Aula_Operações Unitárias na Indústria de Alimentos (1)

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Profª: Drª Acácia Lima Silva
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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
SECRETARIA DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL E TECNOLÓGICA
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE GOIÁS
CÂMPUS INHUMAS
 Existem diferentes tipos de operações unitárias.
 A operações variam de acordo com a natureza das transformações que
ocorrem, sejam físicas, químicas ou bioquímicas.
 Essas transformações podem ser caracterizadas por separação de uma ou mais
substâncias presentes em um mistura ou pela mudança de uma propriedade
decorrente de um gradiente (ex: quando a propriedade não é uniforme em toda
a dimensão do sistema).
 Podem ser classificadas de acordo com a grandeza:
a) Massa
b) Energia
c) Velocidade
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Transferência como objetivo
1. Operações de transferência de quantidade de movimento
São as operações em que duas fases em diferentes velocidades são
colocadas em contato.
 São dividas em:
a) Circulação interna de fluidos: estudo do movimento de fluidos através de
tubulação e dispositivos para medir as propriedades dos fluidos.
b) Circulação externa de fluidos: o fluido circula pela parte externa de um
sólido, como fluidização e transporte pneumático.
c) Movimentação dos sólidos dentro de fluidos: refere-se à separação de
sólidos em um meio fluido.
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2. Operações de transferência de calor
São controladas pelo gradiente da temperatura e dependem do
mecanismo pelo qual o calor é transferido.
 Serão definidas mediante:
a) Operações de transferência de calor.
b) Tratamentos térmicos: pela elevação da temperatura, pasteurização e
esterilização.
c) Resfriamento e congelamento: com e sem mudança de fase da água para
gelo
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3. Operações de transferência de massa
São controladas pela difusão de um componente dentro de uma mistura.
 As operações que constituem esse grupo são:
a) Desidratação: eliminação de um líquido contido em um sólido, ou remoção do
gelo por sublimação.
b) Extração: com base na dissolução de uma mistura (líquida ou sólida) em um
solvente seletivo.
c) Separação por membranas: com base em transporte convectivo e difusivo.
d) Cristalização: formação de partículas sólidas de estrutura regular a partir de
uma fase líquida homogênea.
e) Destilação: separação de um ou mais componentes a partir da diferença de
volatilidade.
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3. Operações de transferência de massa
f) Adsorção: também conhecida como sorção, envolve a eliminação de um
ou mais componentes de um fluido (líquido ou gás) pela retenção sobre
uma superfície sólida.
g) Troca iônica: substituição de um ou mais íons de uma solução com outro
agente de troca.
h) Absorção: um componente de uma mistura gasosa é absorvido por um
líquido de acordo com sua solubilidade nesse líquido.
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4. Operações de transferência simultânea de calor e massa
São as operações em que existem ao mesmo tempo gradientes de
temperatura e de concentração.
Exemplo:
 Cristalização;
 Destilação;
 Desidratação.
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5. Operações complementares
São aquelas que não envolvem os fenômenos citados nas operações
anteriores.
Exemplo:
a) Operação de Redução de Tamanho: moagem e homogeneização;
b) Operação de Separação: peneiramento; filtração, seleção, etc.
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 Consiste em uma ferramenta importante e complexa;
 Energia e matéria não se criam nem se destroem, mas se transformam.
 Qualquer operação unitária pode ser entendida como uma etapa do
processo em que energia e matéria sofrem alguma transformação — seja
uma mudança de temperatura ou pressão, de composição de fases ou
mesmo de estrutura de matéria (por meio de uma reação química).
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Matéria Prima
Reação química
Produto
Operação 
Unitária
Quantidade X Quanto sai? 
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Subprodutos
Transformações: T, 
P, estrutura, etc. 
Quanto sai? 
Produto
Resíduo
IMPORTANTE: Nem todos os
produtos são desejados — a
operação unitária também pode
gerar resíduos.
 As transformações sofridas pelas matérias primas podem ser simples, como
uma variação de temperatura (ocorrida em um trocador de calor), podem
envolver transferência de massa entre fases e podem eventualmente
envolver transformações químicas.
 O projeto e a operação de equipamentos para todas as operações unitárias
têm aspectos diversos a serem levados em conta — relações de
transferência de momento, calor e massa, cinética de reações químicas,
relações de equilíbrio de fases e de equilíbrio químico.
 Para isso são necessários alguns conceitos, como:
a) Medidas de concentração e composição
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Fração mássica
Fração molar
Concentrações volumétricas
Concentração molar
 Fração Mássica (Xi) = massa total do componente i (mi) dividida pela 
massa total da mistura
 Fração Molar (xi) = razão entre a quantidade dos componente na
mistura e a quantidade total de todos os componentes da mistura.
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Ex1: Foram misturadas em um tanque 1 kg de sacarose e 200 g de
água. Qual a fração mássica de cada componente?
Ex2: Qual a fração molar cada componente da mistura?
Dados: Massa molar da sacarose (C12H22O11)= 342,2965 g/mol
Massa molar da água (H2O)= 18,01528 g/mol
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 Algumas vezes, a composição de um sistema pode ser definida
em termos de concentrações volumétricas
 São evitadas em cálculos específicos de balanços de massa e de
por duas razões:
1. O volume não é uma grandeza aditiva (o volume final de uma
mistura pode não ser a soma dos volumes dos constituintes);
2. O volume de uma mistura pode variar, por exemplo, com a
temperatura.
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b) Fases e equilíbrio de fases
Fase = porção de matéria homogênea
 Podem existir diversas fases em um único sistema e, muitos processos envolvem a 
transferência de matéria entre fases. Ex: liofilização envolve a transferência de água 
da fase sólida para a fase vapor; a cristalização, de uma fase líquida para a fase 
sólida.
 É importante conhecer duas propriedades: Temperatura e Pressão
 Duas fases podem estar em equilíbrio, condição definida pela ausência de mudança
com o tempo e pela inexistência de fluxos líquidos de matéria e energia entre as
fases.
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Propriedades físicas
são as mesmas em toda a sua extensão.
c) Graus de liberdade de um sistema = número de propriedades
necessárias para descrever o sistema, e cujo valor pode ser
alterado de forma independente.
Ex1: Em uma solução aquosa de sacarose quantos são os graus de
liberdade desse sistema?
1. Inicialmente é importante conhecer a temperatura e a pressão
em que se encontra e a fração de açúcar.
2. Assim, em princípio, temos três graus de liberdade.
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Ex2: Em uma solução aquosa de sacarose contendo 10 % em massa
de açúcar quantos são os graus de liberdade desse sistema?
1. Inicialmente é importante conhecer a temperatura e a pressão
em que se encontra e a fração de açúcar.
2. Assim, em princípio, temos 2 graus de liberdade.
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Entrada no 
Sistema
Saída do 
Sistema
Gerado dentro do 
Sistema
Consumido 
dentro do Sistema
Acúmulo dentro 
do Sistema
Reação química
Entrada no 
Sistema
Saída do 
Sistema
Acúmulo dentro 
do Sistema
E S
R
A
AE S
0 0
 Exemplo 1: Uma tubulação enche um tanque a uma vazão de 1,5 L/h. Este
tanque apresenta um vazamento em que a água escoa a uma vazão igual a
0,015 L/min. O tanque irá secar ou a água irá transbordar? Podemos
afirmar que o sistema opera em estado estacionário ou transiente?
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Solução:
Dados: QEntrada= 1,5 L/h
QSaída= 0,015 L/min = 0,9 L/h
QAcúmulo = ?
Equação: E – S + R = A E – S = A
QEntrada - QSaída = QAcúmulo
1,5 L/h - 0,9 L/h = QAcúmulo
QAcúmulo = 0,6 L/h
QEntrada=1,5 L/h
QSaída=0,015 L/min
IMPORTANTE:
Estado Transiente
 O balanço de massa total em regime permanente normalmente é
utilizado para verificar se a soma de todos os balanços (componente por
componente) também é satisfeita.
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Entrada no 
Sistema
Saída do 
Sistema
Acúmulo dentro 
do Sistema
AE S
0
Entrada no 
Sistema
E
Saída do 
Sistema
S
Vamos 
praticar!!
 Exemplo 2: A cachaça é produzida em um processo de destilação,
conforme o fluxograma abaixo. Com base no fluxograma qual a produção
diária da vinhaça?
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Solução:
Dados: Garapa= 1000 kg/dia
Água = 550 kg/dia
Vinhaça = ?
Cachaça = 410 kg/dia
Equação: E=S
(Qgarapa + Qágua) = (Qvinhaça + Qcachaça)
(1000 kg/dia + 550 kg/dia) = (Qvinhaça+ 410 kg/dia)
1550 kg/dia = (Qvinhaça+ 410 kg/dia)
Qvinhaça = 1550 kg/dia - 410 kg/dia
Qvinhaça = 1140 kg/dia
Graus de liberdade = 3 Sistema= 2
∑XE.E = ∑ Xs.S
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Entrada no 
Sistema
Saída do 
Sistema
Acúmulo dentro 
do Sistema
AE S
0
Entrada no 
Sistema
E
Saída do 
Sistema
S
Vamos 
praticar!!
 Exemplo 3: Um cereal contendo 55% de água é fabricado a uma taxa de
500 kg/h. É necessária uma secagem até obter um teor de água de 30%.
Qual é a quantidade de água a ser evaporada por hora (taxa de
evaporação)?
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Solução:
Equação: E = S
Cereal úmido
Secador
Água
Cereal com 30% de 
umidade
QEntrada= 500 Kg/h
XÁgua Entrada = 55% = 0,55
XCereal Entrada = 1-0,55 = 0,45
QSaída2= ?
XÁgua Saída2 = 30% = 0,30
XCereal Saída2 = 1-0,30 =0,7
QSaída1= ?
XÁgua Saída1 = 100% = 1
Balanço de Massa Global
QEntrada = (QSaída1 + QSaída2) 500 Kg/h = (QSaída1 + QSaída2)
Balanço Por Componente - Água
XEntradax QEntrada = (XSaída1 x QSaída1 + XSaída2 x QSaída2)
0,55 x 500 Kg/h = (1 x QSaída1 + 0,3 x QSaída2)
 Exemplo 3: Um cereal contendo 55% de água é fabricado a uma taxa de
500 kg/h. É necessária uma secagem até obter um teor de água de 30%.
Qual é a quantidade de água a ser evaporada por hora (taxa de
evaporação)?
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Cereal úmido
Secador
Água
Cereal com 30% de 
umidade
QEntrada= 500 Kg/h
XÁgua Entrada = 55% = 0,55
XCereal Entrada = 1-0,55 = 0,45
QSaída= ?
XÁgua Saída2 = 30% = 0,30
XCereal Saída2 = 1-0,30 =0,7
QSaída1= ?
XÁgua Saída1 = 100% = 1
Balanço de Por Componente - Cereal
XEntradax QEntrada = (XSaída2 x QSaída2)
0,45 x 500 Kg/h = (0,7 x QSaída2)
275 Kg/h = (0,7 x QSaída2)
QSaída2 = 275/0,7 QSaída2 = 321,43 kg/h
Balanço de Massa Global
QEntrada = (QSaída1 + QSaída2) 500 Kg/h = (QSaída1 + QSaída2) 500 Kg/h = (QSaída1 + 321,43 kg/h)
QSaída1 = 500 Kg/h - 321,43 kg/h QSaída1 = 178,57 Kg/h
 Exemplo 3: Um cereal contendo 55% de água é fabricado a uma taxa de
500 kg/h. É necessária uma secagem até obter um teor de água de 30%.
Qual é a quantidade de água a ser evaporada por hora (taxa de
evaporação)?
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Cereal úmido
Secador
Água
Cereal com 30% de 
umidade
QEntrada= 500 Kg/h
XÁgua Entrada = 55% = 0,55
XCereal Entrada = 1-0,55 = 0,45
QSaída= ?
XÁgua Saída2 = 30% = 0,30
XCereal Saída2 = 1-0,30 =0,7
QSaída1= ?
XÁgua Saída1 = 100% = 1
Quantidade de Cereal Que Sai do Sistema
XCereal Saída2 x QSaída2 = (0,7 x QSaída2) = (0,7 x 321,43 kg/h) = 224,98 Kg/h
Quantidade de Água Que Sai do Sistema (com o cereal)
XÁgua Saída2 x QSaída2 = (0,3 x QSaída2) = (0,3 x 321,43 kg/h) = 96,42 Kg/h
FOUST, A.S.; WENZE L.A.; CLUMP, C.W.; MAUS, L.; BRYCE ANDERSEN, L. Princípios de Operações Unitárias, 2a Ed.. Rio de Janeiro: LTC Editora, 1982.
TADINI, C. C. et al. Operações Unitárias Na Indústria de Alimentos. Vol. 1 e 2. 1ª edição. Rio de Janeiro. LTC, 2016. 
FELLOWS, P. J. Tecnologia de processamentos de alimentos: princípios e práticas. Porto Alegre: Artmed, 2006. 
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