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LOQ4085OPERAÇÕES UNITÁRIAS I
PROFª. LÍVIA CHAGURI E CARVALHOE-mail: [email protected] 1
UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
DEPTO. ENGENHARIA QUÍMICA
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LOQ4085 – Operações Unitárias I
Turmas:
20161Q2 – quinta-feira 14:00 ás 18:00
20161B1 – sexta-feira 08:00 ás 12:00
http://disciplinas.stoa.usp.br/
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4http://disciplinas.stoa.usp.br/
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5http://disciplinas.stoa.usp.br/
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INTRODUÇÃO
• Processos químicos são muito diversificados
– estudá-los é um desafio.
• Processos diferentes e complexos: divididos
em um pequeno número de operações
básicas.
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Operações Unitárias: operação básica em
um processo.
Processo: conjunto de OPs que partindo de
determinada MP resulta em um produto.
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INTRODUÇÃO
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Independente de sua natureza, TODA
operação unitária obedece a 2 princípios:
- Leis da conservação de massa
- Leis da conservação de energia
OP
anterior
OP OP
posteriorMatérias
primas
CapitalEnergia Trabalho Controle
Energia
perdida
Produtos
Subprodutos
Perdas energia
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DIAGRAMAS DE PROCESSO
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Leite pasteurizado
- Troca de calor: OP mais importante
- OP requer 2 sistemas auxiliares:
- 1) Suprimento água quente – pasteurizar leite
- 2) Suprimento de água gelada para resfriar o leite (estocado refrigerado)
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9
Leite pasteurizado
- Diagrama considerando as correntes e características do processo
- Equacionamento dos balanços de massa e energia
- Dimensionamento adequado dos equipamentos
- Correção de problemas operacionais
DIAGRAMAS DE PROCESSO
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FLUXOGRAMA DE PROCESSO
- Descrição mais detalhada do processo
- Identificação de tanques, bombas, trocadores, colunas, filtros
Suco concentrado de laranja
- Suco extraído das frutas é centrifugado para clarificação
- Tratamento térmico - pasteurização
- Concentração do suco – evaporadores a placas
- Resfriamento – recuperação do aroma da laranja
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PROCESSOS DESCONTÍNUOS, CONTÍNUOS
E SEMICONTÍNUOS
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Identificar tipo de processo sob estudo para
equacionar BM e BE;
Batelada – MPs processadas por lotes;
Condições de operação (T, P e composição) – variam
com tempo;
Processo com duração definida – depois de
finalizado um novo ciclo se inicia (novo lote);
Requer menor investimento de capital;
Custeio operacional maior (tempo ocioso dos
equipamentos para carga e descarga);
Adequado para produções de pequena escala;
Adequado para produtos de composição diferente:
Batelada mistura de massa para pão branco e integral
– mesmo agitador e misturador.
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PROCESSOS DESCONTÍNUOS, CONTÍNUOS
E SEMICONTÍNUOS
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Processo de mistura em batelada para produção de fórmula de
leite para bebês com necessidades específicas
Tanque
encamisado
com
agitador
Alimentador
tipo Hopper
Bomba
centrífuga
Dispositivo
Venturi
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PROCESSOS DESCONTÍNUOS, CONTÍNUOS
E SEMICONTÍNUOS
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Processos contínuos:
Materiais passam sem interrupção através do
sistema, sem separação de porções do material em
relação ao todo;
Ocorrem em regime estacionário na maior parte do
tempo;
Alto investimento;
Melhor utilização da capacidade produtiva;
Custos operacionais mais baixos;
Linhas de produção em larga escala.
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Óleo de palma
- Operação contínua;
- Várias Ops envolvidas;
- Óleo obtido por prensagem;
- Várias etapas de clarificação
PROCESSOS DESCONTÍNUOS, CONTÍNUOS
E SEMICONTÍNUOS
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PROCESSOS DESCONTÍNUOS, CONTÍNUOS
E SEMICONTÍNUOS
Processos semicontínuos:
Caracterizado pela carga e descarga de materiais de
etapas intermediárias de um processo contínuo;
Presença de operações em batelada e fluxo contínuo
no processo.
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PROCESSOS DESCONTÍNUOS, CONTÍNUOS
E SEMICONTÍNUOS
II Processo Contínuo
I Processo Batelada
Fluxograma fabricação de iogurte
Tanque de
fermentação
Tanque
pulmão
Tanque
polpa de fruta
Misturador
Embaladora
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CLASSIFICAÇÃO DAS OPERAÇÕES
UNITÁRIAS Existem diferentes operações unitárias: segundo
natureza das transformações que ocorrem;
Físicas, químicas e bioquímicas;
Transformações caracterizadas por separação de
uma ou mais substâncias presentes em uma mistura;
Transformações caracterizadas pela mudança de
uma propriedade decorrente de um gradiente;
OPs podem ser classificadas segundo a grandeza
(massa, energia ou velocidade) do objeto da
transferência.
Agitação: objetiva-se a transferência da quantidade de
movimento. Simultaneamente ocorre a TM ou TC.
Operações de transferência de massa, calor ou de
quantidade de movimento. Simultâneas (TC e TM)
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OPERAÇÕES DE QUANTIDADE DE
MOVIMENTO Operações em que 2 fases em diferentes velocidades
são colocadas em contato;
Divididas em 3 grupos:
1. Circulação interna de fluidos: estudo do movimento
de fluidos através de tubulações e dispositivos para
medir as propriedades dos fluidos (bombas).
2. Circulação externa de fluidos: fluido circula pela
parte externa de um sólido (fluidização).
3. Movimentação dos sólidos dentro de fluidos:
separação de sólidos em um meio fluido (filtração).
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Bombas
Decantador Ciclone de separação
Centrífuga
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OPERAÇÕES DE TRANSFERÊNCIA DE
CALOR São controladas pelo gradiente de temperatura e
dependem do mecanismo pelo qual o calor é
transferido.
1. Operações de transferência de calor (secagem,
evaporação).
2. Tratamentos térmicos: pela elevação da
temperatura, pasteurização e esterilização.
3. Resfriamento e congelamento: com e sem mudança
de fase da água para o gelo.
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OPERAÇÕES DE TRANSFERÊNCIA DE
CALOR
Evaporador
Trocador
Secador
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OPERAÇÕES DE TRANSFERÊNCIA DE
MASSA São controladas pela difusão de um componente
dentro de uma mistura:
1. Extração: dissolução da mistura em solvente
2. Separação por membranas: transporte convectivo e difusivo
3. Cristalização: formação de partículas sólidas de estrutura
regular a partir de fase líquida homogênea
4. Destilação: separação de um ou mais componentes a partir
da diferença de volatilidade
5. Adsorção: eliminação de um ou mais componentes de um
fluido pela retenção sobre uma superfície sólida
6. Absorção: componente de uma mistura gasosa é absorvido
por um líquido de acordo com sua solubilidade nesse líquido
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Destilação Separação por membranas
Cristalização 23
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OPERAÇÕES COMPLEMENTARES
Série de operações que não estão incluídas na
classificação abordada;
Não são governadas por quaisquer fenômenos de
transportes citados
1. Redução de tamanho: moagem e homogeneização
2. Peneiramento
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OPERAÇÕES COMPLEMENTARES
Moagem
Peneiramento
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Objetivos da disciplina
Capacitar o aluno a resolver problemas de
dimensionamento de equipamentos (exceto
aqueles envolvendo transporte de calor e
massa).
Estudar as operações unitárias de transporte,
mistura, separação e redução de tamanho de
partículas de fluidos e sólidos.
Possibilitar que o aluno discuta criticamente
as operações unitárias estudadas.26
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Introdução
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1.Dimensionamento da instalação industrial:
desenho, dimensionamento e construção.
2.Operação: supervisão, manutenção e otimização.
3.Administração: logística, vendas e planejamento.
4.Pesquisa: básica ou aplicada para o
desenvolvimento de produtos e processos.
Engenheiro atua geralmente em 4 campos:
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O que o engenheiro faz?
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• Seleciona o tipo de equipamento adequado
• Dimensiona os equipamentos
• Calcula o tempo de processamento
• Elabora os balanços de massa e energia da
operação
• Calcula os custos do investimento necessário
• Calcula os custos operacionais
• Avalia o desempenho do processo
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Aplicação da Física e da Química
•Estrutura física da matéria
•Composição química dos materiais
•Leis da mecânica
•Transferência de massa e energia
•Modelagem matemática e simulação dos fenômenos físicos
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Projetos x Experimentação
•Testar modelos (escala laboratorial) e protótipos (escala maior) até chegar na escala industrial.
•Regular o funcionamento de sistemas
•Medir variáveis físicas em processos
30ºC atm
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Qualidades do profissional de engenharia
•Formação básica multidisciplinar
•Raciocínio analítico
•Estudo continuado
•Conhecimento sistêmico
•Conhecimentos gerais
•Participação social
•Capacidade de síntese
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Relações humanas
•O Engenheiro emprega boa parte do tempo serelacionando com pessoas.
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Trabalho em equipe
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Aperfeiçoamento contínuo
•Atualização: livros, revistas técnicas e científicas, seminários, congressos, feiras industriais
•Diploma = ponto de partida
• Especializações e pós-graduação lato sensu
•Pós-graduação stricto sensu: Mestrado e Doutorado
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A industrialização dos produtos tem comoobjetivo:
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• Facilitar o manuseio e o transporte
• Aumentar a vida de prateleira
• Melhorar algumas qualidades:
toxicidade, sabor, textura, aparência e
valor nutritivo
• Agregar valor ao produto
• Desenvolver novos produtos
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Três enfoques para o estudo dosprocessamentos industriais
1. Estudar a tecnologia de um certo tipo de indústria, por exemplo: indústria cervejeira, laticínios, indústria
açucareira, pastifícios, entre outros.
2. Estudar as operações usuais a muitos tipos de indústria, por exemplo: evaporação, refrigeração,
extrusão, extração, centrifugação, etc.
3. Estudar os fenômenos de transferência de quantidade de momentum, calor e massa.
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As operações unitárias e os princípios de transferência
36
Força ou
fluxo por
unidade de
superfície
=Coeficiente
de
transferência
Gradiente
de
potencial
x
FluxoGradiente
MomentumVelocidade
Calor
Massa
Temperatura
Concentração, potencial químico
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Tecnologia
produtos=
Processos
químicos
Operações
unitárias
+
Tendo em vista a imensa quantidade deequipamentos industriais existentes no mercado esua equivalência funcional, a única maneira possívelde entender o funcionamento dos mesmos é pelocritério de operações unitárias.
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EngenhariaCiência
Mudanças
químicas,
biológicas e
microbiológicas
Mudanças físicas
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ObjetivoMateriais
Transporte Mistura SeparaçãoModificação
de tamanho
Fluidos
(líquidos e
gases)
Bombeamento
Ventilação
Compressão
Agitação
Mistura
Centrifugação
(L-L)Atomização
Fluidos e
sólidos
Transporte
Pneumático
Transporte
hidráulico
Perda de
pressão em
leitos
empacotados
Fluidização
Suspensão de
sólidos em
líquidos
(agitação)
Filtração (L-S)
Centrifugação (L-S)
Sedimentação
(L-S)
Separação
pneumática
(G-S)
Prensagem
SólidosTransporte
Mecânico de
sólidos
Misturadores
de sólidosPeneiragem Moagem
Operações unitárias de quantidade de movimento
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O estudo das operações unitárias permite predizer o comportamento de sistemas.
Usam-se as seguintes ferramentas:
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a) Princípios ou leis da conservação de massa,
quantidade de movimento e entalpia
b) Equações constitutivas ou descritivas do
fenômeno de transferência
c) Equações de estado (gases ideais, Van der
Walls, etc.)
d) Condições de contorno
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EMENTA – LOQ4085
OPERAÇÕES UNITÁRIAS I
Programa Resumido
1) Transporte de fluidos
2) Agitação e mistura
3) Caracterização e dinâmica de partículas
4) Separação de partículas por ação gravitacional e
centrífuga
5) Interação sólido – fluido
6) Filtração
7) Sedimentação
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EMENTA – LOQ4085
OPERAÇÕES UNITÁRIAS I
Programa
1) Transporte de fluidos: Tipos de bombas e compressores. Curva
característica. Cavitação e altura de sucção disponível (NPSH). Cálculo da
potencia de bombas.
2) Agitação e mistura: Tipos de equipamentos e impelidores. Mistura de
líquidos. Cálculos de potência de agitadores e misturadores.
3) Caracterização e dinâmica de partículas: Características físicas de
partícula isolada. Tamanho de partículas. Peneiramento. Análise
granulométrica. Velocidade terminal.
4) Separação de partículas por ação gravitacional e centrífuga: Elutriação.
Câmara de poeira. Ciclones e centrífugas.
5) Interação sólido – fluido: Escoamento em meio poroso. Fluidização.
6) Filtração: Tipos de equipamentos. Filtração a pressão e vazão constante.
Tortas compressíveis e incompressíveis.
7) Sedimentação: Tipos de equipamentos. Cálculo da área e altura de
sedimentadores
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EMENTA – LOQ4085
OPERAÇÕES UNITÁRIAS I
1) COULSON, J. M.; RICHARDSON; J.F. Chemical Engineering. v. 2: Particle
Technology e Separation Processes. 5ed. Amsterdan: Butterworth Heinemann,
1229p. 2005;
2) COULSON & Richardson's Chemical Engineering: chemical engineering design
by R.K. Sinnott. 6ed. Amsterdam: Elsevier Butterworth Heinemann, 895p. 2004;
3) COUPER, J. R.; PENNEY, W. R.; FAIR, J. R.; W.; Stanley. M. Chemical
Process Equipment: Selection and Design. 2ed. Amsterdam: Elsevier, 814p.
2005;
4) FOUST, A. S.; WENZEL, L. A.; CLUMP, C. W.; MAUS, L.; ANDERSEN, L. B.
2ed. Princípios das operações unitárias. Rio de Janeiro: Guanabara Dois/LTC,
670p. 2008;
5) GEANKOPLIS, C. J. Transport Processes and Separation Process Principles.
4ed. New York: Prentice Hall, 1026p. 2010;
6) MCCABE, W. L.; SMITH, J. C.; HARRIOT, P. Unit operations of chemical
engineering. 7ed. Boston: McGraw-Hill, 1140 p. 2005;
7) PERRY's chemical engineers handbook. Editor in Chief Don W. Green; Late
Editor Robert H. Perry New York: McGraw-Hill, 2008.
Bibliografia
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EMENTA – LOQ4085
OPERAÇÕES UNITÁRIAS I
Bibliografia complementar
1. Çengel, Y.A.; Cimbala, J.M. Mecânica dos fluidos. Fundamentos e
aplicações. Editora Mcgrawhill.
2. Cremasco, M.A. 2012. Operações unitárias em sistemas particulados
e fluidomecânicos. 1ª Ed. São Paulo. Editora Blucher.
3. Tadini, C.C.; Telis, V.R.N.; Meirelles, A.J.A.; Pessoa Filho, P.A. 2016.
Operações Unitárias na indústria de alimentos. 1ª Ed. Rio de Janeiro.
Editora LTC.
4. Terron, L.R. 2012. Operações unitárias para químicos, farmacêuticos
e engenheiros. 1ª Ed. Rio de janeiro. Editora LTC.
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CRONOGRAMA – LOQ4085
OPERAÇÕES UNITÁRIAS I – 20161Q2
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CRONOGRAMA – LOQ4085
OPERAÇÕES UNITÁRIAS I – 20161Q2
23/jun
14/jul
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CRONOGRAMA – LOQ4085
OPERAÇÕES UNITÁRIAS I – 20161B1
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CRONOGRAMA – LOQ4085
OPERAÇÕES UNITÁRIAS I – 20161B1
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CRONOGRAMA – LOQ4085
OPERAÇÕES UNITÁRIAS I – 20161B1
CRONOGRAMA – LOQ4085
OPERAÇÕES UNITÁRIAS I – 20161Q2
Prova 1 – 28 de abril
Prova 2 – 23 de junho
Exame - 14 de julho
Prova 1 – 29 de abril
Prova 2 – 24 de junho
Exame - 15 de julho
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OBRIGADA!
BOM SEMESTRE!