a presença de
sólidos em suspensão e utilizando o
próprio fluido como lubrificante.
ELEMENTOS MECÃNICOS DAS
BOMBAS
 GAXETAS:
São componentes utilizados para
a vedação das bombas centrífugas. São
montadas em torno do eixo da bomba e
apertadas por um outro componente
chamado “preme-gaxetas”. Não podem
ser totalmente apertadas, devendo
permitir um vazamento em média de 40 a
60 gotas por minuto para a lubrificação e
refrigeração.
 SELOS MECÂNICOS:
São sistemas de selagem utilizados quando não se pode deixar o fluido bombeado vazar.
Permitem vazamento 100
vezes menores que as
gaxetas.
São formados por
componentes mecânicos
mais elaborados,
requerendo melhor
eficiência de lubrificação
e resfriamento, sendo
muitas vezes utilizados
outros fluidos (água,
etileno glicol), que deve
ser limpo.
39

40. São apertados somente durante
a montagem, requerendo
cuidados especiais de
manutenção.
Falhas mais comuns que
prejudicam a vedação das
bombas
-montagem e ajustes
dimensionais deficientes;
- quando se usa fluido externo:
baixo fluxo ou pressão, acarretando falta de lubrificação e refrigeração;
- quando não se usa fluido externo: gaxetas muito apertadas ou entupimento nos canais de
selagem do próprio fluido bombeado;
- golpe de pressão no bombeamento, transmitindo para a caixa de vedação, tensões paralelas
ao eixo da bomba.
 FILTROS DE SUCÇAO
São instalados na sucção das bombas para protegê-las da presença de sólidos
estranhos, que poderiam danificá-las internamente.
Com a continuidade
operacional os filtros
permanentes tendem a
limitar o fluxo para a
bomba, podendo
provocar danos
mecânicos nas
mesmas. Para facilitar
a limpeza, a maior
parte dos fabricantes
prevê um dreno no
ponto mais baixo.
 VÁLVULAS DE SEGURANÇA DE PRESSÃO
São válvulas que controlam a pressão na tubulação
automaticamente pela ação da força de uma mola. Podem ser
para pressões positivas ou para vácuo.
Sua aplicação está relacionada com as bombas hidráulicas
conforme:
- montada na linha de sucção para proteção da bomba contra
golpes de pressão;
- se a bomba for centrífuga, a válvula de segurança na
descarga não se faz necessária;
- se a bomba for de deslocamento positivo, é fundamental
haver algum tipo de proteção contra alta pressão.
Uma válvula de segurança é projetada para proteger o sistema e não para operar
permanentemente aberta.
40

41.  OPERAÇÃO DE BOMBAS HIDRÁULICAS PARTIDA:
. Se a bomba estiver partindo pela primeira vez:
- verificar o nível do lubrificante;
- verificar se o aterramento está conectado;
- verificar se a proteção do acoplamento está instalada;
- verificar se a drenagem da base está desobstruída;
- verificar o sistema de selagem;
- se o trabalho for a quente, abrir o sistema de aquecimento.
. Antes da partida:
- se o produto tem a tendência de cristalizar ou possui sólidos em suspensão, manter abertas as
linhas de aquecimento e de resfriamento da selagem por uns 15 minutos:
- abrir toda a válvula de sucção;
- verificar a presença de líquido na bomba;
- verificar se existe algum vazamento no selo;
- partir a bomba com a válvula de descarga fechada e observar a elevação da pressão
(SOMENTE PARA BOMBAS CENTRÍFUGAS);
- abrir lentamente a válvula de descarga, evitando mantê-la fechada por muito tempo
(SOMENTE PARA BOMBAS CENTRÍFUGAS).
. Após a partida:
- verificar se há vazamentos na vedação;
- verificar se há ruídos anormais, principalmente
na região do selo;
- verificar se há vibrações anormais.
* Observações:
- partir com a válvula de sucção fechada danifica
a bomba;
- partir com a válvula de descarga aberta, provoca
picos de amperagem, que deve desarmar o motor
elétrico (SOMENTE PARA BOMBAS
CENTRÍFUGAS).
 VAZÃO MÍNIMA DE OPERAÇÃO
Para bombas centrífugas, a recomendação é de valores em torno de 50% do BEP
(Best Efficiency Point – Ponto de Melhor Eficiência). Entretanto, muitos fabricantes
estabelecem valores em torno de 5 a 20% da vazão do BEP. Se uma bomba operar
continuamente com vazões abaixo dos valores mínimos recomendados, haverá danos
mecânicos, na bomba, produzido pela elevação da temperatura até a vaporização do fluido.
 ESCORVA:
As bombas centrífugas não são capazes, normalmente, de aspirar o fluido quando
esse se encontra abaixo da sua linha. Nesse caso é necessário encher a bomba manualmente
antes da partida. Esse procedimento chama-se escorva. Para que a escorva seja realizada é
preciso que exista uma válvula de retenção no início da tubulação. Se a escorva for aquecida,
a bomba não parte.
 PRESSÃO DE VAPOR:
A temperatura na qual um líquido ferve é chamada de Ponto de Ebulição (PE). O
ponto de ebulição por sua vez, varia com a pressão atmosférica. Assim, quanto menor a
pressão, menor o PE. Então, a fervura de qualquer líquido varia com a pressão atmosférica.
41

42. Gráfico da fervura da água, do
éter etílico e do álcool etílico,
variando com a pressão:
PRESSÃO DE VAPOR é a
pressão na qual um líquido ferve.
Todo líquido tem a sua pressão de
vapor que varia com a
temperatura.
Conclusões:
- se a pressão de sucção abaixar, o
líquido bombeado pode ferver e se
tornar vapor;
- temperaturas baixas evitam a
fervura de líquidos.
# O FENÔMENO DA CAVITAÇÃO
Descrição do fenômeno
Como qualquer outro líquido, a água também tem a propriedade de vaporizar-se em
determinadas condições de temperatura e pressão. E assim sendo temos, por exemplo, entra
em ebulição sob a pressão atmosférica local a uma determinada temperatura, por exemplo, ao
nível do mar (pressão atmosférica normal) a ebulição acontece a 100oC. À medida que a
pressão diminui a temperatura de ebulição também se reduz. Por exemplo, quanto maior a
altitude do local menor será a temperatura de ebulição. Em consequência desta propriedade
pode ocorrer o fenômeno da cavitação nos escoamentos hidráulicos.
Chama-se de cavitação o fenômeno que decorre, nos casos em estudo, da ebulição
da água no interior dos condutos, quando as condições de pressão caem a valores inferiores a
pressão de vaporização. No interior das bombas, no deslocamento das pás, ocorrem
inevitavelmente rarefações no líquido, isto é, pressões reduzidas devidas à própria natureza do
escoamento ou ao movimento de impulsão recebido pelo líquido, tornando possível a
ocorrência do fenômeno e, isto acontecendo, formar-se-ão bolhas de vapor prejudiciais ao seu
funcionamento, caso a pressão do líquido na linha de sucção caia abaixo da pressão de vapor
(ou tensão de vapor) originando bolsas de ar que são arrastadas pelo fluxo. Estas bolhas de ar
desaparecem bruscamente condensando-se, quando alcançam zonas de altas pressões em seu
caminho através da bomba. Como esta passagem do gasoso-líquido é brusca, o líquido
alcança a superfície do rotor em alta velocidade, produzindo ondas de alta pressão em áreas
reduzidas. Estas pressões podem ultrapassar a resistência à tração do metal e arrancar
progressivamente partículas superficiais do rotor, inutilizando-o com o tempo.
Quando ocorre a cavitação são ouvidos ruídos e vibrações características e quanto
maior for à bomba, maiores serão estes efeitos. Além de provocar o desgaste progressivo até a
deformação irreversível dos rotores e das paredes internas da bomba, simultaneamente esta
apresentará uma progressiva queda de rendimento, caso o problema não seja corrigido. Nas
bombas a cavitação geralmente ocorre por altura inadequada da sucção (problema
geométrico), por velocidades de escoamento excessivas (problema hidráulico) ou por
escorvamento incorreto (problema operacional).
42

43. Causas da cavitação
- Filtro da linha de sucção
saturado
- Respiro do reservatório fechado
ou entupido
- Linha de sucção muito longa
- Muitas curvas na linha de
sucção (perdas de cargas)
- Estrangulamento na linha de
sucção
- Altura estática da linha de
sucção
- Linha de sucção congelada
Exemplo de defeito provocado pela cavitação: Corrosão das palhetas da bomba
Características de uma bomba em cavitação
- Queda de rendimento - Marcha irregular
- Vibração provocada pelo desbalanceamento - Ruído provocado pela implosão das bolhas
Como evitar a cavitação
Primeiramente, elaborando-se um bom projeto para a linha de sucção. Segundo,
aplicando-se uma manutenção preventiva.
• NPSH , Conceito - Significado das Iniciais
São as iniciais do termo em inglês NET POSITIVE SUCTION HEAD, cuja
tradução para o Português, seria o equivalente a “Balanço no Topo da Sucção Positiva” ou
“Altura Livre Positiva de Sucção”.
. Significados Técnicos / Definições
→ NPSH (Net Positive Sucction Head): pressão residual com que o fluido chega na entrada
da bomba que vai fazer com que a pressão do fluido no interior da bomba não atinja a pressão
de vapor do fluido.
→ NPSH requerido: pressão requerida pela bomba para que a mesma funcione.
→ NPSH disponível: pressão com
que o fluido chega até a entrada da
bomba (energia que o tipo de
instalação fornece ao fluido).
Obs.: para que a bomba funcione
sem cavitação é necessário que o
NPSH disponível seja 10% maior
que o NPSH requerido.
# ALTURA MANOMÉTRICA
TOTAL - Conceito
Altura manométrica total é a
energia por unidade de peso que o
sistema solicita para transportar o
fluido do reservatório de sucção
para o reservatório de descarga,
com uma determinada vazão. Essa
43

44. energia será fornecida por uma bomba, que será o parâmetro fundamental para o
selecionamento da mesma. É importante notar que em um sistema de bombeamento, a
condição requerida é a vazão, enquanto que a altura manométrica total é uma consequência da
instalação.
• CURVAS CARACTERÍSTICAS DAS BOMBAS
É a representação gráfica em um eixo cartesiano da variação das grandezas
características da bomba (Figura ao lado: Representação gráfica de uma curva
característica).
De acordo com o traçado de H (altura) x Q (vazão) as curvas características podem
ser classificadas como:
• Flat - altura manométrica variando muito pouco com a variação de vazão;
• Drooping - para uma mesma altura manométrica podemos ter vazões diferentes;
• Steep - grande diferença entre alturas na vazão de projeto e a na vazão zero (ponto de shut
off);
• Rising - altura decrescendo continuamente com o crescimento da vazão.
As curvas tipo drooping são ditas instáveis e são próprias de algumas bombas
centrífugas de alta rotação e para tubulações e situações especiais, principalmente em sistemas
com curvas de encanamento acentuadamente inclinadas. As demais são consideradas estáveis,
visto que estas, para cada altura, correspondem uma só vazão, sendo a rising a de melhor
trabalhabilidade (Figura abaixo).
Tipos de curvas características
CONSUMO DE ENERGIA DAS BOMBAS
A função de uma bomba é transferir energia para o fluido, logo sua operação sempre
implica em consumo de energia.
Como minimizar o consumo de energia de uma bomba?
Basta operar considerando:
- válvulas de sucção sempre abertas;
- manter o fluido na temperatura recomendada; temperatura baixa aumenta a viscosidade,
dificultando o trabalho da bomba;
44

45. - evitar o aumento da pressão no tanque de descarga;
- minimizar o uso de recirculação;
- ajustar a vazão da bomba para o mais próximo possível do BEP;
- manter os filtros limpos;
- partir as bombas centrífugas (e somente elas) com a descarga fechada.
# TEMPERATURA DE OPERAÇÃO
Se a temperatura de operação mudar, haverá mudança na viscosidade do fluido e na
pressão de vapor. O que acontece se a temperatura de operação mudar?
- Bombas de engrenagens (e outras de deslocamento positivo) operando em altas
temperaturas: A viscosidade será baixa e haverá falta de lubrificação entre as engrenagens,
produzindo limalhas metálicas de desgaste.
- Bombas de engrenagens (e outras de deslocamento positivo) operando em baixas
temperaturas: A viscosidade será alta, dificultando a movimentação do líquido, forçando
rolamentos e mancais, desgastando essas peças.
- Bombas centrífugas operando em temperaturas altas: Risco de cavitação e danos para a
bomba.
- Bombas centrífugas operando em temperaturas baixas: A viscosidade será alta, aumentando
o consumo de energia. Se a viscosidade subir muito, o bombeamento diminui a vazão e a
bomba poderá trabalhar em vazio, podendo ser danificada por falta de refrigeração.
# ASSOCIAÇÃO DE BOMBAS HIDRÁULICAS
Muitas razões, técnicas e econômicas, levam à necessidade de se efetuar a associação
de bombas. Por exemplo: - inexistência no mercado, de bombas que possam isoladamente
atender a vazão de demanda; - inexistência no mercado, de bombas que possam isoladamente
atender a altura manométrica do projeto; - aumento da demanda (vazão) com o decorrer do
tempo.
. Tipos de Associação de Bombas
- Em Série
- Em Paralelo
 Bombas em série:
Quando a altura manométrica for muito elevada, devemos analisar a possibilidade do
emprego de bombas em série, pois esta solução poderá ser mais viável, tanto em termos
técnicos como econômicos. Como principal precaução neste tipo de associação, devemos
verificar se cada bomba a jusante tem capacidade de suporte das pressões de montante na
entrada e de jusante no interior da sua própria carcaça. Para melhor operacionalidade do
sistema é aconselhável à associação de bombas idênticas, pois este procedimento flexibiliza a
manutenção e reposição de peças.
Associação de bombas em série
 Bombas em paralelo:
É comum em sistemas de abastecimento de água, esgotamento ou serviços
industriais, a instalação de bombas em paralelo, principalmente com capacidades idênticas,
45

46. porém não exclusivas. Esta solução torna-se mais viável quando a vazão de projeto for muito
elevada ou no caso em que a variação de vazão for perfeitamente predeterminada em função
das necessidades de serviço.
No primeiro caso o emprego de bombas em paralelo permitirá a vantagem
operacional de que
havendo falha no
funcionamento em
uma das bombas, não
acontecerá a
interrupção completa
e, sim, apenas uma
redução da vazão
bombeada pelo
sistema. No caso de
apenas uma bomba
aconteceria à
interrupção total, pelo
menos temporária, no
fornecimento. Na segunda situação a associação em paralelo possibilitará uma flexibilização
operacional no sistema, pois como a vazão é variável poderemos retirar ou colocar bombas
em funcionamento em função das necessidades e sem prejuízo da vazão requerida.
Em resumo:
Teoricamente temos que bombas em série somam alturas e bombas em paralelo
somam vazões. Na prática, nos sistemas de recalque, isto dependerá do comportamento da
curva característica da bomba e da curva do encanamento, como estudaremos adiante.
 TUBULAÇÃO, VÁLVULAS E ACESSÓRIOS.
É o nome dado ao conjunto de tubos, acessórios, válvulas e dispositivos que
participam de um processo em uma área ou unidade, constituindo uma de suas partes mais
importantes. Eles compõem, juntamente com os equipamentos como torres, permutadores,
tanques e bombas, um complexo necessário ao funcionamento de uma unidade de processo.
Este é, pois, o assunto de que trataremos neste primeiro bloco de estudos.
Lembramos que, devido à grande variedade dos acessórios, aqui apresentaremos apenas
aqueles necessários para você ter uma visão geral desses elementos, tanto de modo isolado
como em conjunto com o restante dos equipamentos.
Tubos
Os tubos são elementos vazados, normalmente de forma cilíndrica e seção constante,
utilizados no transporte de fluidos, os quais podem ser líquidos, gasosos ou mistos. Para
auxiliar o deslocamento dos fluidos entre os equipamentos (vasos, torres, permutadores etc.) e
para os tanques de armazenamento, ao final do processo, são utilizadas máquinas como
bombas e compressores.
Entidades normalizadoras: Os métodos e o processo de fabricação de tubos, assim
como os materiais empregados, as dimensões a serem observadas e as possíveis aplicações
estão normalizados por entidades como as seguintes: ASA - American Standard Association
ANSI - American National Steel Institute MSS - Manufacture Standartization Society ASME
- American Society Mechanical of Engenier DIN - Dentsh Industrie Normen ASTM -
American Society for Testing Material ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas
API - American Petroleum Institute ISA - Instrumentation Standard of American
Os principais objetivos das normas elaboradas por essas entidades são:
46

47. - orientar os executores dos projetos mediante a criação de especificação e serviços
adequados; - trabalhar pela criação de métodos e padrões de fabricação;
- delimitar as responsabilidades e fixar tolerâncias de fabricação;
- estabelecer materiais e especificações de aplicações de determinadas matérias na fabricação
de tubos e seus acessórios.
Tipos de materiais dos tubos
Embora a fabricação de tubos empregue mais de 200 tipos de materiais, somente uns
40 tipos são utilizados na produção comercial. Os tubos mais usados são os de materiais
ferrosos como o aço-carbono, o aço-liga e o aço inoxidável. Os tubos de ferro fundido são
restritos às instalações de utilidade como de água, de esgoto etc.
O aço-carbono é uma liga de ferro de carbono. A percentagem de carbono, que pode
variar de 0,15 a 0,5%, determina o grau de dureza do aço. Quanto maior a percentagem de
carbono na liga, maior será a dureza e também maior a dificuldade de soldagem do aço. E a
soldagem é um dos processos de maior utilização na união de tubos a acessórios. Nas
indústrias de processamento, principalmente nas petroquímicas e petrolíferas, os tubos de aço
carbono são os mais utilizados, devido às suas excelentes qualidades mecânicas, à boa
soldabilidade e ao baixo custo. Além disso, eles podem trabalhar com água, vapor
condensado, gás e óleo a pressões e temperaturas elevadas. Mas o aço-carbono também
apresenta algumas restrições. Em temperaturas abaixo de -30°C, ele se torna quebradiço. E,
acima de 500°C, está sujeito a deformações lentas. Outras desvantagens são a baixa
resistência a fluidos e à corrosão, quando exposto a ambiente úmido. Quando é necessária a
utilização de tubulações nessas situações, o projeto estabelece a utilização de aços-ligas ou
inoxidáveis.
Os aços-ligas e os inoxidáveis podem conter cromo, níquel, molibdênio ou titânio,
dificultando a ação dos agentes que atacam o aço. Outra modalidade de defesa contra esses
agentes é a utilização de tubos galvanizados, desde que os projetistas assim o determinem.
Outros materiais empregados na fabricação dos tubos são, por exemplo:
- cobre e suas ligas; - alumínio; - chumbo; - materiais plásticos (PVC, Teflon, polietileno,
epóxi, etc.); - vidros, cerâmicas, barro, concreto; - borracha.
O cobre e suas ligas trabalham numa faixa de temperatura de 180°C até 200°C,
sendo materiais de ótima resistência à oxidação e a inúmeros fluidos corrosivos. Os tubos
fabricados com esses materiais são empregados na indústria em feixes tubulares, serpentinas
para refrigeração e serpentinas para aquecimento a vapor de baixa pressão. Já na
instrumentação, os tubos de cobre ou de ligas de cobre são aplicados em ar comprimido e para
sinais de instrumentos. No caso do alumínio, os tubos produzidos com esse material são
empregados para troca de calor e os tubos de chumbo são utilizados em tubulações de esgoto
sem pressão. Já os tubos de plástico têm utilização em casos de baixa temperatura e pressão,
uma vez que apresentam a vantagem de serem de baixo peso, baixo custo e de grande
resistência a muitos produtos corrosivos, quando comparados a materiais metálicos. Dizemos
que, em geral, os plásticos substituem os metais onde eles são fortemente atacados.
Os ácidos diluídos, por exemplo, não atacam os plásticos, mas afetam fortemente os
metais. Já os álcalis concentrados, no entanto, atacam os plásticos, mas não afetam muitos os
metais. No caso dos componentes de produtos do petróleo, por exemplo, eles podem ser
conduzidos por tubos metálicos, mas nem todos por tubos plásticos. A escolha do material
empregado nos tubos está diretamente relacionada ao projeto e às características das variáveis
do processo como: pressão, temperatura, vazão, viscosidade e outros. Os fatores que também
influenciam na escolha dos materiais dos tubos são a segurança, as cargas mecânicas, a
corrosão e os custos, entre outros.
47

48. Válvulas
Válvula é um acessório que raramente percebemos o seu funcionamento e,
normalmente, ignoramos a sua importância. Sem os sistemas modernos de válvulas, não
haveria água pura e fresca em abundância nos grandes centros, o refino e distribuição de
produtos petrolíferos seriam muito lentos e não existiria aquecimento automático nas casas.
Por definição, uma válvula é um acessório destinado a bloquear, restabelecer,
controlar ou interromper o fluxo de uma tubulação. As válvulas de hoje podem, além de
controlar o fluxo, controlar o nível, o volume, a pressão, a temperatura e a direção dos
líquidos e gases nas tubulações. Essas válvulas, por meio da automação, podem ligar e
desligar, regular, modular ou isolar.
Seu diâmetro pode variar de menos de uma polegada até maiores que 72 polegadas.
Podem ser fabricadas em linhas de produção, em bronze fundido, muito simples e disponível
em qualquer loja de ferramentas ou até ser o produto de um projeto de precisão, com um
sistema de controle altamente sofisticado, fabricada de uma liga exótica de metal para serviço
em um reator nuclear. As válvulas podem controlar fluidos de todos os tipos, do gás mais fino
a produtos químicos altamente corrosivos, vapores superaquecidos, abrasivos, gases tóxicos e
materiais radioativos. Podem suportar temperaturas criogênicas à de moldagem de metais, e
pressões desde altos vácuos até pressões altíssimas.
Em qualquer instalação deve haver sempre o menor número possível de válvulas,
compatível com o funcionamento da mesma, porque as válvulas são peças caras, onde sempre
há possibilidade de vazamentos (em juntas, gaxetas etc.) e que introduzem perdas de carga, às
vezes de grande valor. As válvulas são, entretanto peças indispensáveis, sem as quais as
tubulações seriam inteiramente inúteis.
As válvulas representam, em média, cerca de 8% do custo total de uma instalação de
processamento. A localização das válvulas deve ser estudada com cuidado, para que a
manobra e a manutenção das mesmas sejam fáceis, e para que as válvulas possam ser
realmente úteis.
Tipos de Válvulas
Existe uma grande variedade de válvulas, e, em cada tipo, existem diversos subtipos,
cuja escolha depende não apenas da natureza da operação a realizar, mas também das
propriedades físicas e químicas do fluido considerado, da pressão e da temperatura a que se
achará submetido, e da forma de acionamento pretendida.
Existe uma grande variedade de válvulas, e, em cada tipo, existem diversos subtipos,
cuja escolha depende não apenas da natureza da operação a realizar, mas também das
propriedades físicas e químicas do fluido considerado, da pressão e da temperatura a que se
achará submetido, e da forma de acionamento pretendida.
Existe uma grande variedade de tipos de válvulas, algumas para uso geral, e outras
para finalidades específicas. São os seguintes os tipos mais importantes de válvulas:
Válvulas de Bloqueio (block-valves)
a) Válvulas de gaveta (gate valves).
Esse é o tipo de válvula mais importante e de uso mais generalizado. Os principais
empregos das válvulas de gaveta são os seguintes (Válvulas de gaveta figuras):
i) Em quaisquer diâmetros, para todos os serviços de bloqueio em linhas de água, óleos e
líquidos em geral, desde que não sejam muito corrosivos, nem deixem muitos sedimentos ou
tenham grande quantidade de sólidos em suspensão. ii) Em diâmetros acima de 8” para
bloqueio em linhas de vapor. iii) Em diâmetros acima de 2” para bloqueio em linhas de ar.
48

49. São usadas para quaisquer pressões e temperaturas. Não são adequadas para
velocidades de escoamento muito altas. O fechamento nessas válvulas é feito pelo movimento
de uma peça chamada de
gaveta, que se desloca
paralelamente ao orifício
da válvula, e
perpendicularmente ao
sentido geral de
escoamento do fluido.
Quando totalmente aberta
a perda de carga causada
é muito pequena. Só
devem trabalhar
completamente abertas ou
completamente fechadas.
Quando parcialmente abertas, causam perdas de carga elevadas e também laminagem da veia
fluida, acompanhada muitas vezes de cavitação e violenta corrosão e erosão.
São sempre de fechamento lento, sendo impossível fechá-las instantaneamente: o
tempo necessário para o fechamento será tanto maior quanto maior for a válvula. Essa é uma
grande vantagem das válvulas de gaveta, porque assim controla-se o efeito dos golpes de
aríete. As válvulas de gaveta dificilmente dão uma vedação absolutamente estanque
(bubble-tight closing); entretanto, na maioria das aplicações práticas, tal vedação não é
necessária. As válvulas de gaveta, como têm o fechamento de metal contra metal, são
consideradas de segurança em caso de incêndio, desde que os metais empregados sejam de
alto ponto de fusão.
b) Válvula macho (plug, cock valves).
É o tipo de válvula cujo obturador é um macho paralelo ou cônico que gira em torno
da sua haste de modo a alinhar a sua
abertura com as aberturas do corpo.
Com apenas um quarto de volta se
faz a abertura ou o fechamento da
válvula e o fluxo é sempre suave e
ininterrupto. A passagem pode ser
integral ou reduzida e os machos
podem ser lubrificados ou não e
quando não lubrificados os machos
podem incorporar dispositivos
destinados a reduzir o atrito entre as partes móveis, com o
macho revestido com teflon e pode ainda ser do tipo fire-safe.
Nas válvulas com machos lubrificados o lubrificante
deve ser não solúvel no fluido circulante e este tipo de válvula,
com macho lubrificado, tem seu emprego destinado ao
manuseio de óleos, produtos graxos muito densos, refino de
petróleo sob altíssimas pressões, até 6000 psi e temperaturas
entre -30 e 300 °C.
Existem válvulas de macho com duas, três ou até
quatro vias. As válvulas machas representam em média cerca
de 10% de todas as válvulas usadas em tubulações industriais (figura: Válvula Macha).
49

50. Existem dois tipos gerais de Válvulas machos: válvulas com e sem lubrificação. Nas válvulas
com lubrificação há um sistema de injeção de graxa lubrificante sob pressão através do macho
para melhorar a vedação e evitar que o macho possa ficar preso; são as válvulas geralmente
empregadas em serviços com gases. O lubrificante usado deve ser tal que não se dissolva nem
contamine o fluido conduzido. O macho tem sempre rasgos para a distribuição do lubrificante
por toda superfície de contato com as sedes.
c) Válvulas de esfera (ball valves).
É a válvula de bloqueio que até pouco tempo representava a minoria das válvulas
instaladas, mas que a partir do final da década de 80 passou a ganhar o espaço perdido pelas
válvulas de gaveta, por serem mais eficientes e de menor custo. Sua principal característica é
a mínima perda de carga para os modelos de passagem plena e a baixa perda de carga para os
outros modelos devido à pequena obstrução do fluxo quando totalmente abertas.
Podemos dizer que a válvula de esfera representa uma evolução da válvula de
macho. As vantagens das válvulas de esfera sobre as de gaveta são o menor tamanho, peso e
custo, melhor vedação, maior facilidade de operação e menor perda de carga. Essas válvulas
são também melhores para fluidos que tendem a deixar depósitos sólidos, por arraste,
polimerização, coagulação etc.: A superfície interna lisa da válvula dificulta a formação
desses depósitos, enquanto que, para a válvula de gaveta, o depósito pode impedir o
fechamento completo ou a própria movimentação da gaveta. Algumas válvulas de esfera são
“à prova de fogo”, com dispositivos especiais de dupla sede garantindo perfeita vedação,
mesmo no caso de destruição dos anéis retentores, estando à válvula envolvida por um
incêndio.
Válvulas de Regulagem (throttling valves)
a) Válvulas globo (globe valves).
Válvulas globo têm esse nome universalizado devido à
forma globular concebida inicialmente no projeto de seu
corpo. Também conhecida como registro de pressão, assim
como a de agulha, presta-se a regular vazão e bloquear o
fluxo de fluidos em uma tubulação (Figura 4). Existem desde as
válvulas domésticas (a maioria das válvulas de lavatórios,
chuveiros e pias são válvulas de globo, com a vedação sendo
chamada de “carrapeta”), até
válvulas com cerca de DN
300 (12”) ou até mesmo DN 400 (16”). Seu funcionamento
para abrir ou fechar é feito manualmente por um volante fixo
à extremidade da haste e quando girada, promoverá um
movimento de translação em sentido ascendente ou
descendente do obturador acoplado à outra extremidade da
haste que atuará na sede localizada no corpo da válvula,
abrindo, fechando ou regulando a passagem do fluxo.
Existem quatro versões deste tipo de válvula, todas
elas com características comuns quanto ao funcionamento,
mas com projetos de disposição do corpo de forma tal que as
diferenciam, proporcionando assim melhores opções aos projetistas e instaladores em
montagens de tubulações. Como regra geral, as Válvulas globo devem ser instaladas de
50

51. forma que o fluido entre pela face inferior do tampão. As Válvulas globo são usadas
principalmente para serviços de regulagem e de fechamento estanque em linhas de água,
óleos, líquidos em geral (não muito corrosivos), e para o bloqueio e regulagem em linhas de
vapor e de gases. Para todos esses serviços as Válvulas globo são empregadas para quaisquer
pressões e temperaturas, em diâmetros até 8”. Não é usual o emprego de Válvulas globo em
diâmetros maiores porque seriam muito caras e dificilmente dariam uma boa vedação.
b) Válvulas de agulha (needle valves).
Também conhecida simplesmente por “válvula de agulha”, ou ainda como “globo ponta de
agulha” são as válvulas destinadas à regulagem precisa de vazão. A válvula de agulha é uma
variação das válvulas globo e, portanto de funcionamento
idêntico. Ela difere basicamente no seu elemento de vedação
(obturador) que se caracteriza pelo seu formato cônico
extremamente agudo, normalmente constituído na própria
extremidade da haste que promove os movimentos de
abertura, fechamento e principalmente regulagens. Este tipo
de válvula tem o orifício de passagem bastante reduzido em
relação à bitola da válvula para que se possa obter uma
maior precisão nas regulagens de vazão. As válvulas de
agulha são indicadas para serem utilizadas em aparelhos de
instrumentação de ar comprimido, gases e líquidos
homogêneos em geral com baixa viscosidade.
c) Válvulas borboleta (butterfly valves).
A válvula
borboleta, uma das
mais antigas, recebe
esse nome em função
da aparência se seu
oburador tem por
função a regulagem e o bloqueio do fluxo em uma
tubulação e pode trabalhar em várias posições de
fechamento parcial. O fechamento da válvula é feito
pela rotação de uma peça circular, chamada disco, em
torno de um eixo perpendicular à direção de
escoamento do fluido. Quase todas as válvulas de
borboleta têm anéis de sede em elastômeros, com quais se consegue uma excelente vedação.
As válvulas de borboleta foram originalmente concebidas como válvulas de regulagem, mas
devido ao aprimoramento da sede pode também trabalhar como válvulas de bloqueio. É
utilizada principalmente em sistemas de adução e de distribuição de água bruta ou tratada, e
em estações de tratamento de água e de esgotos e ainda é utilizada na indústria química,
petroquímica, farmacêutica e alimentícia. Podem ser usadas em serviços de alta corrosão, pois
existem válvulas com revestimento anticorrosivo tanto no corpo como na haste e no disco de
fechamento. São utilizadas em tubulações contendo líquidos, gases, inclusive líquidos sujos
ou contendo sólidos em suspensão, bem como para serviços corrosivos. As vantagens de uma
válvula borboleta são muitas, como a facilidade de montagem, construção compacta, robusta e
51

52. leve ocupando pequeno espaço, excelentes características de escoamento com alta capacidade
de vazão, baixo custo e bom desempenho como válvula de regulagem e de controle.
d) Válvulas de diafragma (diaphragm valves). Este tipo de válvula tem origem de seu
nome ligada a um componente que realiza a sua vedação: o diafragma. Trata-se de uma peça
moldada e prensada feita de borracha ou
plástico. De construção bastante simples estas
válvulas se compõem de três unidades: corpo,
diafragma e tampa. Dispensam qualquer tipo de
engaxetamento da haste. São de fácil
manutenção e normalmente dimensionadas para
trabalho contínuo por longos períodos, com
uma condição mínima de manutenção. A
geometria de seu corpo representa um perfil
angular permitindo receber vários tipos de
revestimentos, tais como: borracha, ebonite,
vidro, teflon, etc. Além disso, o mecanismo de acionamento é completamente isolado do
fluido que passa em seu corpo, evitando assim elementos como juntas e gaxetas.
As válvulas de diafragma são quase sempre válvulas pequenas (até 6”), geralmente
de materiais não metálicos ou de metais com revestimentos internos especiais contra a
corrosão (ebonite, borracha, plásticos, vidro, porcelana etc.). A temperatura limite de trabalho
da válvula está em geral na dependência do material empregado no diafragma, que varia
conforme o fluido conduzido (borracha natural, borrachas sintéticas, neoprene, teflon etc.).
Válvulas que Permitem o Fluxo em Um só Sentido
a) Válvulas de retenção (check valves).
As válvulas de
retenção caracterizam-se pela
auto-operação proporcionada
pelas diferenças de pressão
entre montante e jusante
exercidas pelo fluido em
consequência do próprio
fluxo, não havendo
necessidade da atuação do
operador. As válvulas de retenção são denominadas de
“válvulas unidirecionais” e são instaladas com a finalidade de evitar a inversão no sentido do
fluxo, o refluxo. Quando ocorre a
interrupção no fornecimento de
energia das bombas e,
consequentemente ocorre a parada do
escoamento, as válvulas de
retenção se fecham impedindo o
refluxo e retendo a coluna do
fluido na tubulação. Como função
secundária, são importantes para a manutenção da coluna de líquido durante a paralisação e
fundamentais também para se evitar que a sobre pressão causada por golpes de aríete
52

53. resultantes da parada brusca do escoamento chegue às bombas.
b) Válvulas de pé (foot valves).
São válvulas de retenção especiais para manter a escorva (linha com líquido) nas
linhas de sucção de bombas; devem ser instaladas na extremidade livre da linha, ficando
mergulhadas dentro do líquido no reservatório de sucção. Essas válvulas são semelhantes à
válvulas de retenção de levantamento, tendo geralmente no tampão um disco de material
resiliente (plásticos, borracha etc.), para melhorar a vedação. Possuem também uma grade
externa de proteção.
Válvulas que Controlam a Pressão de Montante
a) Válvulas de segurança e de alívio (safety, relif valves).
São válvulas que têm por finalidade a proteção pessoal e a proteção de linhas e
equipamentos. É uma válvula de auto-operação, usando a energia do próprio fluido para a sua
operação, abertura ou fechamento. Devem ser instaladas diretamente ligadas aos pontos a
serem protegidos e entre a tubulação e a entrada válvula de segurança/ alívio não pode nada
que possa impedir o fluxo, não pode haver uma válvula de bloqueio para manutenção e nem
mesmo uma figura oito. A passagem deve estar completamente livre entre a tubulação a ser
protegida e a válvula de segurança/alívio. O tubo de saída da válvula, o alívio, deverá
descarregar em uma área segura e completamente livre. Para ar comprimido, vapor e gases
inertes o ponto de descarga pode ser a atmosfera, em um ponto acima do local mais alto da
edificação, seguro para a presença de pessoas. Para líquidos esse ponto poderá ser o próprio
tanque que contém o fluido ou ainda um tanque destinado especialmente para esse fim.
Acessórios
Podemos dar a seguinte classificação de acordo com as finalidades e tipos dos
principais acessórios de tubulação. Não existe uma distinção muito rígida entre as
denominações “curva” e “joelho”, chamados às vezes de “cotovelos”; de um modo geral, os
acessórios de raio grande são chamados de “curvas”, e os de raio pequeno são chamados de
“joelhos”. Os acessórios de tubulação podem também ser classificados de acordo com o
sistema de ligação empregado; teremos, então.
Os acessórios rosqueados são usados normalmente em tubulações prediais e em
53

54. tubulações industriais secundárias (água, ar, condensado de baixa pressão etc.), todas até 4”.
Utilizam-se também esse acessórios nas tubulações que, devido ao tipo de material ou ao
serviço, sejam permitidas as ligações rosqueadas, tais como boa parte das tubulações de ferro
fundido, ferro forjado, materiais plásticos, cobre etc., geralmente até o limite de 4”. O
emprego desses acessórios está sujeito às mesmas exigências e limitações impostas às
ligações rosqueadas para tubos. Os acessórios de ferro fundido são empregados em
tubulações de grande diâmetro (adutoras, linhas de água e de gás) e baixa pressão, onde seja
necessário grande facilidade de desmontagem. Essas peças são fabricadas com flanges de face
plana, em duas classes de pressão (125# e 250#), abrangendo diâmetros nominais de 1” até
24”. Os acessórios flangeados de ferro fundido estão padronizados na norma P-PB-15 e
ABNT e ANSI.B.16.1, que especificam dimensões e pressões de trabalho.
Os acessórios flangeados de aço fundido, de uso bastante raro na prática, podem ser
usados em tubulações industriais, para uma grande faixa de pressões e temperaturas de
trabalho, mas o seu emprego deve ser restringido apenas aos casos em que seja indispensável
uma grande facilidade de desmontagem ou a algumas tubulações com revestimentos internos,
devido ao custo elevado, grande peso e
volume, necessidade de manutenção e
risco de vazamentos. As dimensões,
pressões, e temperaturas de trabalho
são as estabelecidas na norma
ANSI.B.16.5. Existem ainda acessórios
flangeados de muitos outros materiais,
tais como latões, alumínio, plásticos
reforçados com fibras de vidro (para
tubos “FRP” - Fiberglass Reinforced
Plastic), e também ferro com alguns tipos de revestimentos internos anticorrosivos. Nos
acessórios com revestimentos internos, o revestimento deve abranger obrigatoriamente
também as faces dos flanges, para garantir a continuidade da proteção anticorrosiva. Os
acessórios podem se classificados quanto à sua função:
 Fazer mudanças de direção em tubulações
$ Curvas de raio longo
$ Curvas de raio curto
$ Curvas de redução
$ Joelhos (elbows)
$ Joelhos de redução de 2 ½º 45º, 90º e 180º.
 Fazer derivações em tubulações
$ Tês normais (de 90º)
$Tês de 45º
$Tês de redução $ Peças em “Y”
$ Cruzetas (crosses)
$ Cruzetas de redução
$ Selas (saddles)
$Colares (sockolets, Weldolets etc.),
$ Anéis de reforço.
54

55.  Fazer fechamento da extremidade de um tubo
$ Tampões (caps)
$ Bujões (plugs)
$ Flanges cegos
Medidores de Vazão
Medidor de vazão é todo dispositivo que permite,
de forma indireta, determinar o volume de fluido que passa
através de uma dada seção de escoamento por unidade de
tempo.
O princípio de funcionamento de um medidor de
vazão pode ser baseado em um dos seguintes
fundamentos:
- Pesagem; - Efeito da força de arrasto;
- Equação da Energia.
a) Pesagem: Baseia-se no fato de que a vazão
pode ser determinada a partir do fluxo de massa
que atravessa uma seção durante o intervalo de
tempo. Os instrumentos necessários para efetuar
este tipo de medição são uma balança e um
cronômetro.
O método apresenta como restrições:
@ a necessidade de se desviar o fluxo;
@ a medição não é instantânea, isto é, requer
tempo para que uma amostra de fluido seja
coletada.
b) Efeito da força de arrasto: Baseia-se no fato da
força de arrasto ser proporcional ao quadrado da velocidade média do escoamento na seção.
Um dispositivo que emprega este método é denominado “Rotâmetro”. O Rotâmetro é
constituído por um tubo transparente cônico graduado, por onde escoa o fluido, e por um
flutuador (mais pesado que o fluido) que se posiciona dentro do tubo cônico em conformidade
com o valor da vazão.
c) Equação da Energia:
Consiste em se alterar a seção
de escoamento para que sejam
verificadas variações nos
termos da equação da energia
aplicada entre estas seções de
cada tipo de medidor. Dentre
os medidores de vazão que
empregam este fundamento
destacam-se:
c1) Vertedouro: é empregado
para medição de vazão em canais abertos. Consiste na redução da seção de escoamento
através da introdução de uma placa vertical. A vazão, obtida pela aplicação da Equação da
55

56. Energia das secções 1 e 2, é função da altura H conforme a relação:
Cw é um coeficiente obtido experimentalmente que permite
a obtenção da vazão real no vertedouro a partir da vazão
ideal obtida por meio do modelo simplificado mostrado na
figura acima.
c2) Placa de orifício (ou diafragma ou orifício de bordos delgados) c3) Bocal c4) Tubo
Venturi.
Estes três últimos dispositivos são os objetos desta experiência e serão analisados
detalhadamente nos fundamentos teóricos.
# Placa de orifício: A placa de orifício consiste
num disco com um orifício central com saída
em ângulo que deve ser montado concêntrico ao
eixo do conduto cilíndrico, provido de duas
tomadas de pressão, uma a jusante e outra a montante do disco, conforme mostra a Figura
acima do lado esquerdo.
# Tubo Venturi (figura ao lado direito).
O tubo Venturi é um dispositivo composto por: - um trecho de tubulação de entrada com
seção igual à do conduto ao qual está acoplado e onde está instalado um anel piezométrico
para medir a pressão estática nesta seção;
- uma tubeira convergente que tem por objetivo
uniformizar a distribuição de velocidade na seção
circular reduzida, chamada garganta, também munida de
um anel piezométrico para medição de pressão estática;
- uma tubeira divergente que, gradualmente, leva a seção
circular da garganta de volta à medida do conduto.
# Bocal (figura ao lado esquerdo): É um medidor
semelhante ao tubo Venturi, porém sem a tubeira
divergente, sendo também chamado tubo Venturi curto.
Vasos de Pressão
Os produtos químicos e petroquímicos a partir dos quais o homem obtém energia,
matéria-prima para a elaboração de compostos, etc., não são encontrados na natureza na
forma como precisam ser consumidos ou utilizados. Para chegar às suas características de
consumo, o produto que o homem explorou e extraiu da natureza precisa sofrer na indústria
uma série de processamentos, transformações e estocagem até a sua utilização. Na indústria, o
56

57. processamento e estocagem de muitos produtos são feitos a pressões maiores ou menores que
a atmosférica. Dessa maneira, são empregados recipientes fechados e com resistência para
suportar pressões no seu corpo, assim como temperaturas que extrapolam o ambiente. Esses
equipamentos, denominados “vasos de pressão”, por operarem normalmente sujeitos a
pressão e/ou temperaturas elevadas, são considerados equipamentos de alto risco, por
conterem grande quantidade de energia acumulada no seu interior.
A faixa de variação de pressões e de temperatura de trabalho dos vasos de pressão é
muito extensa. Existem vasos de pressão trabalhando desde o vácuo absoluto até cerca de
4.000Kg/cm2 (~400 Mpa), e desde próximo zero absoluto até temperaturas da ordem de
1500ºC. Os vasos de pressão podem ter grandes dimensões e pesos, havendo alguns com mais
de 60m de comprimento de outros com mais de 200 t de peso.
Definição: O nome vaso de pressão designa genericamente todos os recipientes estanques, de
qualquer tipo, dimensões, formato ou finalidade, capazes de conter um fluido pressurizado.
Dentro de uma definição tão abrangente inclui-se uma enorme variedade de equipamentos,
desde uma simples panela de pressão de cozinha até os mais sofisticados reatores nucleares.
Aplicações: Os vasos de pressão são todos os reservatórios destinados ao armazenamento e
processamento (transformações físicas ou químicas) de líquidos e gases sob pressão ou
sujeitos a vácuo total ou parcial. Podemos também definir os vasos de pressão como sendo
todos os reservatórios, de qualquer tipo, dimensões ou finalidade, não sujeitos a chama, que
contenham qualquer fluido em pressão manométrica igual ou superior a 1,02 kgf/cm2 ou
submetidos á pressão externa. Os vasos de pressão são empregados em três condições
distintas:
∅ Armazenamento de gases sob pressão: Os gases são armazenados sob pressão para que se
possa ter um grande peso em um volume relativamente pequeno.
∅ Acumulação intermediária de líquidos e gases: Isto ocorre em sistemas onde é necessária
armazenagem de líquidos ou gases entre etapas de um mesmo processo ou entre processos
diversos.
∅ Processamento de gases e líquidos: Inúmeros processos de transformação em líquidos e
gases precisam ser efetuados sob pressão.
A construção de um vaso de pressão envolve uma série de cuidados especiais
relacionados a seu projeto, fabricação, montagem e testes. Isto porque um vaso de pressão
representa:
∅ Grande risco: Normalmente opera com grandes pressões e temperaturas elevadas.
∅ Alto investimento: E um equipamento de custo unitário elevado.
∅ Continuidade Operacional: Deve-se operar por um máximo período possível em
condições de segurança, sem a necessidade de parar o equipamento para manutenção,
reduzindo os custos operacionais.
Classificação dos Vasos de Pressão
Podemos fazer a seguinte classificação dos vasos de pressão
 Vasos não sujeitos a Chama.
∅ Vasos de armazenamento e de acumulação.
∅ Torres de destilação fracionada, retificadora, absorvedora e etc.
∅ Reatores diversos
∅ Esferas de Armazenamento de gases
∅ Permutadores de calor.
Vasos sujeitos a chama.
57

58. ∅ Caldeiras ∅ Fornos
 Quanto à pressão de operação os vasos podem ser classificados quanto a sua pressão de
operação em:
∅ Vasos atmosféricos 0 a 0,5 psig; 0 a 0,035 kg/cm2; 0 a 0,3 atm.
∅ Vasos de baixa pressão 0,5 a 15 psig 0,033 a 1,054 kg/cm2 0,033 a 0,1020 atm.
∅ Vasos de alta pressão15 a 3000 psig 1,054 a 210,81kg/cm2 1,020 a 204,07 atm.
 Quanto à posição de instalação (dimensão em relação do solo): Baseando-se na posição
em que essas três dimensões estão em relação ao solo, podemos classificar os vasos de
pressão como mostrado a seguir:
∅ Cilíndrico Vertical: DI e DE, paralelos em relação ao solo e CET, perpendicular ao solo.
∅ Cilíndrico inclinado: DE, Dl, CET, inclinados em relação ao solo.
∅ Cilíndrico horizontal: DE, DI perpendiculares ao solo e CET, paralelo ao solo.
∅ Esférico: Quando a dimensão CET não pode ser definida.
O comprimento entre tangentes (CET) é o comprimento total do corpo cilíndrico, ou
a soma dos comprimentos dos corpos cilíndricos e cônicos sucessivos. As linhas de tangência,
que limitam o comprimento entre tangentes, são linhas traçadas próximo a ambos os extremos
do casco, na tangência entre o corpo cilíndrico e os tampos de fechamento.
Descrição: A variedade de tipos e detalhes de peças internas em vasos de pressão é muito
grande, dependendo essencialmente do serviço para o qual o vaso se destina. Todas as peças
internas que devem ser desmontáveis (grades, bandejas, distribuidores, defletores, extratores
de névoa, etc.) devem ser obrigatoriamente subdivididas em seções, de tal maneira que cada
seção possa passar com facilidade através das bocas de visita dos vasos.
a) Componentes estruturais:
i) Casco  O casco dos vasos de pressão tem sempre o formato de uma superfície de
revolução. Quase todos os vasos, com raras exceções, tem o casco com uma das três formas
básicas: cilíndricas, cônicas e esféricas, ou combinações dessas formas.
ii) Tampos  São peças de fechamento dos cascos cilíndricos dos vasos de pressão. Os
tampos podem ter vários formatos, dos quais os mais usuais são os seguintes: semielípticos,
toro-esféricos, cônicos, hemisférico e plano. A escolha do tipo de tampo é função de
determinados fatores.
b) Abertura e Reforços Todos os vasos de pressão têm sempre várias aberturas com diversas
finalidades.
1 – Bocais: São as aberturas feitas nos vasos para:
• Ligação com tubulações de entrada e saída de produto.
• Instalação de instrumentos, drenos e respiros.
Bocas de Visita: São as portas de acesso ao interior dos vasos. Na maioria dos casos as bocas
de visita são construídas de modo similar a um bocal flangeado, sendo a tampa um flange
cego. São componentes colocados nas aberturas de diâmetro maior, de forma a compensar a
perda de massa resistente dessas aberturas. Podem ainda existir aberturas para permitir a
ligação entre o corpo do vaso e outras panes do mesmo vaso; por exemplo, ligação a potes de
drenagem.
c) Acessórios externos dos vasos de pressão  Os vasos de pressão podem ter diversos tipos
de acessórios externos, dentre os quais podemos citar como exemplo: i) Com anel de reforço,
ii) Com chapa de maior espessura; iii) Com peça forjada integral; iv) Reforço de vácuo;
v) Anéis de suporte de isolamento térmico externo; vi) Chapas de ligação, orelhas ou
cantoneiras para suportes de tubulação, plataformas, escadas ou outras estruturas; vii)
Suportes para turcos de elevação de carga; viii) Turcos para as tampas de bocas de visita e
outros flanges cegos.
d) Suportes  Existem vários tipos de estruturas de suporte, tanto para vasos verticais como
58

59. para horizontais. A maioria dos vasos horizontais são suportados em dois berços (selas),
sendo que para permitir a dilatação do vaso, em um dos berços os furos para os chumbadores
são ovalados. i) Reforços para vácuo, ii) Suportes para isolamento no fundo; iii) Suportes para
isolamento térmico; iv) Orelhas para fixar escadas ou plataformas.
Os vasos verticais são usualmente sustentados por uma “saia” de chapa, embora
vasos verticais de pequenas dimensões possam também ser sustentados em sapatas ou
colunas. As torres devem ser suportadas por meio de saias. A saia de suporte deve ter um
trecho com 1000 mm de comprimento a partir da ligação com o vaso, com o mesmo material
do casco.
 TROCADORES DE CALOR
Troca Térmica Quando falamos em transmissão de calor, estamos falando em transferir
energia térmica de um sistema para outro ou para parte de outro sistema, e isto é feito através
de um equipamento chamado de trocador de calor ou permutador de calor.
Trocador de Calor ou Permutador De Calor
São equipamentos estáticos, onde se processa a troca térmica através da interface
metálica de um tubo ou um feixe
tubular, acondicionado em um
invólucro metálico chamado de
casco. Figura abaixo esquema
básico de um trocador de calor.
Classificação dos Trocadores
de Calor  De uma forma
geral podemos classificar os
trocadores de diversas maneiras:
@ Quanto ao processo de troca; @ Quanto ao nº de fluidos;
@ Tipo de construção.
 Classificação de acordo o Processo de Transferência
Este por sua vez se divide em dois tipos:
@ Contato Direto @ Contato Indireto.
a) Contato Indireto
Neste tipo de trocador, os fluidos
permanecem separados e o calor é transferido
continuamente através de uma parede, pela qual se
realiza a transferência de calor. E eles se classificam
em trocadores de transferência direta e de
armazenamento.
1 – Trocadores de transferência direta  Neste tipo
há um fluxo continuo de calor do fluido quente ao
fluido frio através de uma parede que os separa. Não
há mistura entre eles, pois cada corrente permanece em
passagens distintas, e os principais tipos são os de
placas de superfície estendida e os tubulares. que será
objeto de nossos estudos (figura ao lado).
2 – Trocador de armazenamento
Neste tipo os fluidos percorrem alternadamente as mesmas passagens, e a superfície
59

60. de transferência é chamada de matriz (figura do lado direito).
b) Contato Direto
Neste trocador os fluidos se misturam, além de troca térmica há também a
transferência de massa, sua aplicação esta limitada a fluidos permissíveis.
Classificação de acordo a construção
Estes se classificam em tubular e tipo placa. Os tubulares se subdividem em casco e
tubo, tubo duplo e serpentina.
a)
Tubular
1 – Tipo Casco Tubo
Construído de tubos circulares, trabalham com líquido-líquido (um ou duas fases),
tem grande eficiência com gás – gás principalmente a elevadas temperaturas e pressões,
60

61. podem ser carcaça-tubo, duplo tubo ou espiral.
2 – Tipo Tubo Duplo
Consiste em dois tubos concêntricos, de construção simples onde um fluido escoa
pelo tubo interno e o outro pela parte anular entre tubos em contra fluxo ou contra corrente,
geralmente usado para pequenas capacidades.
3 – Tipo Serpentina
Este tipo consiste de uma ou mais serpentinas ordenada em uma carcaça, possui alta eficiência
e as expansões térmicas não são problemas, porém a limpeza é complicada.
b) Trocador de placas
Este tipo é normalmente construído com placas planas lisas ou com ondulações. Não
suportam grandes pressões nem altas temperaturas comparando aos tubulares.
Materiais de Construção dos Trocadores de Calor
a) Tubos: são geralmente de aço carbono comum, quando o meio não é agressivo.
Conforme a agressividade do meio emprega-se:
@ Aços liga (4 - 6% Cr) @Aços inoxidáveis - (Cr-Ni ou Cr -Ni-Mo)
@ Latões (Cu-Zn), bronze (Cu-Sn) @ ligas de Cu-Ni, alumínio, duplex,
b) Casco: geralmente é feito de aço carbono, em chapas, que são calandradas e soldadas, no
caso de não haver tubo nas dimensões desejadas.
Escolha do Tipo de Fluido
O permutador já está para receber determinados líquidos nos tubos e no casco. Isto é
escolhido pelo projetista do permutador de calor. Não há regras fixas que estabeleçam qual o
tipo de fluido deve passar pelos tubos.
@ Quem passa por onde:
a) Líquidos sujos, carregando material em suspensão, porque é mais fácil remover a sujeira
dos tubos do que do casco;
b) Líquidos corrosivos, porque é mais fáci1 substituir os tubos furados do que o casco;
c) Líquidos de alta pressão. O casco não é construído para resistir a pressões muito altas.
d) Água de refrigeração, por facilidade de limpeza;
e) Vapor d'água, porque a água de condensação pode ser arrastada.
f) Fluidos que passam no casco,
g)Vapores em grande, volume, porque a condensação dos vapores provoca turbulência,
aumentando a troca de calor;
h) Líquidos que, passando pelo permutador, devem ter baixa queda de pressão.
i) Entre os líquidos de propriedades semelhantes, deve passar pelos tubos aquele de maior
pressão, maior temperatura e o mais corrosivo.
Instrumentações de Controle
A instrumentação relacionada com o permutador de calor está localizada nas
tubulações de entrada e saída do mesmo. Essa instrumentação varia com a finalidade do
permutador no processamento.
Operações em um Trocador de Calor
@ Recomendações Gerais
1 – Condições de Segurança  A temperatura e a pressão limites, nas quais devem trabalhar
os tubos e o casco, estão especificadas na chapinha do fabricante presa ao permutador. Elas
não devem ser ultrapassadas. Assim, nos resfriadores, a temperatura de saída não deve
61

62. exceder de certo valor (70°C) para evitar deposição de sais.
2 – Aquecimento e Resfriamento  Tanto na partida como na parada, os permutadores de
calor devem ser aquecidos ou resfriados lentamente. Isto é particularmente importante quando
as temperaturas de operação são elevadas. A rápida entrada de um líquido a alta temperatura
pode provocar desigualdades de expansão nos tubos, causando vazamento nos mesmos e
deformação do feixe.
3 – Partida  Entra primeiro o fluido mais frio. Se o fluido mais frio está ligeiramente
quente, então, deixa-se o mesmo entrar lentamente. Quanto mais quente o fluido, mais lenta
deve ser a sua passagem pelo permutador de calor.
4 – Parada  Primeiro fecha-se a entrada do flui do mais quente. Se isto não for observado,
pode haver vazamento nos tubos, O mesmo pode acontecer na partida, se não entrar primeiro
o fluido mais frio.
5 – Suprimento de água  Falha no suprimento de água do resfriador pode trazer sérias
consequências. Quando o fluido a esfriar é muito quente, a interrupção da água provoca um
grande aquecimento, do aparelho. Se a água volta a circular, haverá um resfriamento brusco
do permutador. Esta mudança rápida de temperatura afrouxa parafusos e abre as juntas. Por
isso é necessário um fluxo contínuo de água.
6 – Condensado  Sempre se deve drenar a água de um ebulidor ou aquecedor, para evitar o
fenômeno chamado martelo hidráulico. Isto pode ser explicado da seguinte maneira: supondo-
se água acumulada nos tubos do ebulidor e abrindo-se a válvula do vapor d’água, este vai
conduzir a água a uma grande velocidade até encontrar um obstáculo, provocando um grande
choque. Este impacto severo (martelo hidráulico) pode causar ruptura de material.
Operações de Manutenção
@ Intervenções básicas
1 – Perda de Eficiência:
a) O permutador está sujo e, neste caso, não há eficiente troca calor.
b) O carretel ou a tampa do flutuante não estão instalados corretamente; assim sendo, o
caminho do fluido dentro do permutador não se processa de acordo com o projetado.
c) A tubulação que se liga ao permutador não dá a vazão para a qual o aparelho foi Projetado.
d) As condições de operação diferem daquelas para as quais o permutador foi projetado.
2 – Limpeza:
– A eficiência do permutador de calor depende da limpeza dos tubos. Durante a operação,
sujeira se acumula dentro e fora dos tubos prejudicando grandemente a troca de calor, como
também aumentando a queda de pressão do fluido. Essa sujeira é formada por depósitos de
sais, ferrugem, coque, pó de coque, fibras vegetais, camadas de graxa, corpos de
microrganismos etc.
– Há vários métodos de limpeza por vapor, limpeza mecânica e por inversão de fluxo.
3 – Limpeza a vapor  Por este processo o permutador de calor não precisa ser desmontado
passa-se vapor pelo casco e pelos tubos, entrando por um respiradouro e carregando a sujeira,
por um dreno. Esse método é eficiente para remover camadas de graxa ou depósitos
agregados frouxamente nos tubos ou no casco do permutador de calor.
4 – Limpeza Mecânica
– Usando este método, o permutador de calor necessita ser desmontado. A turma de
manutenção deve retirar a tampa do carretel, a tampa do casco e a tampa do flutuante.
– Camadas de graxa, lama e sedimentos frouxos podem ser removidas dos tubos por meio de
arames, escovas ou jatos de água.
– Se os sedimentos estão duramente agregados nos tubos, entupindo-os, então usam-se
máquinas perfuratrizes. Existem tipos variados dessas máquinas. Constam, essencialmente, de
um eixo metálico que, girando dentro dos tubos, expulsa os sedimentos. Muitas vezes
62

63. acontece que um feixe de tubos está muito sujo e numa parada não haverá tempo suficiente
para limpá-lo. Então, retira-se o feixe de tubos do permutador e substitui-se por outro.
5 – Inversão de Fluxo  De acordo com a prática de operação deve-se fazer a inversão de
fluxo por algum tempo, provocando assim a retirada das sujeiras acumuladas. Normalmente,
esta inversão só ocorre em trocadores com água salgada.
6 – Limpeza Química  É um método pouco empregado, mas dependendo do fluido e das
análises químicas da sujeira, pode se fazer a limpeza com um solvente adequado.
7 – Vazamentos  Depois que um permutador de calor entra em serviço o feixe de tubos
podem apresentar vazamentos. Isto é constatado pela mistura do fluido que passa nos tubos
com o fluido correndo no casco. Os vazamentos geralmente ocorrem num dos seguintes
lugares:
a) junção dos tubos no espelho fixo;
b) junta entre o espelho flutuante e a tampa do flutuante;
c) junções dos tubos no espelho flutuante;
d) paredes dos tubos.
 OPERAÇÕES DE SEPARAÇÃO ENTRE SÓLIDO E LÍQUIDO (Decantação,
sedimentação e Centrifugação).
Decantação e Sedimentação
A etapa de separação entre sólido líquido está entre as operações unitárias mais
importantes que hoje são empregadas em indústrias químicas, têxteis, farmacêuticas, no
beneficiamento de minério, bem como no processamento de alimentos, tratamento de água e
resíduos, entre outras, pois muitos dos produtos industriais são suspensões de sólidos em
líquidos. Existem dois critérios de classificação dos métodos de separação:
a) Quanto ao movimento relativo das fases.
1 – Decantação  onde o sólido se move através do líquido em repouso. Esta pode ser
subdividida de acordo com a concentração da suspensão. A clarificação de líquidos envolve
suspensões diluídas e tem como objetivo obter a fase líquida com um mínimo de sólidos. O
espessamento de suspensões visa obter os sólidos com um mínimo de líquido, partindo de
suspensões concentradas.
2 – Filtração  operação na qual o líquido se move através da fase sólida estacionária.
b) Quanto à força propulsora. As operações são gravitacionais, centrífugas, por diferença de
pressão ou eletromagnéticas. Então, com a combinação destes critérios, tem-se a seguinte
divisão:
∅ Separação por decantação:
– Clarificação de líquidos – Espessamento de suspensões – Lavagem de sólidos
∅ Decantação invertida (Flotação), ∅ Separação centrífuga, ∅ Filtração.
Separação por Decantação (Sedimentação Gravitacional)
Definida como o movimento de partículas no seio de uma fase fluida, provocado pela
ação da gravidade. Geralmente as partículas sólidas são mais densas que o fluido. O caso em
particular que será estudado é o de partículas sólidas que decantam através de uma fase
líquida, apesar de haver decantação de sólidos ou líquidos em gases. A decantação pode ter
como objetivo a clarificação do líquido, o espessamento da suspensão ou ainda a lavagem dos
sólidos.
∅ Clarificação do líquido: tem-se inicialmente uma suspensão com baixa concentração de
sólidos para obter um líquido com um mínimo de sólidos.
∅ Espessamento da suspensão: inicialmente se tem uma suspensão concentrada para obter os
sólidos com uma quantidade mínima possível de líquido. Geralmente tem a finalidade de
reduzir o tamanho de filtros ou de centrífugas. Um decantador pode funcionar como
63

64. clarificador ou espessador.
∅ Lavagem dos sólidos: é a passagem da fase sólida de um líquido para outro, para lavá-la
sem filtrar (operação mais dispendiosa). Esse processo pode ser realizado em colunas onde a
suspensão alimentada pelo topo é tratada com um líquido de lavagem introduzido pela base. A
decantação das partículas sólidas realiza-se em suspensão de concentração praticamente
constante. Porém são operações instáveis, pois existem escoamentos preferenciais intensos
causados pelas diferenças locais de concentração. Uma alternativa é utilizar decantadores em
série operando em contracorrente.
Tipos de Decantação
A decantação pode ser livre ou retardada. No primeiro tipo as partículas encontram-
se bem afastadas das paredes do recipiente e a distância entre cada partícula é suficiente para
garantir que uma não interfira na outra. Para que a sedimentação seja “livre” o número de
colisões entre as partículas não pode ser exagerado, portanto pode-se ter sedimentação livre
em suspensões concentradas. A decantação retardada ou ainda decantação com interferência
ocorre quando as partículas estão muito próximas umas das outras, sendo muito frequente o
número de colisões. De um modo geral os fatores que controlam a velocidade de decantação
do sólido através do meio resistente são:
– as densidades do sólido e do líquido; – o diâmetro e a forma das partículas;
– a viscosidade do fluido.
A viscosidade do fluido é influenciada pela temperatura, logo, dentro de certos
limites, é possível aumentar a velocidade de decantação através do aumento da temperatura.
Porém, o diâmetro e as densidades são fatores mais importantes. É possível, antes da
decantação, realizar uma etapa visando o aumento das partículas.
A digestão e a floculação são dois métodos utilizados com o objetivo de aumentar o
tamanho das partículas sólidas antes da decantação, etapa essencial no caso de sistemas
coloidais (dispersão onde as partículas do disperso apresentam tamanho médio entre 1 e
100nm, exemplo: gelatina ou amido em água), pois neste estado a decantação é impossível,
uma vez que o movimento browniano (movimento aleatório de partículas macroscópicas num
líquido como consequência dos choques das moléculas do líquido nas partículas) e a repulsão
elétrica entre as partículas anulam a ação da gravidade. A digestão consiste em deixar a
suspensão em repouso até que as partículas finas sejam dissolvidas enquanto as grandes
crescem à custa das pequenas, na qual é utilizada no caso de precipitados. Isto ocorre devido a
maior solubilidade das partículas menores com relação às maiores.
A floculação consiste em aglomerar as partículas à custa de forças de Van Der Waals
(força de atração entre as moléculas), dando origem a flocos de maior tamanho que o das
partículas isoladas. Dois fatores estão relacionados com o grau de floculação de uma
suspensão:
a) A probabilidade de haver o choque entre as várias partículas que vão formar o floco, que
depende da energia disponível das partículas em suspensão. Portanto, uma agitação branda
favorece os choques, aumentando o grau de floculação. Entretanto, a agitação não pode ser
intensa devido a possível desagregação dos aglomerados formados;
b) A probabilidade de que, depois da colisão, elas permaneçam aglomeradas. O uso de
agentes floculantes aumenta a probabilidade dos aglomerados recém-formados não se
desagregarem espontaneamente, são eles:
1 – Eletrólitos  neutralizam a dupla camada elétrica existente nas partículas sólidas em
suspensão, eliminando dessa forma as forças de repulsão que favorecem a dispersão. Assim as
partículas podem aglomerar-se, formando flocos de dimensões convenientes. O poder
aglomerante do eletrólito é diretamente proporcional a valência dos íons (regra de Hardy-
Shulze).
64

65. 2 – Coagulantes  provocam a formação de precipitados gelatinosos capazes de arrastar
consigo, durante a decantação, as partículas finas existentes em suspensão, como por exemplo
na clarificação de águas, na qual é muito utilizado sais de alumínio (sulfato de alumínio) e de
ferro.
3 – Agentes Tensoativos  decantam arrastando consigo os finos de difícil decantação.
4 – Polieletrólitos  são polímeros de cadeias longas com um grande número de pontos
ativos nos quais as partículas sólidas se fixam, formando flocos.
A escolha do melhor floculante deve ser feita experimentalmente para cada caso
específico. A separação entre sólido e líquido através do método de sedimentação
gravitacional é aplicada há bastante tempo. Antigamente utilizavam-se recipientes ou poços
(processo em batelada) principalmente para a clarificação de líquidos extraídos tais como
vinho ou azeite.
O processo em batelada é ainda praticado em indústrias que apresentam um baixo
fluxo, porém plantas industriais maiores requerem a implantação de uma operação contínua.
A tendência de implantar os processos contínuos começou no final do século XIX quando
alguns processos de beneficiamento cresceram rapidamente, como por exemplo, o
beneficiamento de minério de ferro e de carvão.
Em tratamento de água, a finalidade da decantação (clarificação) é transformar as
impurezas que se encontram em suspensão fina, em estado coloidal ou em solução; bactérias,
protozoários e o plâncton, em partículas maiores (flocos) que possam ser removidas por
decantação e filtração. A clarificação representa uma parte bastante delicada e importante do
tratamento de água e, se ela for falha, podem-se ter problemas bastante sérios nas operações
seguintes. Dentre as partículas que se encontram na água provocando turbidez e cor, as que
causam maiores dificuldades de remoção são as partículas coloidais.
Atualmente conhecemos como unidades clássicas de tratamento:
a) Misturadores  unidade onde a água bruta recebe o coagulante. Tem por finalidade
proporcionar um movimento turbilhonar, a fim de que ocorra a dispersão da substância
química empregada.
b) Acondicionadores (floculadores)  são unidades onde a velocidade da água é diminuída
para favorecer a formação do floco, promovendo o contato e a atração do material em
suspensão.
c) Decantadores  após as operações de coagulação e floculação a etapa seguinte é a
separação dos sólidos do meio no qual encontram-se suspensos. Isto é conseguido através da
decantação e/ou filtração. Estas etapas do processo de clarificação não se constituem como
processos independentes, mas sim complementares. A decantação objetiva a separação do
material mais denso do que a água, enquanto que a filtração preocupa-se com partículas de
densidade próxima a da água.
d) Filtros  seu objetivo básico é separar as partículas e microrganismos que não tenham
ficado retidos no processo de decantação. Por esta razão a eficiência dos filtros depende
diretamente do desempenho dos processos anteriores. As indústrias de alimentos utilizam
largamente operações unitárias fundamentadas nas operações físicas entre sólidos particulados
e fluidos, como por exemplo:
– Processos de cristalização (separação dos cristais);
– Produção de cerveja: etapa de fabricação do mosto (separação do precipitado proteico e dos
componentes do lúpulo não solubilizados do mosto quente);
– Produção de vinho: após a prensagem, o mosto deve ser clarificado por sedimentação,
filtração ou centrifugação com o objetivo de remover os sólidos. Na sedimentação o mosto é
resfriado a 15ºC e deve repousar entre 12 a 48 horas;
– Processo de obtenção de açúcar de cana  A cana é inicialmente lavada, para remover a
terra e os detritos, após é picada e esmagada em moendas, na preparação para a remoção do
65

66. caldo e então, o caldo é extraído pela passagem da cana esmagada através de uma série de
moendas. Para macerar a cana e auxiliar a extração, é possível adicionar água ou caldo diluído
às moendas. O caldo é coado para remover impurezas grossas e tratado com cal para coagular
parte da matéria coloidal, precipitar certas impurezas e modificar o pH. Além do agente
alcalinizante, utilizam-se polieletrólitos, pois em pequenas quantidades (1 ou 2 ppm)
melhoram a floculação. Adiciona-se um pouco de ácido fosfórico, pois os caldos que não
contêm um pouco de fosfato não são
bem clarificados. A mistura é
aquecida com vapor de água à alta
pressão e decantada em grandes
tanques (espessadores contínuos).
Para recuperar o açúcar dos lodos
decantados, usam-se filtros a vácuo, a
tambor rotatório ou filtro prensa de
quadro. O filtrado (caldo clarificado)
é evaporado tornando-se um xarope
grosso. O xarope resultante é lançado
no primeiro estágio de um evaporador a vácuo, onde atinge um determinado grau de
supersaturação. Adicionam-se núcleos de açúcar cristal (semeadura) e pela adição de xarope
grosso e evaporação controlada, os cristais crescem até o tamanho desejado nesses
cristalizadores. A mistura de xarope e cristais (massa cozida) é lançada num cristalizador
onde há uma deposição adicional de sacarose sobre os cristais já formados, e a cristalização
está completa. Após a massa cozida é centrifugada para a remoção do xarope, esse xarope é
reciclado para dar uma ou mais cristalizações. O líquido residual, depois da reciclagem, é
conhecido como melaço. A sedimentação também é uma das principais operações envolvidas
no tratamento primário de efluentes, e considerando o volume representativo de água
residuária produzido por indústrias, inclusive de alimentos, e a atual preocupação com o
ambiente, este tratamento primário deve ser
observado com grande importância.
Decantadores para Sólidos Grosseiros
A separação de sólidos grosseiros
de uma suspensão é uma operação mais
simples de conduzir do que a de partículas
finas. Esta separação pode ser realizada em
tanques de decantação operando em batelada
ou em processo contínuo. As partículas
podem ser retiradas pelo fundo do
decantador e o fluido um pouco acima, ou
ambos pelo fundo, através de manobras
adequadas. Porém, esses equipamentos não
permitem a classificação dos sólidos pelo
tamanho. Quando isto é necessário, se
utilizam decantadores contínuos, cujos
modelos mais comuns são:
1 – Decantador de rastelos  a suspensão
é alimentada num ponto intermediário de
uma calha inclinada. Um conjunto de rastelos
arrasta os grossos (decantados facilmente),
para a parte superior da calha. Devido à
66

67. agitação moderada promovida pelos rastelos, os finos permanecem na suspensão que é
retirada através de um vertedor que existe na borda inferior da calha.
2 – Decantador helicoidal  semelhante ao
anterior, onde a suspensão é alimentada num
ponto intermediário de uma calha
semicircular inclinada. A helicoide arrasta
continuamente os grossos para a extremidade
superior da calha. O movimento lento
promovido pelo mecanismo transportador
evita a decantação dos finos, que
permanecem na suspensão sendo retirada
através de um vertedor.
3 – Ciclone separador  a alimentação é
feita tangencialmente na secção superior
cilíndrica do ciclone por meio de uma
bomba. Os finos saem pela abertura existente
na parte superior e os grossos saem pelo
fundo da parte cônica inferior, através de
uma válvula de controle.
4 – Hidroseparador  o mais conhecido é
um tanque cilíndrico com fundo cônico e
equipado com rastelos que giram lentamente.
Esses equipamentos funcionam como
classificadores ou separadores de primeiro
estágio, pois os finos devem ser retirados do
líquido em decantadores de segundo estágio.
Decantadores para Sólidos Finos
A decantação de sólidos finos pode ser feita sem interferência mútua das partículas
(decantação livre) ou com interferência (decantação retardada). O tipo de decantação, de
modo geral, depende da concentração de sólidos na suspensão. A velocidade de decantação
pode ser calculada através de correlações empíricas para a decantação retardada e pelas leis de
Stokes e Newton.
O projeto de
decantadores é baseado em
ensaios de decantação
realizados em laboratório
devido ao desconhecimento
das verdadeiras
características das partículas.
O tamanho dos flocos
formados não é predito,
sendo difícil até mesmo
reproduzir com segurança as
condições que conduzem a
um determinado tipo de
floculação. Nem a densidade
das partículas é conhecida
com certeza, uma vez que a
forma dos flocos é indefinida
67

68. e a quantidade de água retida é variável. Os ensaios de laboratório são conduzidos de maneira
diferente quando se trata de solução diluída ou concentrada, estes permitem a obtenção das
curvas de decantação da suspensão.
A sedimentação industrial pode ser operada descontinuamente ou ainda
continuamente em equipamentos denominados tanques de decantação ou decantadores
(clarificadores ou espessadores). O decantador em batelada é um tanque cilíndrico com
aberturas para alimentação da suspensão e retirada do produto. O tanque é cheio pela
suspensão e fica em repouso, sedimentando. Depois de um período pré-estabelecido, o líquido
puro é decantado até que a lama apareça no fluido efluente. A lama é removida através de
aberturas no fundo do tanque.
Os decantadores contínuos são tanques rasos, de grande diâmetro, onde operam
grades que giram lentamente e removem a lama. A suspensão é injetada pela parte central do
equipamento. Em torno da borda do tanque existem vertedores para a retirada do líquido
límpido. As grades (ou rastelos) servem para raspar a lama, conduzindo-a para o centro, por
onde é descarregada. O movimento das grades promove uma agitação na camada de lama,
favorecendo a floculação e a remoção da água retida na lama. Os rastelos giram à razão de 1
rotação a cada 5 a 30 minutos.
A capacidade de um decantador depende da área de decantação. Quando áreas muito
grandes são necessárias utilizam-se bacias de decantação que ficam diretamente no terreno ou
decantadores de bandejas múltiplas. Cada bandeja é ligeiramente inclinada e munida de
rastelos presos ao eixo central.
CENTRIFUGAÇÃO
A centrifugação é uma operação unitária amplamente utilizada nas áreas industriais e
em bioquímica, biotecnologia, biologia celular, molecular, com a principal finalidade de
separação de frações ou a concentração das moléculas de interesse. Pode ser realizada com o
objetivo de separar sólidos de líquidos ou mesmo uma mistura de líquidos. Uma partícula em
movimento linear continuará em velocidade constante e uniforme senão for influenciada por
forças externas. Quando uma partícula é submetida a uma força centrífuga (g) para isolar
partículas suspensas em seu meio, seja da forma em lotes ou fluxo contínuo, esta
sedimentação é forçada. As aplicações de centrifugação são muitas e incluem testes de
análises clínicas, testes bioquímicos, a sedimentação de células e vírus, a separação de massa
celular, isolamento de DNA, RNA, proteínas ou lipídios ou até mesmo para secar a roupa ou a
salada em casa.
Aumento no efeito da gravidade: a centrífuga.
Se uma suspensão for deixada
em repouso, as partículas dispersas irão
se assentar por meio do fenômeno de
decantação ou sedimentação, por ação da
gravidade (g = 9,8 cm/s2). Primeiro serão
sedimentadas as partículas maiores e
depois as menores em valores de tempo
variáveis, o que dificulta determinar o
término da operação. Através da
centrifugação este tempo é acelerado,
pois pequenas partículas podem ser
separadas com a aplicação da força
centrífuga. Se compararmos com a
filtração, a centrifugação é mais cara,
68

69. porém a principal desvantagem da filtração é a possibilidade rápida de entupimento dos
filtros, dependendo do tipo de material utilizado. Quando uma suspensão de partículas é
centrifugada a sedimentação das partículas é proporcional à força aplicada. As propriedades
da solução também irão interferir na taxa de sedimentação.
Tipos de rotores para centrífugas
Os rotores de centrífugas podem ser classificados como rotores móveis (1), de
ângulo fixo (2) e vertical (3), sendo que cada tipo tem potências e limitações de acordo com o
tipo de separação (Figura acima).
Os rotores verticais são adequados para separações isopícnica (de densidade), como
por exemplo, para isolamento de DNA, RNA e lipoproteínas. Utilizam-se tubos graduados e é
bastante utilizado para a determinação de volume de sedimentos. A principal desvantagem
deste tipo de rotor é a ocorrência de sedimentação incompleta, pois a partícula tem que
atravessar toda a “coluna” de líquido para chegar ao fundo do tubo. Para corrigir eventuais
erros, utiliza-se uma rotação maior.
Em rotores de ângulos fixos os tubos são posicionados em um ângulo definido. Ao
iniciar a operação, o material se reorienta no interior do tubo, conforme a força centrífuga que
é aplicada. Mais eficiente do que a centrifugação vertical, pois o caminho percorrido pela
partícula é menor, é bastante utilizada em laboratórios de biotecnologia para separação de
bactérias e leveduras. Este tipo de centrifugação em geral utiliza menor tempo e é eficiente
para a separação de sólidos floculentos ou finamente dividido. Como principal desvantagem
em relação à centrifugação vertical é não conseguir
realizar a análise de volume de sedimento.
Os tubos de amostra quando inseridos em
rotores móveis são mantidos na vertical enquanto o
equipamento está em repouso. Ao girar, se posiciona
horizontalmente, dependendo da rotação que é aplicada.
Fatores para seleção de material de tubos para
centrífuga: em escala laboratorial, os tubos devem ser
transparentes, resistentes a solventes químicos e com
boa vedação, compatibilidade química e boa
recuperação da amostra. Todo material fluido tende a
expansão, gerando uma pressão sobre os tubos. Esta
força (P) será somada à força centrífuga e, a somatória
pode romper tubos. Atualmente, máquinas modernas
possuem sistemas de proteção.
Tipos de Centrífuga.
a) Centrífuga tubular  Esta centrífuga opera geralmente na vertical, com o rotor tubular
provendo um longo caminho para a separação da mistura. Trabalha com a força centrífuga
variando de 13.000 a 20.000
g. A quantidade de sólidos
na mistura limita o uso desta
centrífuga, assim como a
formação de bolhas que
também dificulta a
centrifugação. O material a
ser centrifugado é
alimentado pela parte
inferior, e passa por toda a
69

70. tubulação para ser separado ou clarificado. A parte sólida vai depositando-se nas laterais,
sendo retirada ao final do processo, enquanto os líquidos são retirados pela parte superior.
Na indústria de alimentos é utilizada para a separação e clarificação de extratos
animais e vegetais e óleo de peixe. Na indústria farmacêutica é amplamente utilizada para a
recuperação de bactérias e frações de células.
b) Centrífuga de múltiplos discos  A
câmara possui uma série de discos
paralelos que proporcionam uma
grande área de sedimentação. O
material é removido através de
válvulas. Em casos de clarificação de
material biológico, pode-se trabalhar
com a força centrífuga variando de
5.000 a 15.000g, sendo o fluxo
contínuo de alimentação de 200 m3/h.
O tamanho da partícula pode auxiliar a centrifugação. Para aumentar o tamanho da
partícula, utiliza-se o fenômeno de coagulação ou floculação. Para coagulação, realiza-se a
mudança de pH da suspensão, removendo as cargas eletrostáticas da partícula e então elas
aproximam-se umas às outras. Para floculação, adicionam-se pequenas quantidades de
materiais de alto peso molecular, carregadas com carga oposta ao do material, promovendo
agregação dos componentes que podem estes baratos e efetivos, porém, sem afetar o produto
de interesse. Para favorecer a coagulação são adicionados sais de alumínio, cálcio e ferro,
além de polieletrólitos sintéticos que reduzem a repulsão entre as partículas e formam pontes
entre elas.
c) Centrífuga contínua  Opera horizontalmente A hélice roda e distribui os sólidos ao longo
da superfície do recipiente, retirando-o do líquido. O liquido sai pelo outro lado da câmara. O
parafuso roda em velocidade diferente da câmara.
d) Centrífuga de Cestos  A centrífuga de cestos pode ser classificada como perfurada e não
perfurada. A centrífuga perfurada associa as operações de centrifugação e filtração em
conjunto, assemelhando-se ao
tambor de uma máquina de
lavar, por exemplo. Então, neste
caso especifico, pode-se
considerar a centrifugação
como uma operação de pré-
secagem. No caso de sólidos
cristalinos, utiliza-se o cesto
sem filtros e no caso de
partículas deformáveis, como
por exemplo, proteínas. No caso
de cestos não perfurados, a ação é apenas da força centrífuga. As partículas sólidas tendem a
se acumular nas paredes da centrífuga e, com o passar do tempo estas começam a ser
liberadas junto com o filtrado. Outras características também devem ser consideradas como,
por exemplo, o uso de refrigeração no caso de tratamento de material biológico, centrífugas
providas de aquecimento que alteram a viscosidade e a solubilidade do material.
Tipos de separação por centrifugação.
a) Centrifugação diferencial  A separação é baseada no tamanho das partículas. Uma
suspensão contendo diferentes moléculas é centrifugada e as partículas maiores sedimentam
com mais rapidez do que as partículas menores, obtendo-se frações de moléculas.
70

71. b) Centrifugação por gradiente  A centrifugação diferencial não permite separar diferentes
moléculas que se depositem em uma mesma etapa de centrifugação, embora possuam
densidades diferentes. Para tanto, faz-se uso da centrifugação por gradiente, submetendo a
suspensão de partículas a uma força centrífuga constante, em meio de densidade /peso
gradualmente variável, de uma extremidade à outra do tubo. A fração celular a ser separada é
colocada sobre a camada e centrifugada. Empregam-se substâncias como a sacarose. As
partículas com densidades diferentes, se deslocam até alcançar o local de igual densidade. A
separação por gradiente pode ser classificada em duas categorias: por índice regional
(tamanho) e Separação isopícnica (densidade).As frações isoladas podem, posteriormente, ser
submetidas a uma gama diversificada de análises bioquímicas, para se identificar a
composição química, a atividade enzimática, bem como as capacidades metabólicas.
1 – Separação gradiente de tamanho  Esta separação baseia-se no tamanho e massa da
partícula para sedimentação. Uma utilização para este tipo de centrifugação é a separação de
proteínas e anticorpos, que possuem densidades similares, porém massas diferentes. Assim, a
separação com base na massa separará as diferentes classes. Para que a centrifugação por
tamanho seja bem sucedida, a densidade da solução de amostra deve ser inferior à menor
densidade do gradiente; a extensão do gradiente deve ser suficiente para ocorrer a separação e
o tempo deve ser bem dimensionado, pois se for muito extenso, as partículas podem ser
acumular no fundo do tubo.
2 – Separação isopícnica  Neste caso, vamos considerar uma partícula que possui uma
determinada densidade e, que será submetida ao processo de centrifugação. Após o processo,
a partícula irá “estacionar” em uma posição onde a densidade da solução em que se encontra é
próxima à densidade da partícula. Uma vez estabelecida a sua posição, o tempo total de
centrifugação não irá alterar a migração da partícula. Uma aplicação bastante utilizada para
este método é a separação de ácidos nucléicos em um gradiente de cloreto de césio (CsCl).
Para que a centrifugação seja bem sucedida, a densidade da partícula da amostra
deve estar dentro dos limites das densidades de gradiente; qualquer extensão de gradiente é
aceitável; o tempo de execução deve ser suficiente para que as partículas se unam em seu
ponto isopícnico.
c) Ultracentrifugação  Processo de centrifugação sob pressão, permitindo a separação de
partículas de modo eficiente, utilizando-se de refrigeração e vácuo de forma a minimizar o
atrito com o ar, devido à elevada rotação aplicada (até 500.000g).
Conversão de unidades de centrifugação.
A rotação de uma centrífuga pode ser especificada em termos de Força Centrífuga
Relativa (RCF) expressa em unidades de gravidade (g). Muitas centrífugas expressam a
velocidade em termos de revoluções por minuto (rpm). A conversão entre g (a força
centrífuga) e rpm é dada pela relação: FC = (1.118x10-5) MRS2 ou FCR = (1.118x10-5) RS2,
onde: Fc = força centrífuga; FCR = força centrífuga relativa; R = diâmetro do rotor (cm); S =
velocidade da centrífuga (rpm); M = massa da amostra.
No caso do cálculo da Força centrífuga relativa, esta não considera a massa da
amostra, ou a sua densidade. Quando se troca a centrífuga, deve-se recalcular o g. Outra
forma de se converter as unidades de centrifugação é utilizando nomogramas como o
exemplificado abaixo. Nomogramas são gráficos que servem para representar no plano,
equações com v árias variáveis, de tal forma que o cálculo das suas soluções se reduz a uma
simples leitura neste gráfico. Variáveis como a velocidade e o tempo de centrifugação devem
ser determinadas para garantir o correto depósito ou separação dos elementos de interesse.
 OPERAÇÕES DE REDUÇÃO DE TAMANHO (Moagem e Trituração).
Moagem
71

72. A moagem é uma operação unitária de redução de tamanho, em que o tamanho
médio dos alimentos sólidos é reduzido pela aplicação de forças de impacto, compressão e
abrasão. As vantagens da redução de tamanho no processamento são:
∅ Aumento da relação superfície /volume, aumentando, com isso, a eficiência de operações
posteriores, como extração, aquecimento, resfriamento, desidratação, etc.
∅ Uniformidade do tamanho das partículas do produto, auxiliando na homogeneização de
produtos em pó ou na solubilização dos mesmos (exemplo: sopas desidratadas, preparados
para bolos, achocolatados, etc.). A moagem é o último estágio do processo de fragmentação
de partículas. Neste estágio as partículas são reduzidas, pela combinação de impacto,
compressão, abrasão ou atrito, a um tamanho adequado à liberação do material para a próxima
operação unitária ou processo de transformação. Está é uma operação unitária frequentemente
utilizada com grãos, para reduzi-los a farinha ou pó. Em cereais, implica na eliminação do
pericarpo, das cascas da semente, da epiderme nuclear e da camada do aleuroma. Geralmente
se elimina o gérmen por ser relativamente rico em óleo, o qual provoca o ranço do cereal,
diminuindo a sua qualidade.
Trituração ou Britagem
Britagem ou trituração pode ser definida como o conjunto de operações que tem
como objetivo a fragmentação de grandes materiais, levando-os a granulometria compatíveis
para utilização direta ou para posterior processamento. Trituração é uma operação unitária,
que pode ser utilizada, em sucessivas etapas, equipamentos apropriados para a redução de
tamanhos convenientes. É aplicada a fragmentos de distintos tamanhos, desde materiais de
1000 mm até 10 mm de diâmetro ou envergadura. A fragmentação por britagem, geralmente,
se desenvolve de acordo com a Tabela, sendo que em alguns casos as etapas terciárias e
quaternárias são consideradas com moagem e não como britagem.
Tabela: Classificação dos Estágios de Britagem
Estágio da Trituração Tam. Máx. de alimentação (mm) Tam. Máx. de saída (mm)
Primaria 1000,0 100,0
Secundaria 100,0 10,0
Terciaria 10,0 1,0
Quaternária 5,0 0,8
A trituração juntamente com a moagem pode ser considerada muito ineficaz do
ponto de vista energético. Somente uma pequena parte da energia é empregada realmente para
a ruptura ou fragmentação do sólido. A maior parte se dirige para a deformação desse sólido e
a criação de novas linhas de sensibilidade que pode produzir a ruptura sucessiva dos
fragmentos. O resto da energia se dissipa em forma de calor.
Conforme a finalidade são utilizados diferentes tipos de moinhos, dentre eles
destacam-se:
a) Moinhos de disco  geralmente usado para moagem de granulação fina, são pequenos e
de difícil regulagem. São os mais comuns no brasil.
b) Moinho de rolos  mais utilizado na moagem de cereais em uso caseiro, fornece um
produto de textura mais uniforme. Dois ou mais cilindros pesados giram em direções
contrárias, a velocidades iguais ou diferentes. Partículas na alimentação são submetidas a
forças de compressão. A distância entre os rolos, que giram em sentidos opostos, é regulável e
deve ser ajustada às condições da matéria prima, da torrefação e do próprio sistema de
extração. É mais utilizado nos estados unidos.
c) Moinho de facas e de martelos  produz um material mais fino que o moinho de rolos.
Para moagem de cereais destinados à extração de pó solúvel, o moinho de rolos é o mais
indicado, sendo também utilizados os moinhos de facas e martelos e os de disco.
72

73. Normalmente os moinhos de facas e martelos apresentam melhores resultados do que os de
disco para este fim. Um rotor de alta velocidade gira no interior de uma capa cilíndrica. No
exterior do rotor é acoplada uma série de martelos nos pontos de articulação. O material se
rompe pelo impacto dos martelos e se pulveriza ao passar por uma esteira na abertura entre os
martelos e a capa.
d) Trituradores de mandíbulas  a alimentação passa entre duas mandíbulas pesadas. o
material vai passando lentamente por um espaço cada vez menor, triturando-se ao deslocar-se.
e) Moinhos de bolas  uma capa cilíndrica, que gira em um eixo horizontal, é carregada
com bolas de aço ou porcelana. A redução de tamanho é feita pela ação do impacto e da
fricção das bolar ao girar o moinho.
f) Britadores giratórios  é o equipamento de britagem primária, utilizado quando existe
uma grande quantidade de material a ser fragmentado, sendo mais operacional do que o
britador de mandíbula, pois pode ser alimentado por um dos lados, além de permitir uma
pequena armazenagem no seu topo.
g) Britadores de cones  O britador cônico possui o mesmo princípio de operação do
britador giratório, porém é um britador de britagem secundária ou terciária.
h) Moinhos cilíndricos  Estes moinhos são constituídos de uma carcaça cilíndrica de metal
giratória, revestida internamente com placas de aço ou borracha, contendo no interior uma
carga solta de barras ou esferas de metálicas.
Este processo é importante para a fabricação de:
∅ Café solúvel
∅ Cereais Matinais - Flocos de milho
∅ Espinafre desidratado em pó
∅ Mostarda
∅ Purê de Batata em Flocos
o Moagem I
o Moagem II
∅ Sopa instantânea de ervilha
Em alguns casos, a moagem não tem como objetivo a redução do tamanho de
partículas. A moagem de cana para fabricação de aguardente, por exemplo, tem a finalidade
de extrair o caldo da cana.
 TAMISAÇÃO
73

74. A tamisação ou peneiração é uma operação efetuada em sistemas que são
constituídos por redes, as quais é impresso um determinado movimento, de modo a obrigar as
partículas finas a passarem através delas, ficando retidas as de maior dimensão.
O movimento é conseguido por três processos:
• rotação • movimento horizontal • movimento vertical
A estes, correspondem três tipos de tamises:
• rotativos • ondulatórios • vibratórios
Tamises rotativas  São constituídos por cilindros, em que é deitada a substância a peneirar e
cuja superfície lateral é uma rede. A capacidade é de cerca de 200 kg por hora, por m2 e por
mm de abertura.
Tamises vibratórias e oscilatórias  São constituídos por uma caixa retangular com um
fundo construído por uma rede, cujo número de oscilações varia entre 60 e 400 por minuto e o
número de vibrações de 1200 a 3500 por minuto. A capacidade vai até cerca de 5 toneladas
por hora, por m2 e por milímetro de abertura, para as peneiras vibratórias e de 1 a 3 toneladas
por hora, por m2 e por milímetro de abertura, para os oscilatórios.
ANÁLISE GRANULOMÉTRICA
Tanto a especificação da finura desejada, como o cálculo da energia necessária para
realizar uma operação de fragmentação, requerem a definição do que s entende por tamanho
das partículas do material. A determinação de outras características do produto moído também
exige o conhecimento prévio de granulometria e geometria das partículas que constituem.
Distinguem-se pelo tamanho, cinco tipos de sólidos particulados, apesar dessa distinção não
ser muito nítida.
- Pós: partículas de 1 µm até 0,5 mm; - Sólidos granulares: de 0,5 mm a 10 mm;
- Blocos pequenos: partículas de 1 a 5 cm; - Blocos médios: partículas de 5 até 15 cm;
- Blocos grandes: partículas maiores que 15 cm.
Peneiração  A peneiração consiste em fazer passar a partícula através de malhas
progressivamente menores, até que ela fique retida. O tamanho da partícula será
compreendido entre a média da malha que reteve (D1) e a
imediatamente anterior (D2). A média aritmética das aberturas D +D
dessas malhas servirá para caracterizar o tamanho físico da D=
1 2
partícula (D). Dessa forma características importantes do 2
material poderão ser obtidas em função de D.
Peneiração Série Tyler (Mais Usada)
A série consta 14 peneiras e tem como base uma peneira de 200 malhas por polegada
linear (200 mesh), feita com fio de arame de 0,053 mm de espessura, o que dá uma abertura
livre de 0,074 mm. As demais peneiras são: 150, 100, 65, 48, 35, 28, 20, 14, 10, 8, 6, 4 e 3
mesh. Mesh é o número de malhas por polegada linear.
Representação Analítica da Distribuição Granulométrica  Número de partículas da
amostra: Sendo ∆ϕ a fração de massa retida em cada peneira,
m
N= Temos: m = m∑∆ϕ
bD 3 ρ # Para materiais homogêneos: equação ao lado.
# Para materiais heterogêneos: Peneiração
Tamanho de partícula (conversão de unidades)  Tabela: Para este caso particular, não é
dado formulário. Segue tabela de um padrão americano para peneiras de classificação de
materiais granulados.
74

75. Tipos de Equipamentos
Os equipamentos utilizados no peneiramento podem ser divididos em três tipos:
1 – Grelhas  constituídas por barras metálicas dispostas paralelamente, mantendo um
espaçamento regular entre si;
2 – Crivos  formados por chapas metálicas planas ou curvas, perfuradas por um sistema de
furos de várias formas e dimensão determinada;
3 – Telas  constituídas por fios metálicos trançados geralmente em duas direções
ortogonais, de forma a deixarem entre si "malhas" ou "aberturas" de dimensões determinadas,
podendo estas serem quadradas ou retangulares.
Esses equipamentos podem ser classificados de acordo com o seu movimento, em
duas categorias:
a) Fixas  a única força atuante é à força de
gravidade e por isso esses equipamentos
possuem superfície inclinada. Como exemplos
têm grelhas fixas e peneiras DSM.
1 – Grelhas fixas  estas consistem de um
conjunto de barras paralelas espaçadas por um
valor pré-determinado, e inclinadas na direção
do fluxo da ordem de 35° a 45°. São empre-
gadas basicamente em circuitos de britagem
para separação de blocos de 7,5 a 0,2 cm, em
geral, sendo utilizados invariavelmente a seco.
Sua eficiência é normalmente baixa (60%), porque não havendo movimento da superfície não
ocorre a estratificação, que facilita a separação. Um valor aproximado para a capacidade das
grades é de 100 a 150 t (13) de material por pé quadrado de área em 24 h, quando as barras
estão distantes entre si de 2,54 cm.
Tabela de conversão de unidades.
Mesh (peneira) Abertura in Abertura mm Mesh (peneira) Abertura in Abertura mm
1 1,00 25,4 18 0,0394 1,00
7/8 0,875 22,6 20 0,0331 0,841
3/4 0,750 19,0 25 0,0278 0,707
5/8 0,625 16,0 30 0,0234 0,595
0,530 0,530 13,5 35 0,0197 0,500
1/2 0,500 12,7 40 0,0165 0,420
7/16 0,438 11,2 45 0,0139 0,354
3/8 0,375 9,51 50 0,0117 0,297
5/16 0,312 8,00 60 0,0098 0,250
0,265 0,265 6,73 70 0,0083 0,210
1/4 0,250 6,35 80 0,0070 0,177
3 1/2 0,223 5,66 100 0,0059 0,149
4 0,187 4,76 120 0,0049 0,125
5 0,157 4,00 140 0,0041 0,105
6 0,132 3,36 170 0,0035 0,088
7 0,111 2,83 200 0,0029 0,074
8 0,0937 2,38 230 0,0025 0,063
75

76. 10 0,0787 2,00 270 0,0021 0,053
12 0,0661 1,68 325 0,0017 0,044
14 0,0555 1,41 400 0,0015 0,037
16 0,0469 1,19
2 – Peneiras fixas  as peneiras fixas DSM (Figura 5.14) introduzidas pela Dutch State
Mines, são utilizadas para desaguamento de suspensões e para uma separação precisa de
suspensões de partículas finas. Recentemente, vêm sendo empregadas em circuito fechado de
moagem quando a granulometria do produto é grossa e no peneiramento a úmido de materiais
finos até 50 μm. Esta compreende uma base curva formada por fios paralelos entre si,
formando um ângulo de 90° com a alimentação.
A alimentação é feita por bombeamento na parte superior da peneira sendo
distribuída ao longo de toda a extensão da peneira. Partículas com tamanho de
aproximadamente a metade da distância do espaço entre fios passam pela superfície da
peneira. O diâmetro de corte depende da percentagem de sólido da polpa, o que faz com que
esse parâmetro tenha que ser bem controlado para que se possa obter um rendimento
adequado da peneira. O peneiramento tende a
concentrar nos finos os minerais mais densos,
ao contrário do que ocorre com outros
classificadores.
Possuem uma elevada capacidade de
produção, podendo-se utilizar como um valor
médio para pré-dimensionamento, 100 m3/h
por metro de largura de leito para abertura de
1,0 a 1,5 mm.
b) Móveis  grelhas rotativas, peneiras
rotativas, peneiras reciprocativas e peneiras
vibratórias.
1 – Grelhas vibratórias  são semelhantes às
grelhas fixas, mas sua superfície está sujeita a
vibração. São utilizadas antes da britagem
primária.
2 – Peneiras rotativas (trommel) - estas peneiras possuem a superfície de peneiramento
cilíndrica ou ligeiramente cônica, que gira em torno do eixo
longitudinal. O eixo possui uma inclinação que varia entre 4°
e 10°,
dependendo
da aplicação
e do material
nele
utilizado.
Podem ser
operadas a
úmido ou a
seco. A velocidade de rotação fica entre
35-40% da sua velocidade crítica
(velocidade mínima na qual as partículas
ficam presas a superfície cilíndrica).
76

77. Nessas condições, a superfície efetiva utilizada no peneiramento está em torno de 30% da área
total.
As principais vantagens dos trommels são sua simplicidade de construção e de
operação, seu baixo custo de aquisição e durabilidade. Atualmente, são substituídos,
parcialmente, por peneiras vibratórias que têm maior capacidade e eficiência, mas ainda são
muito utilizados em lavagem e classificação de cascalhos e areias.
3 – Peneiras reciprocativas  estas realizam um movimento alternado praticamente no
mesmo plano da tela, tendo como resultante uma força positiva que faz com que as partículas
movam-se para frente. Devido a esse movimento natural, as peneiras reciprocativas trabalham
com uma pequena inclinação, entre 10° e 15°. A amplitude de seu movimento varia entre 2 e
25 cm com uma frequência de 800 a 60 movimentos por minuto, respectivamente.
São empregadas na classificação de
carvões e de outros materiais friáveis, porque
reduzem a fragmentação eventual das partículas.
De um modo geral, as peneiras reciprocativas
(Figura 5.17) têm um campo de aplicação restrito,
diante das maiores vantagens apresentadas pelas
peneiras vibratórias.
4 – Peneiras vibratórias  o movimento
vibratório é caracterizado por impulsos rápidos,
normais à superfície, de pequena amplitude (1,5 a
25 mm) e de alta frequência (600 a 3.600
movimentos por minuto), sendo produzidos por
mecanismos mecânicos ou elétricos.
As peneiras vibratórias podem ser
divididas em duas categorias: aquelas em que o movimento vibratório é praticamente
retilíneo, num plano normal à superfície de peneiramento (peneiras vibratórias horizontais); e
aquelas em que o movimento é circular ou elíptico neste mesmo plano (peneiras vibratórias
inclinadas). Estas peneiras são as de uso mais frequente em mineração, sendo muito
empregadas nos circuitos de britagem e de preparação de minério para os processos de
concentração. A sua capacidade varia entre 50 a 200 t/m2/mm de abertura/24 h.
Eficiência de Peneiramento
Em peneiramento industrial a palavra eficiência é empregada para expressar a
avaliação do desempenho da
operação de peneiramento,
em relação a separação
granulométrica ideal
desejada, ou seja, a
eficiência de peneiramento é
definida como a relação
entre a quantidade de
partículas mais finas que a abertura da tela de peneiramento e que passam.
Industrialmente, a eficiência de peneiramento, situa-se entre 80 e 90%, atingindo em
alguns casos 95%. As partículas com diâmetros (d) superiores a uma vez e meia a abertura da
tela (a) não influenciam no resultado do peneiramento, bem como àquelas inferiores à metade
(0,5) da abertura da tela. As partículas compreendidas entre esta faixa é que constituem a
classe crítica de peneiramento e influem fortemente na eficiência e na capacidade das
peneiras.
Essa classe pode ser dividida em duas:
77

78. 0,5 a < d < a - que em termos probabilísticos têm menor chance de passar que as
demais partículas menores que a malha; e a < d < 1,5 a - que embora não passantes, são as que
mais entopem as telas das peneiras.
Dimensionamento dos Equipamentos
As peneiras são peças vitais e críticas em qualquer usina de beneficiamento. Assim
sendo, todo cuidado deve ser tomado na seleção de peneiras para que sejam de tamanho e tipo
adequado. Um equipamento de peneiramento é definido inicialmente pelas suas dimensões e
pelo tipo de abertura (quadrada, retangular, circular, elíptica ou alongada). É preciso ressaltar
que existe uma relação entre o tamanho máximo de partícula que pode passar numa
determinada abertura e as dimensões do fragmento passante.
Para uma grelha, onde se tem apenas o afastamento livre entre as barras, este
determina o tamanho máximo da
menor dimensão da partícula que
atravessa as barras paralelas. Para
aberturas quadradas ou
retangulares é definida a largura
máxima. O fato de ser quadrada ou
retangular tem pouca influência,
visto que a malha retangular é
colocada apenas para compensar a
perda de área real de passagem
pela inclinação dos equipamentos
de peneiramento, embora também
algumas vezes seja para atender à
forma lamelar do material.
As dimensões máximas mencionadas anteriormente não são as reais, pois uma
partícula de tamanho “a” pode não passar através de uma abertura “a”. Assim, em uma
abertura “a” só irão passar partículas Ka, sendo K um fator de redução(14). Para 0 < K < 0,5
as partículas passam livremente; 0,5 < K < 0,85 as partículas passam com dificuldade, sendo
esta a fração crítica de separação; 0,85 < K < 1,00 o material praticamente não passa pela
abertura.
Os dados necessários para seleção e dimensionamento de equipamentos são:
a) características do material a ser peneirado, tais como:
∅ Densidade e umidade; ∅ forma das partículas; ∅ Tamanho máximo da alimentação;
∅ Presença de materiais argilosos; ∅ Distribuição granulométrica;
∅ Temperatura, entre outros.
b) capacidade; c) faixas de
separação do produto; d)
eficiência desejada;
e) tipo de serviço; lavagem
classificação final classificação
intermediária, etc.
f) limitação ou não de espaço e peso;
g) grau de conhecimento do material e
do produto desejado.
A seleção das peneiras deve
ser feita em função das características
do material e do tipo de serviço a que
78

79. ela irá se prestar. Dimensionar os equipamentos significa calcular as dimensões das suas
superfícies em função da capacidade requerida, ou seja, da quantidade de material com
características e condições determinadas que devam passar pelo equipamento por um tempo
determinado (hora). No caso das peneiras, duas condições independentes devem ser atendidas;
área da tela e espessura do leito. Um dos métodos aceitos para selecionar a peneira a ser
utilizada é baseado na quantidade de material que passa através da malha 0,0929 m2 de uma
peneira com abertura específica, e que será aqui apresentado. Destaca-se, porém, que este é
apenas um dentre os muitos métodos existentes e que cada um deles pode levar a resultados
diferentes.
a) Capacidade básica (C)  A Figura acima apresenta a curva que fornece os valores de C
para as várias aberturas, baseadas num material com densidade aparente de 1602 kg/m3,
servindo apenas para minérios metálicos. Desde que os minérios metálicos tenham
características de peneiramento similares, o valor de C pode ser determinado por uma razão
simples de densidades. Contudo, nem todos os materiais têm as mesmas propriedades ou as
mesmas características de peneiramento, possuindo estes suas curvas de capacidade específica
próprias.
b) Fatores modificadores  Existem muitas variáveis e inter-relações entre essas variáveis
que afetam o peneiramento de um dado material, mas aqui só serão avaliadas aquelas que
afetam de maneira significativa o cálculo do tamanho de peneiras para minérios.
Fatores de finos e de eficiência de peneiramento Fator de Finos
Eficiência de Fator (F)  O fator de finos
peneiramento % Finos (F) Eficiência (E) depende da quantidade de
material, na alimentação,
0 0,44
que é menor do que a
10 0,55
metade do tamanho da
20 0,70
abertura no deque. É
30 0,80
importante lembrar que
40 1,00 para um determinado
50 1,20 deque, o fator de finos
60 1,40 sempre será calculado em
70 1,80 2,25 relação à alimentação
80 2,20 1,75 desse deque.
85 2,50 1,50 Fator de
90 3,00 1,25 eficiência (E) A
95 3,75 1,00 eficiência de separação
(pela equação de eficiência) é expressa como uma razão entre a quantidade de material que
passa por uma abertura e a quantidade na alimentação que deveria passar. Um peneiramento é
considerado comercialmente perfeito, quando a eficiência é de 95%. Assim, para este valor, o
fator de eficiência é considerado igual a 1,00.
Fator de abertura (B)  Fator que compensa a tendência das partículas ficarem
retidas na superfície de peneiramento devido ao tipo de abertura da superfície.
Fatores de abertura
Tipos de Abertura Razão (r) Comprimento/largura Fator B
Quadradas e retangulares r<2 1,0
Retangulares 2<r<4 1,2
Retangulares 4 < r < 25 1,2
Barras paralelas r > 25 1,4*
* paralelo ao fluxo ** perpendicular ao fluxo
79

80. Fator Deque (D)  Esse fator leva em consideração a estratificação que ocorre nos
deques reduzindo assim a área de peneiramento.
Fator de Área (O)  A curva de capacidade básica mostrada na Figura é baseada em
aberturas quadradas cuja área de superfície aberta é indicada imediatamente abaixo dos
tamanhos das aberturas. Quando se tem uma área de superfície aberta diferente daquele
padrão apresentado no gráfico, deve-se inserir um fator de
correção que é obtido pela razão da área da superfície
aberta usada em relação à padrão.
Como exemplo, se for usado para uma separação
em 2,54 cm, um deque, com 36% de superfície aberta, o
fator será 0,62 (36/58) e se ao contrário for usado para
mesma abertura, um deque com superfície aberta de 72% o
fator será 1,24 (72/58).
Fator peneiramento via úmida (W)  Este fator é aplicado quando o peneiramento é
realizado com auxílio de água, na forma pulverizada, sobre o material que está sendo
Fator de peneiramento por peneirado. A vantagem obtida por essa pulverização varia
via úmida com a abertura da superfície de peneiramento e só pode ser
Abertura Quadrada W alcançada se a quantidade correta de água for utilizada. O
3
1/32" ou menor 1,25 volume de água recomendado é de 18,92 a 31,53 m /s para
3
0,765 m de material alimentado.
1/16" 3,00
1/8" a 3/16" 3,50
 FUNDAMENTOS DA CLASSIFICAÇÃO
5/16" 3,00
Quando uma partícula cai livremente no vácuo,
3/8" 2,50 ela está sujeita a uma aceleração constante e sua
1/2" 1,75 velocidade aumenta indefinidamente, qualquer que seja
3/4" 1,35 seu tamanho ou densidade. Se, contudo, a partícula cai em
1" 1,25 um e outro meio que não o vácuo, este oferece uma
+ 2" 1,00 resistência ao seu movimento, a qual aumenta em razão
direta com a velocidade, até atingir um valor constante. Quando as duas forças que atuam na
partícula (gravitacional e de resistência do fluido) se tornam iguais, a partícula atinge uma
velocidade denominada terminal e passa a ter uma
queda com velocidade constante.
A natureza da resistência do fluido depende
da velocidade de queda. Para baixas velocidades o
movimento é suave, pois a camada de fluido em
contato com a partícula move-se com ela, enquanto o
fluido como um todo permanece estático. Para altas
velocidades a principal resistência é atribuída à
perturbação do fluido, como um todo, pela partícula,
caracterizando um regime denominado de turbulento.
Independentemente do regime que predomine, a
aceleração da partícula tende a decrescer rapidamente
com o tempo, sob a ação das forças atuantes, e a
velocidade terminal é sempre atingida.
Sedimentação em Queda Livre
A sedimentação em queda livre refere-se ao movimento da partícula imersa em um
fluido e que tende, sob a ação da gravidade, a percorrer uma distância teoricamente infinita.
Ela é verificada quando a percentagem de sólidos for menor que 15% em peso. No cálculo da
velocidade terminal, ou seja, a velocidade constante que uma partícula adquire ao sedimentar
80

81. em um meio fluido obtém-se uma equação na qual a soma de todas as forças que atuam sobre
ela seja zero. De acordo com a segunda lei de Newton, tem-se:
F = m.a onde: F = força resultante que atua sobre a partícula (N), m = massa da partícula
(kg), a = aceleração da partícula (m/s2).
Neste caso, as forças que atuam sobre a partícula são: a da gravidade (mg), a de
empuxo (m'g) e a da resistência (R), sendo a força resultante (F) expressa por:
F = mg – m'g - R = m dv/dt
Onde: m = massa da partícula (kg); g = aceleração da gravidade (m/s2);
m'= massa do fluido deslocado (kg); R = força de resistência (N).
v = velocidade da partícula (m/s)
O cálculo de massa das partículas, consideradas esféricas, e do fluído deslocado,
podem ser obtidos segundo as equações: m = (4/3)πr3ds; m’ = (m/ds) df sendo:
ds= densidade do sólido; df = densidade do fluido; r = raio da partícula (m).
Quando a velocidade terminal é atingida, dv = 0 e a equação reduz-se a: R = g(m – m’) onde:
g = aceleração da gravidade (m/s2).
A força de resistência na sedimentação em queda livre é calculada com base nas leis
de Stokes e Newton, respectivamente para os regimes laminar e turbulento. Quando as
partículas (esféricas) são pequenas (r < 50 μm) o regime é considerado laminar e a força de
resistência calculada por: 6πµrVt onde: µ= viscosidade do fluido (kg/ms); r = raio da
esfera em (m); Vt = velocidade terminal da partícula (m/s).
Substituindo-se as fórmulas tem-se a seguinte equação para a velocidade terminal:
Vt = (4r2g/18µ). (ds – df). Para o caso de partículas grossas (> 5 mm), o regime passa
a ser turbulento, e a lei de Newton substitui a de Stokes.
Deste modo a força de resistência é dada pela
2 2
expressão: R = Q (π/2) dfr v , onde Q =
coeficiente de resistência. Substituindo-se tem a
seguinte expressão para velocidade terminal ao lado:
As leis de Stokes e de Newton, para um fluido
2
em particular, podem ser simplificadas, respectivamente, para: Vt = k1r (ds – df) e Vt
= k2[r(ds – df)]1/2 onde: k1 e k2 = constantes, ds – df = densidade efetiva de uma
partícula de densidade ds em um fluido de densidade df. Essas leis mostram que a velocidade
terminal da partícula, em um dado fluido, é função apenas do tamanho e da densidade da
partícula, concluindo-se, portanto que: # se duas partículas têm a mesma densidade, a
partícula com maior tamanho terá maior velocidade terminal; # se duas partículas têm o
mesmo tamanho, a partícula mais densa terá maior velocidade terminal.
Considere duas partículas minerais de densidades (da) e (db) diâmetros (Da) e (Db),
respectivamente, caindo em um meio fluido de densidade df, a uma mesma taxa de
sedimentação. Suas velocidades terminais devem ser as mesmas e tem-se pela aplicação direta
das leis de Newton e Stokes que: ρ = (Da/Db) = (db – df/da – df) sendo:
n
Da e Db= diâmetros das partículas a e b respectivamente; da e db = densidades das partículas a
e b respectivamente; df = densidade do fluido; n = 1 para lei de Newton; 0,5 para lei de Stokes
Esta expressão é conhecida como razão de sedimentação livre que é a razão de
tamanho de partículas necessária para que dois minerais tenham a mesma velocidade terminal
de sedimentação. Substituindo-se as fórmulas tem-se a seguinte equação para a velocidade
2
terminal (Vt): Vt = (4r g/18µ). (ds – df). Na faixa granulométrica intermediária (0,05
< r < 5 mm), onde a classificação a úmido é normalmente realizada, não há nenhuma lei
definida. Uma das expressões sugeridas para traduzir a resistência oferecida pelo fluido nesta
81

82. faixa é dada pela combinação das forças de resistência regidas pelas leis de Stokes e de
Newton, obtida por Ossen, e expressa pela seguinte equação:
R = 6πµrVt [1+(3dfVt/8µ)
Tipos de Classificadores
Os classificadores podem ser divididos em vários grupos dependendo do mecanismo,
do fluido utilizado, etc, conforme é apresentado na Tabela.
Os classificadores consistem essencialmente de uma coluna de separação, na qual o
fluido, seja líquido ou gasoso, está ascendendo a uma velocidade uniforme. As partículas
introduzidas na coluna de separação sobem ou descem dependendo das suas velocidades
terminais. Assim, são obtidos dois produtos: um overflow consistindo de partículas com
velocidade terminal menor que a velocidade do fluido e um underflow de partículas com
velocidade terminal maior do que a velocidade do fluido.
∅ Classificadores Horizontais  Os classificadores horizontais são essencialmente do tipo
sedimentação em "queda livre" e têm acentuada utilização quando se pretende uma separação
apenas por tamanho. Estes classificadores são
divididos em: cones de sedimentação, classificadores
mecânicos e classificadores espirais.
∅ Cone de Sedimentação  Este tipo de
classificador é o mais simples, sendo utilizado
praticamente na separação de sólidos e líquidos, ou
seja, como unidades desaguadoras em operações de
pequena escala. É usado também na deslamagem de
minérios. Geralmente são construídos em concreto
ou aço, tendo um coletor de produtos grossos no
fundo e um lavador no topo para que as partículas
ultrafinas não sejam arrastadas. O tipo mais comum
é o de cone duplo, que consiste de um cone externo
fixo e um cone interno concêntrico e regulável.
Entre, os dois cones, existe um espaço por onde a
água sobe sob pressão, transbordando pelas
canaletas laterais colocadas na periferia do cone
externo.
∅ Classificadores Mecânicos  Os classificadores mecânicos têm seu uso difundido em
operações de circuito fechado de moagem e na classificação de produtos de usinas de lavagem
de minérios. Vários estudiosos consideram os classificadores espirais como classificadores
mecânicos. Devido à sua importância, este
equipamento será definido em tópico
subsequente. Na classificação mecânica
distinguem-se dois tipos de classificadores: i) de
arraste; ii) de rastelo. Eles se apresentam em
geral na forma de tanques retangulares ou de
bacias, tendo idêntico princípio de
funcionamento. A diferença entre eles está na
maneira do underflow ser retirado do
classificador, podendo ser por um
transportador de arraste ou por uma
série de rastelos. A polpa é
82

83. alimentada dentro de uma calha inclinada e sedimenta no tanque. As partículas com altas
velocidades de queda se dirigem para o fundo do tanque (material grosso pesado), enquanto
que as partículas mais leves se mantêm na superfície sendo escoadas como um overflow.
Uma característica operacional dos classificadores mecânicos é que eles permitem
obter uma faixa de separação bem definida, desde que alimentados com uma polpa diluída, o
que acarreta um overflow com baixa percentagem de sólidos. Será necessária a introdução de
uma etapa de espessamento, antes que a concentração se realize. Isso pode vir a constituir
uma desvantagem da utilização desse tipo de equipamento.
∅ Classificador Espiral  Os classificadores espirais são os mais utilizados em instalações
de pequena capacidade, estando o seu campo de aplicação restrito a uma faixa granulométrica
entre 0,833 a 0,074 mm. Sua utilização em instalações de grande porte perde para os
hidrociclones, devido a maior capacidade e versatilidade destes.
Os classificadores espirais consistem de uma calha, ou de dentro dela encontra-se um
eixo envolvido por uma ou mais hélices, as quais, girando, mantêm a polpa em suspensão.
Estas hélices têm a função de remover o material sedimentado do fundo da calha. O conjunto
como um todo apresenta vários níveis
de inclinação, sendo esta uma variável
de processo. Apresenta, em relação ao
classificador de rastelos, a vantagem
de remover o material de maneira
mais eficiente, devido ao declive mais
íngreme, evitando assim o retorno do
material. O classificador em espiral é
normalmente caracterizado pelo
diâmetro da espiral. A alimentação é
feita abaixo do nível de polpa e o material mais pesado afunda e é transportado pelas hélices
ao longo do declive, sendo finalmente descarregado na parte superior através de uma abertura
na base da calha, acima do nível de água. O material mais fino transborda pela parte inferior
da calha. As condições operacionais são definidas pela:
# velocidade de revolvimento ou arraste; #altura da calha e inclinação da calha;
# diluição da polpa.
Para se obter uma classificação mais fina, a velocidade de revolvimento ou arraste
deve ser pequena e a inclinação da calha a menor possível, pois com isso se obtém um tanque
de sedimentação com maior volume, o que permite um tempo de sedimentação maior. Para
classificação mais grossa, o procedimento é oposto ao
acima citado. O parâmetro mais importante é a
diluição da polpa. Quando se opera em circuitos
fechados com moinhos de bolas, os produtos de
moagem dificilmente apresentam menos de 65% em
peso de sólidos, enquanto que os classificadores
espirais não operam com mais de 50%. Nesse caso a
água necessária para diluição da polpa é adicionada
no lavador da alimentação. O aumento na diluição
reduz a densidade do transbordo aumenta a
sedimentação em "queda livre".
∅ Classificadores Verticais  Ao contrário dos
horizontais, os classificadores verticais levam em
conta o efeito da densidade das partículas e são
usualmente utilizados em regime de sedimentação impedida. Atualmente, há uma substituição
significativa desse tipo de classificador pelos hidrociclones, na maioria das aplicações. O
83

84. princípio de operação do classificador vertical baseia-se na injeção de água à polpa de
alimentação, com o fluxo de água em sentido oposto ao das partículas sedimentadas. Estes
equipamentos consistem normalmente de uma série de colunas nas quais partículas em contra-
corrente com a água sedimentam-se de acordo com suas densidades.
A sedimentação seletiva ocorre devido a um controle da velocidade das correntes
ascendentes de água, que decresce da primeira até a última coluna de classificação. As
partículas mais grossas e mais densas irão se depositar na primeira coluna e as finas na última
coluna, enquanto as lamas são obtidas por transbordo. A geometria do equipamento varia
sucessivamente, devido não só à quantidade de água a ser manipulada incluir a água usada
para as classificações anteriores, mas também porque é necessário que se reduza a velocidade
superficial do fluido que transborda entre as colunas.
@ Hidrociclones  Os hidrociclones, como os classificadores mecânicos, têm a sua maior
aplicação em circuitos fechados de moagem, diferindo desses últimos pela maior capacidade.
O princípio básico de separação empregado nos hidrociclones é a sedimentação centrífuga. O
desempenho desses é influenciado por suas dimensões, pelas variáveis operacionais e pelas
propriedades físicas dos sólidos e da polpa alimentada. Na figura é apresentado um
hidrociclone convencional, o qual consiste de uma câmara cilíndrico-cônica com entrada
tangencial e duas saídas. A polpa é injetada sob pressão no aparelho, através de um duto
situado na parte superior da câmara cilíndrica e, como resultado de sua entrada tangencial, é
criado no seu interior um redemoinho. As partículas mais grossas e mais densas são
arremessadas às paredes e descarregadas na abertura inferior, o apex, constituindo o
underflow. Já as partículas mais finas, menos densas e grande parte da fase líquida são
dirigidas para o centro do hidrociclone e saem por um cilindro na parte superior do aparelho,
denominado vortex finder, constituindo o overflow. As principais aplicações para os
hidrociclones, dentre as quais, são citadas:
$ Espessamento  elimina a maior parte da água de uma polpa;
$ Deslamagem  elimina as partículas mais finas. Isto é normalmente necessário para os
processos de separação magnética a úmido, filtração, etc;
$ Classificação  frequentemente utilizado no fechamento de circuito de moagem onde o
underflow do hidrociclone retorna ao moinho;
$ Classificação seletiva  por meio de uma configuração de hidrociclones em série, é
possível obter-se um conjunto de produtos com granulometria definida;
$ Pré-concentração  utilizando hidrociclones de fundo chato, pode-se realizar concentração
por gravidade onde os minerais mais densos são descartados pelo underflow.
As principais vantagens apresentadas pelos hidrociclones são:
$ Capacidade elevada em relação ao seu volume e à área ocupada;
$ Controle operacional relativamente simples;
$ Custo de investimento pequeno;
Devido ao seu baixo preço e pequeno espaço ocupado, é possível manter unidades de
reserva. No entanto apresentam as seguintes desvantagens:
$ A não possibilidade de realizar ajustes para minimizar os efeitos causados pelas oscilações
na alimentação;
$ Para se ter um controle efetivo no processo, geralmente são necessárias instalações
sofisticadas;
$ Se o minério for abrasivo, o custo de manutenção das bombas e dos hidrociclones poderá
ser relativamente elevado.
Alguns autores descrevem a influência da geometria do hidrociclone bem como as
condições operacionais no desempenho do equipamento.
# Diâmetro do Hidrociclone  Define a capacidade e o diâmetro de corte dos hidrociclones.
Aumentando o diâmetro, aumentam a capacidade do hidrociclone e o diâmetro de corte.
84

85.  FILTRAÇÃO
Foi referido anteriormente que, no caso de se pretender efetuar a separação de
partículas de diversas granulometrias em suspensão num líquido, esta se pode efetuar por
meio de um peneiro colocado no percurso desse líquido. A granulometria das partículas que
passam depende da abertura das malhas. Se a malha for mais apertada que a granulometria
das partículas, dá-se a separação das partículas por um fenómeno chamado “filtração”.
Na filtração usam-se filtros de tecidos de fibras naturais ou artificiais (lã, algodão,
seda, etc.) permitindo, deste modo, filtrar o líquido, mas impedindo, no entanto, de reter as
partículas mais finas. Outra hipótese a que se recorre é à filtração através de corpos
compactos de determinada porosidade, a qual permite o mesmo efeito. Os materiais mais
comuns utilizados são:
• Membranas • Produtos cerâmicos
• Materiais finos que se encontram entre outros de maior granulometria
Outro aspecto que há a considerar na operação de filtração é o facto de o papel onde
a substância é filtrada operar também como meio filtrante. Se se chamar “precipitado” à
suspensão de partículas num líquido, aquele, ao ser retido no filtro, vai atuar a partir de
determinada altura como meio filtrante, sendo denominado “bolo”. O estudo deste bolo é
variável consoante se trate de partículas deformáveis ou indeformáveis, ou seja, bolos
compressíveis ou incompressíveis.
Do ponto de vista industrial e na maioria dos casos, a filtração faz-se usando o bolo
como meio filtrante, sendo o papel do filtro, propriamente dito, de simples suporte. Enquanto
não se obtém um regime estacionário, é provável que subsista alguma turbidez, que é
reduzida, posteriormente, à medida que o processo de filtração se desenvolve.
Fenômenos Associados à Filtração
Sempre que se efetua a passagem de um líquido através de um meio filtrante,há uma
resistência a essa passagem. Para
aumentar o rendimento de filtração, é
preciso atuar de dois modos:
• Exercer compressão ou sobre pressão
na parte superior do líquido;
• Aspirar na parte inferior.
Esta sobre pressão ou
aspiração (vácuo) é função da perda de
carga através da membrana filtrante e
do bolo que se vai formando. O
conhecimento desta vai possibilitar
saber qual a sobre pressão ou vácuo
que se tem de aplicar.
Portanto, todo o fenómeno de
filtração consiste em saber até que ponto se pode reter um bolo, antes de retirá-lo numa
operação intercalar e de modo a que o rendimento de filtragem seja elevado, sem aumentar
demasiado a sobre pressão ou a aspiração.
Os filtros agrupam-se, assim, em duas grandes categorias:
• Filtros de grande área filtrante e de trabalho descontínuo;
• Filtros de pequena área e contínuos.
No primeiro caso, é usual utilizar-se um composto de filtros empilhados fazendo-se a
alimentação entre os mesmos e usando uma sobre pressão. No segundo caso, usam-se filtros
rotativos, com aspiração, também chamados filtros de vácuo.
85

86. Deste modo, é possível definir os filtros que se podem usar na prática:
• Filtros de materiais soltos não são utilizáveis para grandes quantidades de precipitado (é
destinado, principalmente, à filtração de águas para a indústria alimentar).
• Filtros de membrana e de materiais cerâmicos são usados, fundamentalmente, para
laboratório.
• Em aplicações industriais, os filtros mais usados são os de precipitado.
1 – Filtros de membrana  As membranas artificiais obtêm-se a partir de soluções
coloidais por evaporação do solvente, obtendo-se, deste modo, uma película muito fina de
poros bastante apertados. Os filtros de papel usados sobre tudo nos laboratórios, podem ser
considerados, com alguma aproximação, como membranas.
2 – Filtros de materiais cerâmicos  Estes tipos de filtros são, sobretudo, de três
categorias:
• Filtros de porcelana porosa; • Filtros de grãos aglomerados por fusão;
• Filtros de grãos ligados por um cimento de ligação.
Aos dois primeiros
grupos pertencem os filtros
constituídos por vidro ou
porcelana aglomerados a alta
temperatura, enquanto que, ao
terceiro, pertencem os de tipo
alumina, carvão ou quartzo, com
um cimento de ligação à base de
silicato de sódio.
3 – Filtros de grãos soltos 
Os materiais mais usados são a
areia, terra, carvão, carvão
ativado, etc., com uma
granulometria variável, mas que
ronda 0,25 mm. Estes tipos de
filtros são constituídos por uma
caixa cilíndrica ou prismática,
podendo o eixo ser colocado
vertical ou horizontalmente. Os filtros deste tipo dividem-se, ainda, em lentos e rápidos,
podendo estes ser abertos ou fechados. No primeiro caso, são apenas condicionados por uma
coluna de água e, no segundo caso, por uma sobre pressão que pode ter valores até 4 bares. As
capacidades de filtragem são variáveis. Assim, tem-se:
• Filtros lentos – 0,03 l/s m2; • Filtros rápidos – 1 a 3
2
l/s m .
Estes meios não servem, de modo geral, como
únicos meios filtrantes. No entanto, no caso de gases,
servem como meio filtrante como, por exemplo, nos
chamados “filtros de mangas”. Nestes filtros, é
interrompida, periodicamente, a passagem do gás de
modo a retirar as partículas retidas, sendo estas
operações, de um modo geral, automáticas.
$ Substâncias auxiliares de filtração  São substâncias
que se juntam aos precipitados finos e coloidais, de
86

87. modo a facilitar a filtração. Devem permanecer em suspensão na solução, ser inertes e
promover a aglomeração dessas partículas.
Tipos de Filtros
Conforme se viu anteriormente, os filtros de bolo classificam-se em:
• Filtros de pressão • Filtros de vácuo
Os filtros de pressão subdividem-se, ainda, em:
• Filtros de prensa • Filtros de placas • Prensas
Os filtros de prensa são formados por uma série de molduras sobrepostas
alternadamente, e cujo corte transversal. As características mais comuns são:
• pressão inferior a 70 bar; • dimensões de 1 a 1,5 m de lado;
• número de quadros inferior a 40
Os filtros de placas são formados por uma série de superfícies filtrantes sobre postas,
constituídas por uma rede metálica sobre a qual assenta o material filtrante.
Fundamentalmente, existem dois tipos de filtros: Sweetland e Kelly. A pressão de
funcionamento varia, para ambos os casos, entre 3 e 15 bar, situando-se a área total entre 50 a
100 m2. Quando o precipitado é poroso, a quantidade que fica retida é suficiente, tornando-se
necessário submetê-la a uma prensagem, que se pode obter por sistemas sem-fim ou por
bombas hidráulicas. Outro tipo de filtro, bastante usado na indústria, é o de vácuo, o qual, de
um modo geral, é contínuo, sendo a
pressão, normalmente, inferior à
atmosférica.
Existem, fundamentalmente,
dois tipos: os de correia e os rotativos.
Nos filtros de correia, o material de
suporte é formado por uma correia sobre
a qual se faz vácuo. Em relação aos filtros
rotativos, estes podem ser de tambor ou
de discos.
Os filtros de tambor são
formados por duas superfícies cilíndricas
concêntricas, de raios pouco diferentes,
sendo a coroa cilíndrica dividida em
partes iguais. A cada um dos compartimentos, liga-se um dispositivo de vácuo com
disposição radial, reunindo-se todos num disco central, com um número de orifícios igual ao
número de tubos, o qual é apertado contra outro disco com dois orifícios diferentes, um com
sobre pressão (o menor) e outro ao vácuo (o maior). Quando em funcionamento, os orifícios
vão estando em contato com o vácuo e com o de sobre pressão, dando-se a operação de
filtração ou separação do bolo. O filtrado segue pela canalização de vácuo, sendo,
posteriormente, bombeado. O vapor do líquido segue também para um condensador
barométrico.
O vácuo é produzido, de um modo geral, por uma bomba rotativa, e a sobre pressão
por um compressor de menor dimensão. A alimentação do filtro é feita, ou pela parte interior,
ou através de um tanque concêntrico exterior. No primeiro caso, o filtro está na parte interior
e, no segundo, na superfície exterior (filtros Oliver ou Darrco).
Os filtros de discos são semelhantes aos rotativos, mas são constituídos por uma série
de discos sobrepostos, divididos em vários sectores ligados a tubos de vácuo. Os parâmetros
típicos de funcionamento dos filtros rotativos são os seguintes:
• Velocidade de rotação: 1 a 60 rpm; • Espessura dos bolos: cerca de 2,5cm
• Dimensões: Filtros Oliver – diâmetro 30cm a 4,5m; – comprimento 30cm a 6m
87

88. Filtros Darrco – diâmetro 1 a 4m – comprimento 30cm a 1,5m
Filtros de discos – diâmetro 0,5 a 4m – número de discos 5 a 10
Os bolos, após serem separados, podem ter de sofrer uma operação posterior de
lavagem, operação essa que, na maioria dos casos, é feita com água. Estes processos de
lavagem dependem dos tipos de filtro.
 DESTILAÇÃO
A destilação é uma operação que permite a separação de misturas de líquidos em
seus componentes puros ou próximos da pureza, por meio de evaporação e condensação dos
componentes em questão. Na destilação, portanto, pode-se afirmar que o agente de separação
é o calor, pois o vapor formado tem composição diferente da mistura original.
O processo de destilação é muito utilizado em toda a indústria química, como por exemplo, na
obtenção de álcool retificado de uma mistura de fermentação, ou ainda, na indústria
petrolífera para a separação das frações contidas no petróleo bruto, como gás combustível,
GLP, nafta, querosene, diesel, gasóleo, óleo combustível. É um processo muito utilizado
também na indústria petroquímica, para a separação de frações da nafta petroquímica.
Conceitos Fundamentais
Alguns conceitos são fundamentais para a melhor compreensão do mecanismo de
separação que ocorre na destilação, são eles a volatilidade e o equilíbrio líquido – vapor.
Volatilidade
A separação em uma coluna de destilação acontece devido à volatilidade relativa de
um componente com relação ao outro. Geralmente, salvo raras exceções, a fração mais volátil
em uma mistura é aquela que em estado puro possui maior pressão de vapor, ou seja, tem
maior tendência a evaporar. Como exemplo, tem-se que, devido ao critério massa molar, o
metano é mais volátil do que o etano, que por sua vez é mais volátil que o propano, que por
sua vez é mais volátil que o butano e assim por diante; então a separação destes é possível
utilizando-se o agente calor e equipamentos adequados, denominados colunas ou torres de
destilação para processos contínuos ou destiladores para processos descontínuos ou em
bateladas.
Equilíbrio Líquido – Vapor
Ao colocar em recipiente sob vácuo, determinada quantidade de uma mistura líquida,
por exemplo, uma mistura de hidrocarbonetos, mantendo-se constante a temperatura deste
recipiente, o líquido tenderá a vaporizar-se até que alcance a pressão de equilíbrio entre a fase
vapor e a fase líquida, isto é, as moléculas da fase líquida passarão para a fase vapor,
aumentando a pressão do recipiente até que se tenha o equilíbrio entre as fases líquido e
vapor. O ponto de equilíbrio é atingido quando o número de moléculas que abandona o
líquido para a fase vapor é exatamente igual ao número de moléculas que abandona o vapor
para a fase líquida. Tem-se, aí, o equilíbrio termodinâmico entre as fases líquido – vapor.
Destilação Descontínua ou Destilação Simples
88

89. A destilação simples
ou descontínua é realizada em
bateladas.
Conforme é possível observar
na figura acima, a carga de
líquido é introduzida em um
vaso provido de aquecimento,
entrando em ebulição. Os
vapores são retirados pelo
topo através do condensador,
onde são liquefeitos e
coletados em outros
recipientes.
A primeira porção do
destilado será a mais rica em componentes mais voláteis. À medida que prossegue a
vaporização, o produto vaporizado torna-se mais volátil e o líquido residual torna-se menos
volátil, pois o percentual de componentes leves no líquido residual vai sendo esgotado. O
destilado, que é o vapor condensado, poderá ser coletado em porções separadas denominadas
de cortes. Estes podem produzir uma série de produtos destilados com vários graus de pureza.
Então, considerando-se uma mistura de três substâncias:
Substância A – Muito volátil e em pequena quantidade ;
Substância B – Volatilidade média e em grande quantidade;
Substância C – Muito pouco volátil e em pequena quantidade.
Quando uma destilação em batelada ou destilação simples é efetuada, o primeiro
corte, pequeno, conteria predominantemente quase toda a substância A, o segundo corte,
grande, conteria quase toda a substância B, porém estaria contaminado com um pouco das
substâncias A e C, e o líquido residual seria, praticamente, a substância C pura. Assim sendo,
apesar dos três cortes conterem todas as três substâncias, alguma separação teria ocorrido
neste processo de destilação.
Destilação por Expansão Brusca ou Destilação em Único Estágio
O processo de destilação por expansão brusca é
uma operação em um único estágio, no qual uma mistura
líquida é parcialmente vaporizada. As fases líquido e
vapor resultantes deste processo são separadas e
removidas da coluna. O vapor será muito mais rico na
substância mais volátil do que na carga original ou no
líquido residual.
Destilação
Fracionada
A
destilação
fracionada é o
tipo de destilação mais utilizada em indústrias de
grande porte. Nos dois tipos de destilação
abordados anteriormente, destilação em batelada e
por expansão brusca, a separação das diversas
substâncias que compõem a mistura é realizada de
forma imperfeita ou incompleta. Na destilação
89

90. fracionada, é possível a separação em várias frações, em uma mesma coluna, pois, pode-se ter
temperaturas, vazões e composições constantes em um dado ponto da coluna.
A destilação fracionada é uma operação de separação de misturas por intermédio de
vaporizações e condensações sucessivas, que, aproveitando as diferentes volatilidades das
substâncias, torna possível o enriquecimento da parte vaporizada, com as substâncias mais
voláteis. Estas vaporizações e condensações sucessivas são efetuadas em equipamentos
específicos, denominados de torres ou colunas de destilação.
O processo, em linhas gerais, funciona como esquematizado na figura a seguir:
A mistura a ser destilada é introduzida num ponto médio da coluna, ponto F,
denominado ponto de alimentação. No seu interior, a mistura irá descer até atingir a base da
coluna onde encontrará aquecimento do refervedor.
O refervedor, um trocador de calor aquecido por vapor d'água ou outra fonte
térmica qualquer, aquecerá a mistura até atingir sua temperatura de ebulição. Neste ponto, a
mistura emitirá vapores que irão circular em sentido ascendente na coluna, em contracorrente
com a mistura da alimentação da coluna. Os vapores ascendentes atingirão o topo da coluna e
irão para um condensador, onde serão liquefeitos e deixarão a coluna como produto de
destilação, D. Na base da coluna, a mistura, isenta de componentes mais voláteis, deixa o
equipamento como produto residual, W.
O processo resume-se, então, em alimentar a coluna de destilação com a mistura que
se quer separar, F, no ponto médio da coluna; fazer a circulação ascendente do vapor em
contracorrente com o líquido descendente da coluna, com remoção do destilado, D, no topo da
torre e do líquido residual, W, no fundo da coluna.
A volatilidade relativa do produto a ser destilado permite a separação dos
componentes mais voláteis, e o contato íntimo entre as fases líquidas e vapor ao longo da
coluna promove a perfeita separação dos componentes desejados. Para melhorar a separação
das frações desejadas, utiliza-se o retorno de parte do destilado, D, na forma de refluxo, Lo,
que enriquece o produto de topo da coluna, D, com produtos mais voláteis, melhorando a
pureza do destilado D.
Como pode ser observado, neste processo não existem reações químicas, somente
troca térmica, devido ao refervedor de fundo e ao condensador de topo, e também troca de
massa entre o vapor ascendente e o líquido descendente no interior da coluna de destilação.
Colunas de destilação ou de retificação
As colunas de destilação são constituídas por três partes essenciais:
1 – Refervedor  É, geralmente, encontrado na base da coluna de destilação, conforme pode
ser observado na figura a seguir:
Sua finalidade é proceder ao aquecimento da base
e, em consequência, promover a evaporação dos
componentes mais voláteis. Podem ser construídos com
dispositivos de aquecimento com vapor d'água, por
aquecimento com circulação de frações de óleos quentes
ou, até mesmo, através de resistências elétricas.
Os vapores formados na base da coluna circularão
de forma ascendente. Partes destes serão condensados ao
longo do percurso na torre, retornando na forma líquida,
permitindo, desta forma, um contato íntimo entre o vapor
ascendente e o líquido descendente ao longo da torre.
Dependendo do tipo de interno da coluna, o contato entre
a fase líquida e vapor poderá atingir níveis que melhorarão
as condições da separação desejada.
90

91. Na coluna de destilação, os componentes mais pesados da mistura condensam e
retornam à base da coluna, de onde são retirados como líquido residual, W. Os componentes
mais leves atingem o topo da coluna e são retirados como produto destilado, D, após
passarem pelo condensador.
2 – Condensador  Tem como finalidade proceder à condensação dos vapores leves que
atingem o topo da coluna. Após a condensação, tem-se o produto destilado desejado, D, com
a composição especificada. O processo requer, portanto, dois trocadores de calor, ambos de
mudança de fase, refervedor procedendo à vaporização e o condensador efetuando a
condensação das frações. Em alguns projetos, o refervedor poderá ser substituído por uma
injeção de vapor d’água no fundo da coluna de destilação.
Tipos de Torres de Destilação
Na coluna, há o contato entre as fases líquidas e vapor. O problema resume-se em
contato perfeito entre as fases, e consequentemente, a altura da torre deve ser adequada ao
tipo de separação que se deseja. A cada mistura corresponderá uma altura definida de coluna,
que poderá ser perfeitamente calculada para a separação desejada. Existem três tipos
convencionais de colunas de destilação: colunas com pratos e borbulhadores, colunas com
pratos perfurados e colunas com recheios. Todas funcionam com o mesmo princípio, ou seja,
promover de forma mais perfeita possível o contato entre as fases líquido e vapor.
Colunas com pratos e borbulhadores
São as mais usuais e também podem ser denominadas de “bandejas”. Colunas deste
tipo adotam pratos ou bandejas
superpostas e que variam em
número e detalhes conforme a
mistura que se pretende destilar. Os
pratos são constituídos por
borbulhadores, tubos de ascensão e
de retorno, conforme apresentado
na figura a seguir.
Onde:
1) Borbulhador 2) Tubo de
ascensão 3) Tubo de retorno
V – Vapor L – Líquido
Os borbulhadores são
dispositivos com formato
cilíndrico, com aparência de um
copo dotado de ranhuras laterais até
certa altura, conforme a figura a
seguir. Os borbulhadores são fixados sobre os tubos de ascensão dos vapores e destinados à
circulação ascendente do vapor de um prato a outro.
Sobre cada tubo de ascensão, encontrasse um
borbulhador. O tubo de retorno tem como finalidade
fazer o retorno, prato a prato, do excedente da fase
líquida condensada sobre o prato. Assim sendo, existe
sobre cada prato ou bandeja, um nível de líquido
constante, regulado pela altura do tubo de retorno, e
que deve corresponder ao nível do topo dos borbulhadores.
91

92. Os borbulhadores são dispostos de tal
forma que fiquem na mesma altura do
início do tubo de retorno de líquido, a
fim de que se tenha uma ligeira imersão
na camada líquida.
Os vapores devem circular em
contracorrente com o líquido, ou melhor,
de forma ascendente, passando pelos
tubos de ascensão, borbulhando através
das ranhuras dos borbulhadores e
condensando em parte nas bandejas e
parte retornando à bandeja imediatamente inferior.
Os tubos de retorno funcionam também como selos hidráulicos, impedindo que o vapor
circule através deles. A figura a seguir ilustra bem o que foi comentado anteriormente.
Colunas com pratos perfurados
Neste tipo de coluna, os pratos com borbulhadores são substituídos por pratos
dotados de perfurações, cujo diâmetro varia entre 0,8 e 3 mm. O funcionamento é idêntico às
colunas que utilizam pratos com borbulhadores. Geralmente, neste tipo de coluna, não existe
o tubo de retorno e os pratos ocupam toda a seção da coluna, porém existem projetos em que
as colunas com pratos perfurados são dotadas tubo de retorno.
Colunas com Recheio
Neste tipo de coluna, os pratos ou bandejas são substituídos por corpos sólidos com
formatos definidos. Estes corpos, denominados recheios, podem ser anéis do tipo Rachig,
Pall, Lessing ou ainda selas do tipo Berl, Intalox e outros. Alguns destes recheios podem ser
observados na figura seguinte.
A finalidade do recheio é provocar o contato das fases líquido-vapor. Os corpos do
recheio devem ser de alta resistência à corrosão, razão pela qual são, geralmente, de cerâmica
ou de aço inoxidável. Dependendo da temperatura do processo pode-se utilizar também
recheios plásticos de alta resistência.
As torres que utilizam recheios são muito competitivas com as torres que contêm pratos com
borbulhadores ou pratos perfurados e apresentam ainda algumas vantagens, tais como:
a) Geralmente são projetos mais econômicos, por serem mais simplificados;
b) Apresentam pequena perda de carga; c) Não estão sujeitas às formações de espuma.
Os recheios são disponibilizados em seções, sobre suportes de sustentação, o que
impede uma compactação e/ou uma descompactação localizada, que formaria caminhos
preferenciais ao longo da coluna. O tamanho dos elementos dos recheios, geralmente, variam
entre 0,5 e 8 cm.
Seções de uma Coluna de destilação
92

93. Como visto anteriormente, em uma coluna de destilação, o vapor da mistura que sai
de um prato atravessa o líquido do prato superior, deixando seus componentes menos voláteis.
O calor liberado pela condensação destes componentes vaporiza, então, os compostos mais
voláteis do líquido contido no prato superior. Existe, portanto, uma troca de calor e massa ao
longo das bandejas da torre e nota-se que, à medida que se sobe na coluna, os vapores tornam-
se mais voláteis (mais leves) e, à medida que se desce na coluna, os líquidos tornam-se menos
voláteis (mais pesados).
Seção de enriquecimento ou absorção
É a parte da coluna compreendida entre o prato de entrada da carga e o topo da
coluna. Nesta seção, são concentradas as frações ou substâncias mais leves (mais voláteis), ou
seja, em todos os pratos acima do prato de alimentação, a percentagem de compostos mais
leves é maior do que na carga. As substâncias mais pesadas são removidas dos vapores que
ascendem, pelo refluxo interno de líquido que desce pelo interior da torre, líquido que
também é denominado como refluxo interno.
Seção de esgotamento
É a parte da coluna compreendida entre o prato de entrada da carga e o fundo da
coluna. Nesta seção são concentradas as frações ou substâncias mais pesadas (menos
voláteis), ou seja, em todos os pratos abaixo do prato de alimentação, a percentagem de
compostos mais pesados é maior do que na carga. Os componentes ou substâncias mais
pesadas são removidos dos vapores que ascendem, pelo refluxo de líquido que desce pelo
interior da torre, também denominado de refluxo interno.
Balanço Térmico
Os principais balanços materiais para este
processo são:
1 – Balanço Térmico Global
F . qF + Qr = D . qD + W . qW + QC (1)
Como é possível observar na expressão (1),
o calor retirado do condensador, QC, depende
do calor introduzido no sistema pelo
refervedor, Qr, uma vez que os demais
termos da expressão são fixados por projeto.
2 – Balanço térmico no condensador
V . qV = L . qL + D . qD + QC (2)
Sabe-se que, qL = qD e V = L + D, portanto
a equação (2) pode ser reescrita como uma
nova expressão:
(L + D) . qV = L . qL + D . qL + QC ®
(L + D) . qV = (L + D) . qL + QC
(L + D) . qV – (L + D) . qL = QC ®
(L + D) . (qV – qL) = QC (L + D) = QC /
(qV – qL) (qV – qL) = Calor de
condensação do vapor de topo da coluna de destilação.
Influência das principais variáveis na destilação fracionada
A figura a seguir será utilizada para que possam ser feitas as observações necessárias
sobre a influência das principais variáveis que ocorrem neste tipo de processo.
93

94. ∅ Razão de Refluxo
Nas torres de destilação
fracionada existem dois tipos de
refluxo, externo e o interno, que geram,
desta forma, as razões de refluxo
externa e interna. A razão de refluxo
interna acontece tanto na região de
absorção, quanto na região de
esgotamento. As seguintes expressões
podem ser escritas para as razões de
refluxo:
Razão de refluxo externo:
Re = ( L/D)
Razão de refluxo interna:
Na seção de absorção:
(Ri)abs = ( Lm / Vm ) Na seção de esgotamento: (Ri)esg = ( Vn / Ln )
O grau de fracionamento que acontece em uma coluna de destilação é determinado
pelas razões de refluxo interna na torre, que por sua vez são geradas a partir da carga e do
refluxo externo à torre de destilação, ou seja, o refluxo interno na seção de absorção, Lm, é
gerado pelo refluxo externo, L, enquanto que na seção de esgotamento, Ln, é gerado pelo
refluxo interno Lm mais a carga F.
Na seção de enriquecimento ou absorção, quanto mais líquido Lm descer na torre
por unidade de massa de vapor que sobe, tanto melhor será a separação, pois, nesta seção, a
finalidade é reter os compostos pesados (menos voláteis) contidos nos vapores. Quanto maior
a razão (Lm/Vm), tanto melhor será, então, o fracionamento nesta região da torre de
destilação. Na seção de esgotamento, tem-se o contrário da seção de absorção, quanto mais
vapor subir na torre por unidade de massa de líquido que desce, melhor será a separação nesta
seção da torre, já que a finalidade, nesta região, é a remoção dos compostos leves (mais
voláteis) do líquido que desce pela torre. Portanto, na seção de esgotamento, também
denominada de stripping, quanto maior a razão (Vn / Ln), melhor será o fracionamento.
Resumindo, pode-se afirmar que, para uma determinada coluna, o grau de fracionamento é
tanto maior quanto maior for à razão de refluxo interna.
∅ Razão de Refluxo Versus número de pratos da Coluna
Existe uma relação entre o número de pratos ou bandejas de uma coluna de
destilação e a razão de refluxo interna ou externa deste equipamento. Quanto menor for o
número de pratos ou bandejas de uma coluna, pior será seu fracionamento. Podem ser
construídas torres com grande número de pratos para operarem com pequena razão de refluxo
interna, assim como torres com pequeno número de pratos e razões de refluxo interno
elevado, para uma carga com as mesmas características.
Tendo em vista a relação anteriormente descrita, a condição de refluxo ou razão de
refluxo mínimo
corresponderá a
uma coluna com
um número
infinito de pratos
para que seja
atingido o
94

95. fracionamento desejado, assim como a condição de refluxo ou razão de refluxo total
corresponderá a uma coluna com um número mínimo de pratos para que o fracionamento
desejado seja atingido. Nenhuma destas condições é satisfatória, uma vez que uma torre com
número de pratos infinito é um projeto totalmente inviável economicamente, bem como a
construção de uma coluna que não produza, pois para o refluxo total não se tem retirada de
produtos, como pode ser verificado pelo cálculo abaixo.
Na seção de absorção, o seguinte balanço material é observado:
Vm = Lm + D Lm = Vm – D
Dividindo-se os dois termos da equação por Vm , tem-se que :
Quando ocorrer refluxo total, então D = 0, logo:
(Lm / Vm) = 1 ® Lm = Vm, ou seja, a quantidade de líquido que desce na seção de absorção é
igual à quantidade de vapor que sobe nesta seção, não havendo, portanto, produção.
Na seção de esgotamento, observa-se o seguinte balanço material:
Ln = Vn + W Vn = Ln – W
Dividindo-se os dois termos da equação por Ln, obtém-se que: (Vn / Ln) = 1 – (W/ Ln)
No caso da seção de esgotamento, todo o líquido residual será vaporizado no
refervedor, então W = 0, então:
(Vn / Ln) = 1 ® Vn = Ln, isto é, a quantidade de vapor que sobe na seção de esgotamento é
igual à quantidade de líquido que por ela desce e não há produção.
Quando a coluna é operada, portanto, em refluxo total, o fracionamento é
praticamente perfeito, porém o gasto com energia é muito elevado e não há produção na
coluna, o que torna o processo economicamente inviável. A relação entre o número de pratos
ou estágios e a razão de refluxo pode ser observada no gráfico a seguir:
A razão de refluxo interna mínima é aquela que corresponde a um refluxo externo, L,
mínimo, por consequente, os projetos de colunas de destilação são concebidos prevendo-se,
geralmente, um refluxo externo com valores que variam entre 1,5 a 2 vezes o valor da razão
de refluxo mínima. Este valor é denominado razão de refluxo operacional, RR oper, como
pode ser observado no gráfico anterior.
Fatores que influenciam as principais variáveis na destilação fracionada
∅ Propriedades da carga
Como cada carga a ser processada pode exibir uma característica, pois as proporções
entre os componentes a serem separados podem ser diferentes, haverá, então, uma razão de
refluxo para cada carga a ser processada. A diferença de volatilidade entre os componentes da
carga, de uma torre de destilação fracionada, exerce grande influência sobre as variáveis
citadas. Como exemplo, pode-se citar a comparação entre a separação de uma mistura
contendo 50% de etano e 50% de eteno de outra contendo 50% de hexano e 50% de eteno.
No primeiro caso, a separação entre o etano e o eteno requer tanto uma quantidade de
refluxo, bem como uma quantidade de estágios (pratos) na coluna muito maiores do que na da
separação da mistura entre o hexano e o eteno, pois estes dois últimos compostos possuem
grande diferença de volatilidade.
∅ Eficiência dos dispositivos de separação das torres (Pratos)
Como mencionado, o componente ou substância que vaporiza a partir do líquido de
um determinado prato da coluna é mais volátil que os componentes contidos no líquido deste
prato, e ainda que este vapor esteja em equilíbrio com o líquido do prato, o número de
moléculas que abandona a fase líquida para a fase vapor é igual ao número de moléculas que
voltam da fase vapor para a fase líquida – princípio do equilíbrio. Para que o equilíbrio, seja
atingido é necessário um certo tempo de contato entre as fases. No caso do prato ou bandeja
de uma torre de destilação, este tempo depende dos detalhes construtivos desta bandeja:
95

96. quanto mais alto o líquido contido neste prato ou bandeja, maior será o tempo de contato entre
as fases, pois o líquido permanecerá mais tempo no prato, e, em consequência o vapor gastará
mais tempo para atravessá-lo. O prato que conserva um maior nível de líquido é aquele que
mais se aproxima do equilíbrio entre as fases líquido-vapor e, por isso, é denominado de
“prato ideal”.
O prato ideal é o dispositivo que permite o maior enriquecimento em componentes
mais voláteis do vapor que penetra no líquido deste prato.
A eficiência de um prato de uma coluna de destilação fracionada poderá ser quantificada pelo
enriquecimento de componentes mais voláteis no líquido deste prato, que no caso do prato
ideal é de 100%. O valor percentual da eficiência de um prato real, em uma coluna de
destilação fracionada, está entre 50 e 80%, é tanto maior, quanto melhor for o projeto da torre,
para as condições de operação especificadas. Se, por exemplo, uma torre, projetada para uma
determinada condição e especificação de carga, mudanças em suas características
especificadas, a mesma não corresponderá satisfatoriamente às condições inicialmente
previstas, diminuindo desta forma, sua eficiência e, consequentemente, podendo comprometer
os resultados inicialmente previstos para aquele projeto. Portanto, o fracionamento em uma
coluna de destilação depende da eficiência dos seus pratos.
Problemas que podem ocorrer em bandejas de colunas de destilação
∅ Problema de arraste
O arraste é o transporte, efetuado pelo vapor, de gotículas de líquido do prato inferior
para os pratos superiores. A quantidade de líquido arrastado depende da velocidade do vapor
ao longo da torre. No arraste, o líquido do prato inferior contamina o líquido do prato superior
com compostos pesados (menos voláteis), piorando o fracionamento ao longo da coluna. O
arraste pode ser provocado pelo aumento da vazão volumétrica do vapor, que, por sua vez,
pode ser decorrente da redução da pressão em alguma região da coluna.
As torres de destilação a vácuo são construídas com um diâmetro muito maior do que
as torres de destilações atmosféricas, pois como suas pressões são muito baixas, provocam
vazões volumétricas muito elevadas.
∅ Problema de Pulsação
Este fenômeno ocorre quando a vazão de vapor, que ascende de um prato inferior
para um superior da coluna, não tem pressão suficiente para vencer continuamente a perda de
carga apresentada pela bandeja em questão. O vapor, então, cessa temporariamente sua
passagem por esta bandeja e, quando sua pressão volta a ser restabelecida, vence a perda de
carga no prato de forma brusca. Assim diminui a pressão do vapor quase que
instantaneamente e cessa a passagem do vapor pelo prato até que seja novamente
restabelecida sua pressão. Esta situação permanece até que seja normalizada a condição de
pressão ao longo da coluna.
∅ Problema de vazamento de líquido
É o fenômeno da passagem de líquido da bandeja superior para a bandeja inferior,
através dos orifícios dos dispositivos existentes nos pratos e que são destinados à passagem do
vapor. Este fenômeno ocorre, quando a vazão de vapor é baixa e a vazão de líquido é
excessivamente alta.
∅ Problema de inundação
A inundação, em uma torre de destilação, ocorre quando o nível de líquido do tubo
de retorno de um prato atinge o prato superior. Poderá acontecer em regiões localizadas na
96

97. torre ou, caso o problema não seja solucionado a tempo, em uma das seções e até mesmo, na
torre como um todo.
 ABSORÇÃO DE UM GÁS
Nas colunas de destilação fracionada, a seção acima do ponto de alimentação da
carga da torre é denominada de seção de absorção e a seção abaixo do ponto de alimentação
da carga da torre é denominada de seção de esgotamento. No entanto, existem processos que
utilizam somente absorção ou esgotamento, e, de acordo com a necessidade do processo, são
projetadas torres que operam somente com processos de absorção ou, então, apenas com
processos de esgotamento. As colunas de absorção e de esgotamento, geralmente, não
possuem estágios de troca de calor, isto é, não apresentam nem refervedor, nem condensador.
É uma operação em que uma mistura gasosa, V1, é colocada em contato com um
líquido, L1, para nele serem dissolvidos um ou mais compostos que se quer remover da
mistura gasosa. Geralmente, existe uma diferença de volatilidade muito grande entre os
componentes da fase gasosa e os da fase líquida. Proporciona-se, com isso, somente a
absorção dos componentes mais pesados da mistura gasosa, sem perca de componentes da
mistura líquida por evaporação.
Esgotamento
É a operação inversa à da absorção, ou seja, tem como finalidade remover compostos
de um líquido, L1, utilizando-se uma corrente de gás ou de vapor, V1, Neste caso, são
utilizados gases ou vapores totalmente insolúveis no líquido ou então gases ou vapores com
volatilidade muito mais alta do que o líquido em questão.
Na realidade, tanto no processo de absorção, quanto no processo de esgotamento,
existe o mecanismo de transferência de massa de uma fase para outra. No caso da absorção,
há transferência de compostos da fase gasosa para a fase líquida e, no caso do processo de
esgotamento, há transferência de compostos da líquida para a fase gasosa.
Solubilidade de Gases em Líquidos
Quando se coloca um gás em contato com um líquido, num recipiente fechado numa
certa condição de temperatura e pressão, parte das moléculas da fase gasosa passa,
inicialmente, para a fase líquida, até que se atinja o ponto de equilíbrio para estas condições
de temperatura e pressão. Neste ponto, a concentração do gás no líquido é denominada de
“solubilidade de equilíbrio do gás neste líquido”, nas condições de temperatura e pressão em
questão. No exemplo acima, a fase gasosa é constituída somente por um tipo determinado de
gás. No caso de haver uma mistura de duas ou mais substâncias gasosas, em que somente uma
delas é solúvel no líquido, a “solubilidade de equilíbrio” dependerá da pressão parcial deste
gás, na mistura gasosa. O valor da pressão parcial de uma sustância é o percentual molecular
desta substância em relação à pressão total da mistura, ou seja:
(P Parcial) A = (% molecular A / 100) x P Total
Por exemplo, numa mistura gasosa em que a pressão total do sistema é de 20
2
kgf/cm , tem-se 30% de moléculas de propano; assim a pressão parcial do propano na mistura
deste sistema será: (30/100) x 20 = 6 kgf/cm2. A solubilidade de equilíbrio de um determinado
gás, a uma certa temperatura, em um determinado líquido, aumenta, com o aumento da
pressão parcial do gás, ou ainda, com o aumento da concentração do gás no referido líquido,
desde que a temperatura se mantenha constante. É possível relacionar a pressão parcial de um
determinado gás com a sua solubilidade de equilíbrio num determinado líquido, e com isto,
gerar gráficos com curvas de solubilidade de equilíbrio em função da pressão parcial de
equilíbrio.
Com o aumento da temperatura, a solubilidade do gás diminui. Na temperatura de
10ºC e com uma pressão parcial de equilíbrio de 50 mm Hg, a concentração ou solubilidade
97

98. de equilíbrio da amônia em água será de 11%. Com a mesma pressão parcial de 50 mm Hg,
na temperatura de 30ºC, a concentração ou solubilidade de equilíbrio da amônia na água será
de 5%.
Potencial que promove a absorção
Conforme abordado anteriormente, quando um líquido e um gás estão em equilíbrio
(o número de moléculas da fase gasosa que passa para a fase líquida é igual ao número de
moléculas que passam da fase líquida para a fase gasosa), nas condições de temperatura e
pressão estabelecidas não haverá mais alteração da concentração do gás absorvido no líquido.
Porém, caso haja alteração, por exemplo, da pressão parcial do gás a ser absorvido
pelo líquido, sem a alteração da variável temperatura, então ocorrerá à passagem de moléculas
da fase gasosa para a fase líquida até a nova situação de equilíbrio. Baseado nestes conceitos,
o potencial, que promove a absorção de um gás A em um certo líquido, poderá ser
equacionado da seguinte forma:
(Potencial de absorção) A = (Pressão Parcial) A – (Pressão Parcial de Equilíbrio) A
Refluxo Interno Mínimo
No caso dos processos de absorção e esgotamento, existe uma razão de refluxo
mínimo, para que a operação desejada seja efetuada.
∅ Absorção  Para o processo de absorção existe uma relação L/V mínima, a fim de que a
operação de absorção desejada possa ser efetuada. Quanto maior a relação L/V, melhor será a
absorção, pois o líquido, L, ficará menos concentrado no composto a ser absorvido. Com o
aumento da relação L/V, tem-se, assim, um aumento no potencial de absorção.
∅ Esgotamento  No caso do processo de esgotamento existe uma relação V/L mínima,
para que a operação de esgotamento desejada possa ser efetuada. Quanto maior a relação V/L,
melhor será o esgotamento, pois o vapor, V, ficará menos concentrado no composto a ser
esgotado. Com o aumento da relação V/L, haverá, então, um aumento no potencial de
esgotamento.
Aparelhagem Usada
Na absorção de gases, a entrada destes faz-se sempre pela parte inferior, e os tipos
usados dependem, fundamentalmente, de cada um dos filmes de interface, e dos caudais de
líquido e de gás. Existem, assim, as seguintes categorias de aparelhagem de absorção:
• Sistemas em que o gás borbulha no líquido;
• Câmaras de pulverização;
• Sistemas em que o gás passa sobre massas líquidas;
• Torres de enchimento;
• Sistemas com partes mecânicas;
• Colunas de pratos.
Os sistemas em que o gás borbulha no
líquido, só se usam no caso em que os gases são
completamente solúveis, sendo a absorção
regulada pelo filme líquido. Nas câmaras de
pulverização, o líquido é pulverizado na massa do
gás. São utilizadas quando a absorção é regulada
pelo filme gasoso. Os sistemas de pulverização
podem ser colocados em vários níveis de câmaras
ou numa coluna central. O sistema em que o gás
passa sobre massas de líquido aplica-se quando se
98

99. libertam grandes quantidades de calor na reação de absorção (garrafões de grés). A torre de
enchimento destina-se a ser ocupada por este. Podem usar-se várias torres em série; a
alimentação é feita por distribuidores em que a vedação se obtém por meio de uma junta
hidráulica.
O enchimento destina-se a
aumentar a superfície livre do líquido,
tendo de obedecer às seguintes
condições:
• baixo peso por unidade de volume
• grande superfície em relação ao
volume
• grande secção de passagem
• grande volume livre
• pequena retenção de líquido
• elevada resistência química
Os tipos de enchimento mais vulgares são os seguintes:
• coque • tijolos cerâmicos • anéis de Raschig • anéis de Lessing
• selas de Berl • esferas de Gottmann
Os anéis de Raschig são anéis em material
cerâmico, que podem apresentar algumas variantes,
tais como a existência de uma espiral interior ou de
um ceptro que o divide.
Os anéis de Lessing são anéis metálicos com uma
tela interna. A sela de Berl tem uma configuração
especial. As colunas de pratos são idênticas às de
retificação. Os sistemas com partes mecânicas são
constituídos por órgãos rotativos que lançam o líquido no gás, aos quais pertencem os tubos
dispersores.
 ADSORÇÃO
Fisicamente, a adsorção consiste na retenção da molécula de um gás ou de um
líquido sobre a superfície de um sólido, constituindo um filme de adsorção. A superfície do
sólido refere-se à superfície total incluindo os poros e os capilares. A adsorção pode ser física
ou química, conforme é determinada por forças de Van der Walls ou pela formação de
compostos à superfície. O calor de adsorção física (energia envolvida quando se processa este
tipo de ligação) é da mesma ordem de grandeza da liquefação, podendo ser, no entanto,
superior (até 100%). O calor de adsorção química pode formar valores elevados da ordem de
100 000 cal/mole de gás. Por exemplo, o calor de adsorção física do azoto pelo ferro varia de
99

100. 1 000 cal/mole, no início, até 1 360, na fase final. Na adsorção química a alta temperatura
atingem-se valores de 35 000 cal/mole. A adsorção física é rápida e reversível; a adsorção
química é lenta (quase sempre), exigindo uma temperatura de desadsorção bastante elevada.
Aparelhagem Usada
As substâncias adsorventes, mais vulgares, são:
• carvão mineral • sílica gel • bauxita ativada
• alumínio ativado • carvão ativado • Terra de infusórios • metais
A substância adsorvente tem que ser reativa, sendo apenas necessário, para isso,
fazer atravessar a substância absorvente por gases quentes. No caso de líquidos é necessário
fazer a lavagem. A adsorção pode ser estática ou dinâmica, conforme o fluido não esteja em
movimento ou atravesse uma camada de substância adsorvente. A adsorção de gases tem duas
aplicações principais:
100

101. • secagem de gases • catálise de contato
A adsorção de líquidos tem por objetivo a remoção de impurezas de certas
substâncias. Estas podem ser coradas ou ter um cheiro desagradável, sendo necessário efetuar
estas operações. A adsorção é uma área recente de Engenharia Química. A sua aplicação
industrial é relativamente recente. As aplicações mais modernas são:
• hiper adsorção • cromatografia • recuperação de solventes por carvão ativado
A hiper adsorção consiste na absorção de vapores de hidrocarbonetos usando, para o
efeito, um leito fluidizado de carvão ativado. A cromatografia (muito usada em Química
Analítica) baseia a sua aplicação na adsorção de líquidos ou gases, em colunas de separação.
O carvão ativado está a ser bastante usado na recuperação de solventes, nas indústrias que
usam grandes quantidades destes produtos.
101

102.  EVAPORAÇÃO E SECAGEM
A vaporização de líquidos é uma operação frequente na Indústria Química e tem
como objetivos os seguintes:
• Produção de vapor para produção de energia;
• Provocar arrefecimento através da vaporização (refrigeração);
• Concentrar soluções por vaporização do dissolvente;
• Separar os componentes de uma mistura líquida.
Os dois últimos correspondem à vaporização de misturas, apenas diferindo pela
composição do vapor obtido. No primeiro, o vapor é constituído por um componente puro.
Esta operação denomina-se “evaporação”. No último, o vapor tem quantidades apreciáveis de
todos os componentes e a operação denomina-se destilação.
A secagem consiste na separação de um sólido de um líquido por vaporização deste
último, podendo ter diversas formas específicas. No caso da quantidade de líquido ser
bastante superior à do sólido, obtém-se uma operação mais idêntica à de evaporação. Quando
a quantidade de sólido é bastante maior que a de líquido, o fenómeno associado assemelha-se
mais à de extração de sólidos. Este consiste em duas operações sequenciais em que,
primeiramente, se dá a difusão do líquido até à superfície do sólido e, posteriormente, uma
evaporação. No caso de a quantidade de sólido ser maior que a de líquido, aquela permanece
sempre na superfície deste, sendo a secagem uma operação de evaporação. Em caso contrário,
a operação é regulada por fenómenos de difusão, sendo o problema físico associado mais
complexo.
Mecanismos de Evaporação e Tipos de Equipamentos
Qualquer sistema que permita fornecer calor ao líquido a evaporar pode ser usado
para realizar a evaporação. O vapor obtido pela evaporação tem de ser condensado. O calor
libertado na condensação pode ser aplicado na evaporação de líquidos de menor ponto de
ebulição, ou do mesmo líquido a pressões mais baixas (este último caso é conhecido por
evaporação de múltiplo efeito). O fornecimento de calor para se realizar a evaporação pode
ser fornecido por um gás quente que é introduzido sobre a superfície livre do líquido, ou
através das paredes de contato com o líquido do próprio recipiente ou de tubagem de
aquecimento. Em qualquer dos casos, há vantagem em que a superfície de contato seja tão
grande quanto possível.
No caso de haver contato direto do gás com o líquido, trata-se de transmitir calor
através de dois filmes (gás e líquido) de interface. No segundo caso, há ainda a considerar a
transmissão de calor através de uma superfície de aquecimento. O vapor formado pode-se
retirar por arrastamento, juntamente com o gás de aquecimento, ou por condensação, no
segundo caso. Aqui, existe ainda a possibilidade de lançamento na atmosfera se não se quiser
fazer aproveitamento do mesmo (e desde que não se introduzam disfunções ambientais).
A execução da evaporação por contato direto entre o líquido e o gás de aquecimento
pode processar-se de modo adiabático, isto é, sem perdas de calor pelo sistema (em que o
aquecimento do líquido é, exclusivamente, feito pelo gás). A aparelhagem usada neste caso
tem por objetivo produzir uma superfície de separação entre o líquido e o gás tão grande
quanto possível, a qual se pode obter por três processos:
• líquido e gás em repouso, com uma grande superfície de contato;
• subdivisão do líquido;
• subdivisão do gás.
No primeiro caso, existe uma grande superfície de contato, como, por exemplo,
numa salina, em que o ar é o próprio gás usado neste processo. A transmissão de calor faz-se
102

103. por convecção natural. A renovação constante da camada de ar sobre a superfície líquida e o
facto de a saturação do ar ser inferior à mesma vai permitir fazer a evaporação.
O processo de subdivisão do líquido tem quatro formas de realização:
• empilhamentos • agitação do líquido
• pulverização do líquido • torres de evaporação
Nos empilhamentos, o processo de
evaporação é análogo ao do gás e do líquido
em repouso, mas este é, no entanto, obrigado a
correr sobre uma superfície empilhada,
conseguindo-se, assim, uma grande superfície de
contato com o gás. A agitação do líquido
obtém-se fazendo circular o líquido e o gás em
contracorrente num recipiente cilíndrico de
eixo horizontal. No terceiro caso, de
pulverização do líquido, este é, primeiro,
dividido finamente, antes de ser lançado em
contracorrente contra o gás, em equipamentos
análogos aos primeiros em que existem
sistemas de dispersão.
Nas torres de evaporação, o gás e o
líquido circulam em contracorrente, em torres
onde existe um rendimento que permite a
dispersão. A subdivisão do gás consegue-se
fazendo borbulhar a massa de gás na massa do líquido. No caso de sistemas com parede de
separação, é necessário equacionar o problema de transmissão de calor através da superfície
de contato. Esta depende das características físicas do material e da espuma de parede. O
aquecimento pode ser feito por diversos sistemas que, seguidamente, se passam a referir:
∅ Aquecimento por gases quentes  Este
sistema usa os gases quentes de combustão para
aquecimento direto; estes só devem contatar as
paredes de transmissão, após a combustão se dar
completamente, a fim de evitar a diminuição de
velocidade de combustão provocada pelas paredes
mais finas. É conveniente, neste sistema, efetuar a
agitação de modo a evitar sobreaquecimento.
Como exemplo, têm-se as panelas de aquecimento
ou as caldeiras.
∅ Aquecimento por óleo  Neste tipo de
sistemas, usam-se líquidos contidos em recipientes
103

104. de paredes duplas onde o óleo circula, sendo este aquecido, previamente, por sistema direto,
análogo ao da caldeira de vapor. Outros dois sistemas baseiam-se no aquecimento por vapor
de água ou por sistema eléctrico (resistências). Para além da transmissão de calor, há que
considerar a convecção, a qual pode ser realizada por três métodos: • convecção natural •
convecção por agitação • convecção por circulação.
Trocas caloríficas
A evaporação pode efetuar-se
por qualquer um dos processos
anteriormente descritos. A entrada do
líquido a evaporar e do fluido de
aquecimento fazem-se de modo
contínuo. O líquido concentrado,
resultante da vaporização, é retirado
contínua ou descontinuamente. Relativamente aos equipamentos, há vários sistemas a
considerar:
• Aquecimento direto, • Aquecimento usando parede
dupla,
• Aquecimento por superfícies tubulares,
• Evaporação a pressão reduzida,
• Evaporação por múltiplo efeito.
Procede-se, seguidamente, à sua análise
detalhada.
∅ Aquecimento direto  Os equipamentos por
aquecimento direto são os que se baseiam no sistema
atrás referido, por gases quentes, cujos exemplos mais
característicos são as caldeiras. Trata-se de sistemas
tubulares, cuja água circula por convecção natural ou
forçada entre dois barriletes, ou um barrilete e um
sistema de coletores de distribuição, passando pela
fornalha (no caso de caldeiras aquotubulares), sendo
aquecida por gases provenientes de combustão.
Um outro tipo de caldeira usa os gases de
combustão para esse efeito passando por tubos
que conduzem água. O vapor produzido passa, em
seguida, por um circuito de sobreaquecimento, de
modo a aumentar a temperatura do vapor,
podendo destinar-se diretamente ao Processo
Químico ou passar, primeiramente, por um
sistema de produção de energia.
∅ Aquecimento de parede dupla  Neste caso,
o aquecimento é produzido num recipiente
envolvido por uma camisa exterior, onde passa
um fluido de aquecimento.
∅ Aquecimento por superfícies tubulares 
Neste sistema, bastante difundido com a Indústria
Química, há a considerar quatro tipos:
• tubos horizontais
• tubos verticais
• tubos inclinados
104

105. • tubos com formas especiais
Nos evaporadores de tubos horizontais, existem duas variantes, consoante o fluido de
aquecimento circula no interior ou no exterior dos tubos. Nos sistemas onde o vapor circula
no interior dos tubos, este entra, primeiramente, no compartimento de onde parte o feixe
tubular que penetra no líquido a evaporar.
Os líquidos condensados e os gases não
condensáveis saem pelo compartimento oposto ao primeiro.
Dimensões habituais:
• Diâmetro - 1 a 3,5 m • Diâmetro dos tubos - 22 a 32 cm •
Altura - 2 a 3 m
Este sistema é
adequado para soluções
não viscosas e que não
originem incrustações
ou cristais sobre a
superfície livre dos
tubos. No caso de o
vapor passar pelo
exterior dos tubos
(evaporador Yaryan), o
evaporador é formado
por um cilindro oco de
bases perfuradas para a
passagem daqueles. Sobre estas bases, estão as placas de
distribuição, fazendo-se a alimentação através do primeiro tubo; em torno do segundo, existe
uma câmara com anteparos que permite a separação entre líquido e vapor. Esta separação
deve-se ao facto de, à medida que a evaporação se dá, se
formar uma mistura de gás e líquido em turbilhão que
necessitam de uma separação. O comprimento usual destes
equipamentos varia entre 2,5 e 6m.
Nos evaporadores de tubos verticais existem quatro
tipos fundamentais:
• standard • cesto • tubos compridos •
circulação fechada
Nos evaporadores tipo Standard, os tubos são
montados numa coroa cilíndrica, e o
vapor circula no seu exterior. Por
vezes, o cilindro central da coroa
circular, através do qual o líquido
desce, é substituído por vários
cilindros situados em vários pontos da
superfície do líquido. Dimensões habituais dos tubos:
• Diâmetros: 25 a 100 mm • Comprimento: 0,75a 2 m
Nos evaporadores de tubos verticais de tipo cesto, a
superfície através do qual o líquido desce é anelar em vez de
central. A caixa e os tubos constituem um sistema único quando se
desmontam, possuindo um anteparo que evita o arrastamento
líquido, pois, quando a evaporação é violenta, pode arrastar grandes
quantidades de líquido. Nos evaporadores de tubos verticais de tipo
tubos compridos, também vulgarmente designados por tipo
105

106. Kestner, dá-se um aumento de velocidade de passagem de líquido com o objetivo de reduzir a
espessura do filme de líquido.
O líquido ocupa um nível relativamente baixo (60 a 90 cm), a partir da parte inferior,
atravessando o feixe de uma só vez. Na parte superior, existe um anteparo que faz a separação
do líquido; este desce de seguida, por um tubo lateral. A válvula é usada apenas no início de
funcionamento ficando aberta quando em regime estacionário. Dimensões dos tubos:
• Diâmetro – 32 a 64 cm • Comprimento – 3 a 6 m
O feixe tubular pode, também, estar situado no exterior.
Nos evaporadores de feixe tubular vertical, de circulação forçada, o líquido circula
através do acionamento de uma bomba. Este tipo de evaporadores é aconselhável para
líquidos de elevada viscosidade, líquidos que formam espuma ou que dão origem a
incrustações. As dimensões habituais dos tubos:
• Diâmetro – 19 mm • Comprimento – 2,5 m
Como no caso anterior, existe uma variante de tubos externos. Os evaporadores de
tubos inclinados são uma variante daqueles e usam-se apenas em casos muito particulares,
sendo, contudo, de utilização muito frequente. Os evaporadores de tubos de formas especiais
constituem outra variante, podendo ter a forma de U ou em serpentina. Não apresentam
qualquer vantagem em relação ao vertical.
∅ Evaporação a pressão reduzida  Neste sistema, o recipiente de evaporação está em
comunicação com um ejetor que puxa os vapores formados.
∅ Condensação de vapores formados  Os vapores produzidos por sistema de evaporação
são, em seguida, condensados em sistemas específicos, denominados condensadores. Estes
funcionam por contato direto com o líquido de arrefecimento (condensador de contato) ou
através de dois circuitos distintos (condensadores de superfície). Os primeiros são os mais
importantes e classificam-se em húmidos e secos, consoantes os condensados e os gases não
condensados são retirados pela mesma bomba ou por bombas diferentes. Em qualquer dos
casos, a condensação pode ser em contracorrente ou em co-corrente (corrente no mesmo
sentido). No tipo húmido, a remoção conjunta do líquido e do gás é feita por uma bomba, com
dimensões suficientes para a mistura a transportar. No tipo seco, o líquido, é retirado por um
tubo barométrico ou por uma bomba, sendo os gases não condensados aspirados por uma
bomba de vácuo.
Separação do condensado do vapor de aquecimento
O vapor de aquecimento que se vai condensando à medida que a evaporação
prossegue tem de ser retirado continuamente, usando-se para o efeito bombas ou purgadores.
Um purgador é um sistema que permite retirar o condensado, mas que evita a saída do vapor.
Existem três tipos fundamentais:
• dilatação • copo • rotativos
Apresentar-se-ão, a seguir, exemplos dos dois primeiros tipos de purgadores.
Qualquer destes sistemas pode ser de retorno ou não retorno, conforme a câmara de descarga
tiver uma pressão superior, igual ou inferior à da câmara a esvaziar. Os purgadores de
dilatação e de copo são de tipo não retorno, e os rotativos de retorno.
Purgador de dilatação
Este sistema pode ser visto com
maior detalhe. O tubo está ligado ao
evaporador e a saída é fechada pela
válvula, montada na extremidade de uma
106

107. haste solidária com uma parede ondulada, sendo esta, por sua vez, montada numa das
extremidades de uma manga metálica.
O espaço entre a parede ondulada e a manga está cheio de óleo. O condensado, ao
contatar com a parede do purgador, vai arrefecendo também o óleo, contraindo a manga, e a
válvula abrem-se deixando sair o líquido. Quando este sai, o vapor aquece de novo a manga.
Este sistema, devido à dificuldade de regulação, só se usa para pequenas capacidades.
Purgador de copo
Neste sistema, o líquido vai enchendo o copo, o qual desce quando o peso do líquido
atinge um certo valor. A haste desce, igualmente, e abre a válvula. Este tipo de purgador é
intermitente.
Mecanismos de Secagem e Equipamentos
O estudo de secagem depende do tipo de mecanismo que se verificar, o qual está
associado ao grau de saturação do sólido, no líquido que
se pretende evaporar. Seja qual for o modo de
evaporação, esta só se realiza se a saturação do sólido
for superior às das condições ambientais que o rodeiam.
Da diferença entre estes dois valores, designada por
“saturação livre f” e que se exprime em massa de
líquido por unidade de massa de sólido, nasceu o
conceito fundamental no estudo da secagem.
Experimentalmente, existe um valor crítico, ou
fc, abaixo do qual o fenómeno é regulado pela dispersão
e, acima do qual, é regulado pela evaporação. A
secagem efetua-se através de um gás quente que
atravessa, continuamente, um secador onde está contida
a substância a secar, condensando-se como adiabática. O gás tem uma circulação contínua,
em que a temperatura e a humidade são variáveis de ponto para ponto, independentes do
tempo, durante o período em que a secagem é regulada pela evaporação. Este período tem o
nome de “secagem à velocidade constante”.
Quando a saturação crítica é atingida, a velocidade de difusão diminui e a parte de
líquido evaporado é cada vez menor. Neste caso, o período é designado por período de
secagem à velocidade decrescente. Os secadores podem classificar-se em três tipos:
• diretos • indiretos • especiais
Nos secadores diretos, a secagem faz-se por convecção de calor entre o gás quente e
o sólido húmido. O agente de aquecimento pode ser ar aquecido por vapor, gases de
combustão ou atmosfera inerte (azoto vapor sobreaquecido). As temperaturas variam até
750°C. Quando a secagem se faz abaixo da temperatura de ebulição do líquido, o fator
determinante da velocidade de secagem é a saturação do gás, tendo implicações na velocidade
de secagem e na saturação final do sólido. Quando esta é inferior à temperatura de ebulição do
líquido, a saturação do gás não tem influência. Para se efetuar a secagem a baixas
temperaturas, é necessário secar previamente o gás quando a sua humidade é elevada. O
rendimento de secagem aumenta quando a temperatura do gás aumenta e a de saída se
mantém constante.
Nos secadores indiretos, a secagem resulta da condução de calor através de paredes
metálicas e, em geral, o agente de secagem é vapor saturado (mas pode ser água quente, gases
de combustão, etc.). A temperatura de contato varia entre 0 e 500°C, sendo especialmente
adequados para atuarem a temperaturas reduzidas e em atmosferas inertes. Aplicam-se, por
exemplo, na recuperação de dissolventes. A utilização de vapor saturado dá bom rendimento,
107

108. porque o fornecimento de calor é fornecido à medida das necessidades. Existem dois tipos
fundamentais de secadores especiais: os de energia radiante e os de alta frequência.
• Nos de energia radiante, são usadas lâmpadas de incandescência ou de refratário.
• O secador é constituído por um túnel onde existem lâmpadas, através do qual o material a
secar é transportado. Este sistema é adequado para secagem de filmes delgados, como filmes
fotográficos, ou secagem de pinturas.
• No segundo caso, as substâncias a secar passam num campo eletrostático de alta frequência,
sendo a secagem feita do interior para fora. Uma das indústrias que usa este sistema é a
fabricação de contraplacado, a cerâmica, etc.
• A diversidade de secadores obriga a que se faça uma sistematização baseada nas
características dos materiais a secar.
Apresentam-se alguns exemplos:
 Materiais em bolos ou massas, contidos em transportadores ou tabuleiros:
• secadores descontínuos • secadores contínuos (túnel)
 Materiais soltos, granulares ou cristalinos:
• rotativos de tipo direto • rotativos de tipo indireto
 Materiais em folhas contínuas:
• secador de cilindros
 Pastas e lamas:
• secadores com agitação mecânica
 Materiais em solução:
• secadores de tambor • secadores de pulverização
1 – Nos secadores descontínuos, de compartimentos à pressão atmosférica, o corpo é dividido
em várias secções, onde o gás é aquecido por meio de uma tubagem; na entrada, pode ser
misturado gás fresco ou gás húmido, de modo a reduzir a velocidade de secagem, se
necessário. Este tipo de secador é indicado para substâncias aglomerantes ou plásticas, massas
granulosas, pastas e fibras têxteis. Nos secadores descontínuos de compartimentos em vácuo,
as paredes são ocas, de modo a permitir a circulação de vapor ou água quente na câmara de
secagem. Este, quando usado para secagem de pólvora ou precipitados, torna irrelevante a
velocidade de difusão através do sólido.
2 – Nos secadores contínuos de túnel, o gás de secagem circula em contracorrente com a
carga ao longo de todo o secador, e usa-se, por exemplo, em indústria de tijolos, cerâmica ou
madeira, permitindo realizar a secagem lentamente e em grandes quantidades. Na madeira, é
habitual umidificar o ar antes da entrada, com o objetivo de evitar a secagem rápida na fase
final.
3 – Os secadores rotativos de tipo direto são constituídos por uma superfície cilíndrica,
revestida a refratário e assente sobre roletes, sobre os quais se efetua a rotação. Este secador
usa-se, por exemplo, para açúcar, sal ou outros materiais granulares e cristalinos. Nos
secadores rotativos de tipo indireto, existe um tubo indireto em contato com o cilindro
exterior por meio de canais. Este sistema é usado, por exemplo, em materiais como argila para
porcelanas, os quais não podem ser contaminados. No cálculo das dimensões, entra-se em
linha de conta com a inclinação, número de rotações, etc.
4 – O secador de cilindros é usado para materiais em folhas descontínuas. O aquecimento é
indireto e feito por vapor que passa no interior dos cilindros.
5 – O secador com agitação mecânica é usado para pastas e lamas que não podem ser secas
em secadores rotativos, pois podem agarrar-se às paredes; outros processos alternativos
explicados anteriormente são demasiado onerosos.
6 – Os secadores de tambor são usados na fase final de evaporação, em que a viscosidade não
permite a utilização de evaporadores. Portanto, este tipo de secadores é o adequado para
108

109. soluções de materiais. Os secadores deste tipo são aquecidos internamente e têm um
movimento de rotação lento.
7 – Os secadores de pulverização baseiam-se na pulverização de uma solução numa câmara
de secagem de forma cilíndrica; o aquecimento é direto. Existe ainda um outro tipo de secador
(de dispersão), onde a secagem se faz por arrastamento, por correntes de gases quentes.
 INTRODUÇÃO À CRISTALIZAÇÃO
A cristalização consiste em separar uma substância dissolvida, por saturação de
solução, por arrefecimento ou evaporação do solvente. A cristalização inicia-se pela formação
de pequenos cristais – núcleo de cristalização – que vão aumentando de volume à medida que
a cristalização prossegue. Este fenómeno é o inverso de dissolução e só se dá se existirem
condições específicas entre a massa líquida e a superfície dos cristais formados. Portanto, a
cristalização consiste, primeiramente, na formação de núcleos de cristalização – ou nucleação
– seguida de crescimento nos núcleos formados. Na prática, a cristalização efetua-se em
soluções, onde se espalham núcleos de cristalização já formados e sobre os quais prossegue a
formação dos cristais. Pode-se determinar o tamanho dos cristais fazendo-se uma análise
granulométrica.
Equipamentos Usados na Cristalização e Fatores Físicos Associados
Durante a cristalização, existem trocas de calor, que podem ser de arrefecimento ou
aquecimento. Para que se realize uma cristalização controlada, é necessário que se conjuguem
os seguintes fatores:
• A solução não deve estar sobressaturada além de um certo limite, de modo a evitar a
deposição incontrolada;
• Para que a sobressaturação seja controlada, é necessário que a solução seja renovada;
• Os cristais devem ser agitados continuamente, para evitar a sua aglomeração;
• Os cristais que se vão formando devem ser removidos, de modo a manter constante a sua
velocidade de formação.
Os cristais podem ser classificados de acordo com o sistema de fornecimento do
sistema de produção:
• Sobressaturação produzida por arrefecimento;
• Sobressaturação produzida por evaporação com produção de calor;
• Sobressaturação produzida por evaporação adiabática (cristalizadores de vácuo);
• Circulação de águas mãe, com sobressaturação provocada por quaisquer dos processos
anteriores (cristalizadores de classificação).
O método por arrefecimento é a forma mais eficaz para produzir a sobressaturação,
nos casos em que a solubilidade aumenta muito com a temperatura. No caso de a solubilidade
ser pouco variável com a temperatura, usa-se a evaporação. Os cristalizadores de
arrefecimento podem ser contínuos ou descontínuos. Nos de tipo descontínuo, existe um
tanque onde a solução saturada é lançada, efetuando-se a cristalização por arrefecimento e
vaporização. A solução pode, ou não, ser agitada, e o tempo de cristalização varia entre 2 e 10
dias. Neste tipo de sistema as lâminas facilitam a formação dos cristais. Nos de tipo contínuo,
os mais usados são de tipo Wulff Bock e Swenson-Walker.
1 – Nos do tipo Wulff Bock é constituído por um canal inclinado, montado sobre roletes e
com um movimento de oscilação. A alimentação é contínua, sendo o arrefecimento feito por
convecção natural.
2 – Nos de tipo Swenson-Walker, a sua constituição é idêntica à dos transportadores de tipo
parafuso, permitindo o arrastamento dos cristais.
3 – Nos cristalizadores de evaporação a solução circula através de um evaporador, por meio
duma bomba. Os cristais de maior dimensão são retirados pela parte inferior.
109

110. 4 – Nos cristalizadores de vácuo, de arrefecimento e de evaporação, a solução é lançada num
cilindro vertical de base cónica, sendo o vácuo feito por um ejetor. O abaixamento do ponto
de ebulição forma o fenómeno de vaporização adiabática.
5 - Nos cristalizadores de classificação faz-se circular uma solução sobressaturada, de baixo
para cima, através de uma suspensão de cristais. A variação de velocidade de sustentação com
as dimensões dos cristais origina a classificação dos mesmos, dando origem ao seu nome.
Um dos problemas relacionados com a utilização é o do endurecimento dos cristais,
quando armazenados a granel ou em sacos; o endurecimento é facilitado pelos seguintes
fatores:
• teor de humidade • presença de impurezas • tamanho dos cristais
• pressão de armazenagem • temperatura • duração de armazenagem
• transição para outra forma cristalina.
Todos estes fatores provocam uma ligação entre os cristais, criando o endurecimento,
o que é de evitar; isso se consegue com a adição de agentes de acondicionamento, os quais
formam uma película entre os mesmos. As substâncias usadas nestes casos são, por exemplo,
o calcário, a cal, o caulino, o talco.
 EXTRAÇÃO
A operação de extração consiste em separar os constituintes de uma mistura, pondo
essa mistura em contato com um líquido que dissolva alguns desses constituintes. A
quantidade separada depende da quantidade de solvente usado e do tempo de contato, sendo o
problema principal estabelecer qual o mecanismo adequado de dissolução. No caso de uma
substância bem definida e completamente solúvel, a separação torna-se uma operação simples
de entender. Supondo uma fase líquida “B” e uma substância A solúvel em B, ambas em
presença uma da outra, a fase B vai dissolver a “A” até se atingir o equilíbrio, ou seja, até que
esteja saturada em B, formando-se uma única fase, se não se atingir o limite de saturação. No
caso da quantidade ser superior ao limite de solubilidade, formar-se-á uma fase e o
remanescente de “A” não solubilizado. “A” dissolução faz-se através de uma interface e vai
variando ao longo do tempo. Pode dar-se de dois modos:
• com o líquido em repouso; • com o líquido em movimento (agitação do solvente).
No primeiro caso, o movimento da molécula de “A” em “B” faz-se por um
mecanismo de difusão e depende das diferenças de concentração. No segundo caso, a
dissolução é facilitada por existir uma renovação permanente do solvente (por convecção). Os
fenómenos de difusão e de convecção são complexos, sendo necessário recorrer a cálculos
longos que simulem os mecanismos físicos que lhes estão associados. No entanto, é do
conhecimento comum que o fenómeno da dissolução que está associado à extração é mais
rápido se for feito com agitação.
No caso de dissolução de um constituinte de uma mistura (de dois constituintes),
num solvente, tem-se já uma verdadeira extração. Para se perceber melhor o modelo, pode-se
considerar que um dos constituintes é completamente insolúvel no solvente. Para acontecer a
dissolução é necessário que o componente a se extrair entre em contato com a superfície livre
do solvente. O equilíbrio dá-se entre duas soluções do constituinte solúvel, ou seja, a existente
e a que se vai formar (fase A e fase B).
O transporte do constituinte solúvel através do primeiro dissolvente terá um
mecanismo inverso ao da dissolução descrito anteriormente e pode fazer-se por difusão ou por
convecção, formando-se na interface um filme estacionário. Existirão, assim, dois filmes
adjacentes através dos quais se faz a transferência. No entanto, quando uma das fases é sólida,
não se formam dois filmes, mas apenas um.
No caso de solventes parcialmente solúveis entre si, há necessidade de recorrer a
diagramas binários para saber as concentrações e a composição das fases em presença dos
110

111. componentes presentes. Este fato torna-se mais complexo se existirem mais de dois solventes,
podendo-se, para isso, recorrer-se a diagramas ternários a fim de se conhecerem as condições
de equilíbrio.
Convém referir que um fator que não foi abordado detalhadamente é o tempo de
execução desta operação, que é longa, se os fenómenos se realizarem apenas por difusão. Para
facilidade de aplicação dos diagramas ternários podem-se usar diagramas binários,
procurando-se, apenas naqueles, pontos específicos.
Aspectos Práticos da Extração
Do ponto de vista prático, a extração deve efetuar-se reduzindo o mais possível o
tempo e a quantidade de solvente. O tempo de extração total, teoricamente, é infinito, sendo a
operação na fase final muito lenta, porque o solvente extrator vai-se concentrando. Assim,
para aumentar o rendimento, opera-se por andares, ou seja, o dissolvente vai extrair uma
primeira formação enquanto a velocidade for razoável, sendo este renovado, e assim
sucessivamente, chamando-se a este processo extração por contato múltiplo. O solvente que
sai em cada andar é o extrato e a mistura é o resíduo, podendo o número de andares ser igual a
dois ou superior.
Outro processo é o de contracorrente. Neste caso, o solvente novo entra por um andar
em que a mistura está quase toda processada. O resíduo que sair desta operação é o resíduo
final e o solvente que sair deste andar vai para outro, onde a mistura é mais rica no
constituinte que se quer extrair, e assim por diante. Com este processo, consegue-se reduzir o
tempo de extração com um rendimento desejável. Os processos de contato múltiplo e
contracorrente reduzem também a quantidade de solvente a usar. Um exemplo típico dá como
valores de solventes, para uma dada extração e para um dado rendimento, os seguintes:
• simples...............................3,7l • contato múltiplo.................1,9l
• contracorrente....................1,2l
Instalações Piloto e Processos Industriais
Para o estabelecimento do número de andares e, dada a complexidade deste assunto,
recorre-se a instalações piloto e ensaios laboratoriais para determinar o processo de extração.
Modernamente, recorre-se também a modelos computacionais, os quais têm em linha de conta
a especificidade dos processos químicos que lhes estão associados.
A extração aplica-se em inúmeros processos industriais como a purificação de óleos
lubrificantes ou a extração de gases em sistema de desgasificação (desgasificadores ou
desaeradores), em circuitos de água de alimentação de caldeira.
Processos de Extração Líquido-Líquido
A operação denominada Extração Líquido-Líquido é empregada nos processos de
separação de um ou mais compostos de uma mistura líquida, quando estes não podem ser
separados por destilação de forma economicamente viável.
Geralmente, tais separações ocorrem nos seguintes casos:
a) os componentes a serem separados são pouco voláteis – seria necessário, então, utilizar
processos com temperaturas muito altas, combinadas com pressões muito baixas, com a
finalidade de conseguir a separação desejada;
b) os componentes a serem separados têm aproximadamente as mesmas volatilidades – neste
caso, seria necessária a utilização de colunas de destilação com um número muito grande de
estágios de separação (pratos), consequentemente torres muito elevadas, a fim de conseguir a
separação desejada;
c) os componentes são susceptíveis à decomposição – os compostos ou componentes a serem
separados sofrem decomposição quando atingem a temperatura necessária para a separação;
111

112. d) o componente menos volátil que se quer separar está presente em quantidade muito
pequena – não seria economicamente viável, em tal situação, vaporizar toda a mistura líquida
para obter o produto desejado.
Conceito
O processo de Extração Líquido-Líquido é a operação no qual um composto
dissolvido em uma fase líquida é transferido para outra fase líquida. A fase líquida, que
contém o composto a ser separado, é denominada de solução e o composto a ser separado é
denominado de soluto. A fase líquida, utilizada para fazer a separação do soluto, é
denominada de solvente. O solvente deverá ser o mais insolúvel possível na solução. De
acordo com a natureza do composto que se quer extrair da solução, isto é, o soluto,
basicamente, há dois tipos de extração:
a) extração de substâncias indesejáveis – o soluto é uma impureza que deverá ser retirada da
solução. O produto desejado neste processo de separação é a solução livre do soluto. Como
exemplo, pode ser citada a extração de compostos de enxofre existentes nos derivados de
petróleo, como a gasolina, o querosene e outras correntes. Outro exemplo é a retirada de
compostos aromáticos de correntes de óleos lubrificantes para purificação dos mesmos;
b) extração de substâncias nobres – o soluto é, neste caso, o composto desejado após a
operação de separação, o restante da solução é o produto indesejável do processo.
Mecanismo da Extração
O mecanismo do processo de extração ocorre, basicamente, de acordo com as
seguintes etapas:
a) mistura ou contato íntimo entre o solvente e a solução a ser tratada. Ao longo desta etapa,
ocorrerá a transferência do soluto da solução para a fase solvente;
b) a separação entre a fase líquida da solução, denominada de rafinado, e a fase líquida
solvente, denominada de extrato;
c) recuperação do solvente e do soluto. Para a recuperação do soluto do solvente, é necessário
que estes tenham características que permitam a separação dos mesmos através de um simples
processo de destilação ou qualquer outro tipo de separação simples e possível. O ciclo da
extração pode ser representado pela figura seguinte, de forma que a massa específica do
solvente é menor do que a massa específica da solução, para que seja possível a extração.
Equipamentos do Processo de Extração
∅ De um único estágio  Neste tipo de equipamento, os líquidos são misturados, ocorre à
extração e os líquidos insolúveis são decantados. Esta operação poderá ser contínua ou
descontínua. Este equipamento é correspondente ao esquema da figura anterior.
∅ De múltiplos estágios  Baseado, ainda, no exemplo da figura anterior, caso o rafinado
(A + B) seja mais uma vez processado e a este seja adicionada nova porção de solvente, será
112

113. possível extrair mais soluto da solução e o rafinado tornar-se-á ainda mais puro. Quanto maior
o número de estágios, maior será a extração. Se, ao invés de ser utilizado solvente novo e puro
para cada caso, um sistema em contracorrente, for empregado, o solvente puro entrará em
contato com a carga em contracorrente e tem-se então um sistema de múltiplos estágios, que
formam uma sucessão de estágios simples. Os equipamentos que fazem a extração líquido-
líquido, em múltiplos estágios, utilizam o princípio desta figura uma única coluna,
geralmente, semelhantes a uma torre de destilação, podendo ou não conter recheios ou ainda
bandejas. Os principais tipos de equipamentos são:
a) torre de dispersão; b) torre com recheios; c) torre agitada.
Equilíbrio entre as Fases Líquidas
113

114. Existe uma analogia, que se pode fazer, entre os processos de esgotamento e ou
absorção em relação ao processo de extração. A fase líquida do solvente, o extrato, pode ser
considerada como a fase vapor, enquanto que a fase líquida da solução, o rafinado, pode ser
considerada a fase líquida.
Na absorção e no esgotamento, quando as duas fases entram em equilíbrio, não há
mais alteração da composição nem da fase líquida, nem da fase vapor. Da mesma forma na
extração, quando é atingido o equilíbrio entre as fases, então não haverá mais alteração das
composições do extrato e do rafinado, o que está ilustrado na figura a seguir.
Fatores que influenciam a Extração - Relação Solvente-Carga
De forma semelhante ao processo de absorção, na extração, também existe uma
relação mínima solvente/carga, abaixo da qual não é possível efetuar a extração desejada.
Quanto maior a relação solvente/carga, melhor será a extração, pois uma concentração maior
de solvente na solução aumentará o potencial de transferência de massa do soluto para a fase
líquida do solvente, com a consequente formação do extrato.
114

115. Qualidade do solvente
Nos casos em que o solvente é recuperado, após a extração, quanto mais isento de
soluto ele retornar para a torre de extração, melhor será a extração, pois sua composição estará
mais afastada da composição de equilíbrio com a carga e maior será a transferência de soluto
da fase da solução (carga) para a fase solvente.
Influência da temperatura
Embora seja adequado que o solvente apresente insolubilidade na carga, isto na
prática não ocorre, pois sempre existe, ainda que pequena, uma solubilidade mútua entre as
fases que aumenta com a elevação da temperatura. A composição das duas fases em equilíbrio
muda, então, com a alteração da temperatura.
Isto pode influenciar de forma negativa na extração desejada. Portanto, nunca se
deve operar com temperaturas acima das recomendadas para certo processo de extração, pois
poderá ocorrer a dissolução de parte ou até mesmo de todo o solvente na carga ou vice-versa,
impedindo a separação das duas fases líquidas. Caso haja certa dissolução de solvente na
carga ou vice-versa, o equipamento não terá uma operação satisfatória com consequente
queda de eficiência no processo de extração.
115