TA 631 OPERAES UNITRIAS I Transferncia de quantidade

TA 631 – OPERAÇÕES UNITÁRIAS I (Transferência de quantidade de movimento) Aula 01: 01/03/2012 Introdução às operações unitárias. Conceito de transferência de impulso. Classificação das operações de transferência de impulso. 1

Objetivos da disciplina § Capacitar o aluno a resolver problemas de dimensionamento de equipamentos na indústria de alimentos (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. 2

Introdução Geralmente, o engenheiro atua em quatro campos: 1. Dimensionamento da instalação industrial: desenho, dimensionamento e construção. 2. Operação: supervisão, manutenção e otimização. 3. Administração, logística, vendas e planejamento. 4. Pesquisa: básica ou aplicada para o desenvolvimento de produtos e processos. 3

O que o engenheiro faz? • Seleciona o tipo de equipamento adequado • Dimensiona os equipamentos • Calcula o tempo de processamento • Elabora os balanços de massa e energia da operação • Calcula os custos do investimento necessário • Calcula os custos operacionais • Avalia o desempenho do processo 4

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 5

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 ºC atm 6

Projetos • Por semelhança: respeitam-se as restrições geométrica, cinemática e dinâmica na mudança de escala (modelos, protótipos e escala industrial) • Por coeficiente de transferência: respeitam-se as leis da conservação de massa, momentum e energia no volume de controle (balanços macroscópicos). 7

Setores de atuação do engenheiro • Indústrias • Instituições públicas e privadas • Empresas de consultoria e assessoria • Instituições de ensino e pesquisa 8

Qualidades do profissional de engenharia • • Formação básica multidisciplinar Raciocínio analítico Estudo continuado Conhecimento sistêmico Conhecimentos gerais Participação social Capacidade de síntese 9

Relações humanas • O Engenheiro emprega boa parte do tempo se relacionando com pessoas. 10

Trabalho em equipe (o engenheiro não trabalha sozinho) • • Respeito aos colegas Capacidade de expor e discutir idéias Renúncia de idéias ultrapassadas A pessoa progride: – pelo que sabe; – pelo que produz; – pelo que pratica. 11

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 12

Ética profissional • Responsabilidade na e com a organização local, com a humanidade e com a vida. • A Ética deve ser a base sobre a qual é estabelecido o comportamento do profissional perante a sociedade, o empregador e o cliente. • A formação do Engenheiro tem um custo social que deve ser resgatado através de sua atuação consciente na sociedade, ou seja, a sociedade deve se beneficiar do trabalho do Engenheiro. 13

A industrialização dos produtos agrícolas, pecuários e pesqueiros tem por objetivo: • Facilitar o manuseio e o transporte • Aumentar a vida de prateleira • Melhorar algumas qualidades: toxicidade, sabor, textura, aparência e valor nutritivo 14

Campo de atuação da engenharia de alimentos Recursos naturais Produção agropecuária Produtos do campo Pré-processamento Matéria primas agrícolas Industrialização RECURSOS TECNOLÓGICOS Produtos alimentícios Transporte Armazenamento Comercialização Alimento processado para consumo 15

Três enfoques para o estudo dos processamentos industriais 1. Estudar a tecnologia de um certo tipo de indústria, tecnologia por exemplo: indústria cervejeira, laticínios, indústria açucareira, pastifícios, entre outros. 2. 3. Estudar as operações usuais a muitos tipos de operações usuais indústria, por exemplo: evaporação, refrigeração, extrusão, extração, centrifugação, etc. Estudar os fenômenos de transferência de quantidade fenômenos de transferência de momentum, calor e massa. 16

As operações unitárias e os princípios de transferência Força ou fluxo por unidade de superfície = Coeficiente de transferência x Gradiente de potencial Gradiente Fluxo Velocidade Momentum Temperatura Concentração, potencial químico Calor Massa 17

Tendo em vista a imensa quantidade de equipamentos industriais existentes no mercado e sua equivalência funcional, a única maneira possível de entender o funcionamento dos mesmos é pelo critério de operações unitárias Processos unitários Tecnologia de = alimentos Mudanças químicas, biológicas e microbiológicas Operações unitárias + Mudanças físicas Engenharia Ciência 18

Fluido é um meio que se deforma continuamente quando sujeito a uma tensão. Uma camada de fluido desliza sobre a outra. Existe atrito entre as camadas de fluido. A razão entre a tensão aplicada e a taxa de deformação é a viscosidade do fluido. 19

Operações unitárias de quantidade de movimento Objetivo Transporte Mistura Separação Modificação 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) Sólidos Transporte Mecânico de sólidos Misturadores de sólidos Materiais Filtração (L-S) Centrifugação (L -S) Sedimentação (L -S) Separação pneumática (G-S) Prensagem Peneiragem Moagem 20

Operações unitárias de transferência de impulso 1. Bombeamento de líquidos 2. Escoamento gravitatório de líquidos 3. Ventilação (gases) 4. Compressão (gases) 5. Decantação 6. Centrifugação 7. Agitação de líquido 8. Mistura de líquidos e líquido-gás 9. Atomização líquido-gás (aspersão) 10. Atomização líquido-líquido (homogeneização) 11. Movimentação de fluidos através de sólidos porosos 21

Operações unitárias de transferência de quantidade de movimento 12. Fluidização 13. Transporte pneumático 14. Transporte hidráulico 15. Decantação de sólidos 16. Filtração 17. Ultra-filtração 18. Centrifugação sólido-líquido 19. Separação com ciclones 20. Mistura líquido-sólido 21. Prensagem 22. Fluxo a granel (sólidos particulados) 22

Operações unitárias de transferência de quantidade de movimento 23. Peneiração 24. Decantação sólido-sólido 25. Mistura sólido-sólido 26. Moagem, trituração, desfibração de sólidos 27. Compactação de sólidos 28. Aglomeração de partículas sólidas 23

Bombas Centrífuga Decantador Ciclone de separação 24

Operações unitárias de transferência de calor 1. Branqueamento 2. Cozimento e fritura 3. Pasteurização e esterilização 4. Evaporação e condensação 5. Congelamento 6. Crio-concentração 7. Refrigeração 8. Geração de vapor 9. Forneamento 25

Operações unitárias de transferência de massa 3. 1. Destilação 2. Absorção de gases Umidificação e de desumidificação de ar 4. Secagem 5. Extração líquido-líquido 6. Extração sólido-líquido 7. Cristalização 8. Adsorção e troca iônica 9. Separação por membranas 10. Desaeração 11. Higienização química 26

Destilação Desidratação de alimentos Separação por membranas Cristalização 27

As operações unitárias em uma indústria de alimentos Exemplo: Diagrama de blocos simplificado da produção de etanol 28

Cana-de-açúcar Preparação Água quente Cana picada Prensagem- difusão Bagaço úmido Caldo de 14 º Brix Prensagem Caldo Bagaço Fermentação Vapor Água fria Vinho Destilação Vinhoto Álcool etílico 96º GL 29

O estudo das operações unitárias permite predizer o comportamento de sistemas. Usam-se as seguintes ferramentas: a) 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 30

Problemas de condições de contorno são comuns em Engenharia - Equações diferenciais ordinárias em problemas de condição de contorno: valores conhecidos para a variável dependente em mais de um ponto e uma equação diferencial descritiva do comportamento desta variável em um intervalo. - Geralmente deseja-se obter o "perfil" que descreve o comportamento da variável dentro de um intervalo, ex. perfis de velocidade, temperatura e concentração em problemas de transferência de momentum, calor e massa. - As condições de contorno representam as interfaces entre meios onde se conhece o valor para a variável ou os parâmetros do fenômeno de transferência. 31