Unidade I

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<p>Operações Unitárias</p><p>Responsável pelo Conteúdo:</p><p>Prof. Dr. Paulo Cezar Frangiosa</p><p>Revisão Textual:</p><p>Aline Gonçalves</p><p>Introdução às Operações Unitárias</p><p>Introdução às Operações Unitárias</p><p>• Apresentar uma visão introdutória das operações unitárias e a sua importância para o profis-</p><p>sional de química;</p><p>• Demonstrar a relevância do tema para a indústria e sua aplicação em diversos processos</p><p>de fabricação;</p><p>• Definir conceitos básicos de transferência de massa e energia em operações unitárias;</p><p>• Exemplificar as aplicações de acordo com situações que impactam no nosso dia a dia.</p><p>OBJETIVOS DE APRENDIZADO</p><p>• O que são Operações Unitárias?</p><p>• Classificação das Operações Unitárias;</p><p>• Fundamentos de Transporte;</p><p>• Lei da Conservação de Massa;</p><p>• Balanços Materiais e Energia;</p><p>• Propriedades Necessárias para o Estudo das Operações Unitárias;</p><p>• Unidades e Sistemas de Medidas.</p><p>UNIDADE Introdução às Operações Unitárias</p><p>O que São Operações Unitárias?</p><p>O verbo “operar” significa produzir, realizar (visando a um resultado), enquanto o adje-</p><p>tivo “unitário” refere-se à unidade. A junção dessas duas definições, traduzidas no contexto</p><p>da indústria de processos químicos, pressupõe que existam várias operações, únicas em</p><p>si e independentes, cada uma constituída por um “complexo de meios que se combinam</p><p>para a obtenção de certo resultado”, direcionadas às atividades de certo tipo de indústria.</p><p>De acordo com Barbosa (2015), o campo de atuação do profissional em Química é a</p><p>indústria de processos químicos. Assim, exemplos como a separação de sólidos de uma</p><p>suspensão por meio de filtros e a separação de líquidos por destilação ou a secagem de</p><p>sólidos representam operações comuns a um grande número de indústrias. O conceito de</p><p>operações unitárias integra a fabricação, uma vez que toda indústria é, na verdade, uma</p><p>série organizada de operações ou blocos individuais que compõem um processamento.</p><p>Importante!</p><p>O desafio de se projetar um destilador para fabricar álcool, fracionar petróleo, fabricar</p><p>resinas ou produzir medicamentos é basicamente o mesmo. As diferenças estão nos deta-</p><p>lhes construtivos desses equipamentos, que são baseados mais na capacidade produtiva</p><p>do que no tipo de indústria. Raciocínio análogo pode ser feito em relação ao transportes</p><p>de fluidos ou sólidos, com os aquecimentos e resfriamentos, bem como secagens e mis-</p><p>turas. De fato, toda indústria química funciona por meio de uma série de engrenagens</p><p>coordenadas, cada uma sendo uma operação individual, interagindo para a fabricação de</p><p>determinado produto (GOMIDE, 1991).</p><p>Analisemos o caso de uma atividade presente em nosso dia a dia, como a filtração</p><p>do café: o objetivo é separar um sólido que está suspenso em um líquido, por meio de</p><p>um filtro de papel. Em um laboratório químico, usa-se papel de filtro disposto em um</p><p>funil para separar um precipitado do líquido. Já os filtros industriais são bem diferentes</p><p>do coador de café caseiro ou do funil/papel de filtro de laboratório. Apesar desses três</p><p>procedimentos serem aparentemente tão distintos, idênticas são as leis físicas que regem</p><p>a filtração: não são três filtrações, mas somente uma, guardadas as devidas proporções.</p><p>Seja em escala piloto ou industrial, a maioria dos processos de fabricação ocorre por</p><p>meio de transformações físicas e ou físico-químicas, sempre realizados em equipamentos</p><p>específicos. Alguns processos de fabricação, entretanto, limitam-se às operações unitárias</p><p>sem a presença de reações químicas. Esse é o caso do processo de fabricação das tintas,</p><p>como podemos observar na Figura 1.</p><p>8</p><p>9</p><p>Pesagem Mistura Trituração</p><p>TintagemFiltragemEmbalagem</p><p>Diluição e</p><p>Secagem</p><p>Análise da</p><p>Qualidade</p><p>Figura 1 – Sequência de Operações Unitárias para Fabricação de Tintas</p><p>Fonte: Adaptada de BARBOSA, 2015, p. 13</p><p>É importante observar que nas etapas do processo de obtenç ã o de tinta, apesar</p><p>da utilizaç ã o de produtos quí micos, não ocorrem reações. Na verdade, a reaç ã o de</p><p>polimerizaç ã o da tinta ocorre antes da pesagem. A sequência da Figura 1 mostra apenas</p><p>processos mecâ nicos, como pesagem, diluiç ã o e filtragem, ou seja, uma vez pronto o</p><p>polí mero da tinta, uma sé rie de operaç õ es unitá rias é desenvolvida para se chegar ao</p><p>produto que compramos nas lojas de tinta.</p><p>Várias são as operaç õ es unitá rias utilizadas nos diversos setores industriais. Destacam-se:</p><p>• Evaporaç ã o: Caso especial de transferê ncia de calor que lida com a evaporaç ã o de</p><p>um solvente volá til, como á gua, e de um soluto nã o volá til, como sal ou qualquer</p><p>outro material em soluç ã o;</p><p>• Secagem: Operação observada quando lí quidos voláteis (como a á gua) são removi-</p><p>dos de materiais sólidos;</p><p>• Cristalização: Refere-se à remoção de um soluto (como sal) de uma soluç ã o, por</p><p>meio de um processo de precipitação do soluto da soluç ã o;</p><p>• Destilação: Operação onde os componentes de uma mistura liquida homogênea</p><p>são separados por ebulição, já que há diferença das pressões de vapor dos consti-</p><p>tuintes dessa mistura;</p><p>• Absorção: Trata-se de uma operação empregada quando um componente é removido</p><p>de uma corrente de gás por meio de tratamento com um líquido;</p><p>• Extração lí quido-lí quido: Um soluto em uma soluç ã o líquida é removido pelo contato</p><p>com outro solvente relativamente nã o miscível com a soluç ã o;</p><p>• Adsorção: Processo em que um componente de uma corrente de gás ou líquido é</p><p>removido e absorvido por um adsorvente sólido;</p><p>• Extração sólido-líquido (lixiviação): Engloba o tratamento de uma mistura sólida fina-</p><p>mente dividida, com um líquido que dissolve e remove um soluto contido na mistura;</p><p>• Separações mecânicas-físicas: nesse grupo estão a separação de sólidos, lí quidos</p><p>ou gases por meios mecâ nicos, como filtração, decantação e redução de tamanho,</p><p>as quais são frequentemente tratadas como operaç õ es unitá rias separadas.</p><p>Muitas dessas operaç õ es unitá rias apresentam certos princípios básicos ou mecanismos</p><p>em comum:</p><p>• Transferê ncia de massa: É observada nas operações de secagem, destilação, sepa-</p><p>ração por membrana, absorção, stripping e cristalização;</p><p>9</p><p>UNIDADE Introdução às Operações Unitárias</p><p>• Transferência de calor: Ocorre na ebulição, evaporação e no aquecimento e resfri-</p><p>amento de fluidos;</p><p>• Operações mecânicas: Estão presentes no peneiramento, bombeamento e na</p><p>mistura de líquidos.</p><p>A discussão sobre as operações unitárias não pode ser feita sem se considerar o tipo</p><p>de equipamento onde essas operações serão realizadas. Assim, quando se fala sobre</p><p>filtra ção, serão estudados os filtros; ao se abordar destilação, as colunas de destilação;</p><p>vasos agitados fazem parte do assunto agitação de líquidos etc. O Quadro 1 mostra algu-</p><p>mas operações unitárias e os equipamentos onde elas ocorrem.</p><p>Quadro 1 – Operações Unitárias e seus Equipamentos</p><p>Filtração • Filtro.</p><p>Destilação • Coluna de destilação.</p><p>Secagem</p><p>• Secador de leito;</p><p>• Secador de tambor rotativo.</p><p>Extração</p><p>• Tanque agitado;</p><p>• Coluna de extração.</p><p>Cristalização</p><p>• Tanque agitado;</p><p>• Evaporador;</p><p>• Dessalinizador.</p><p>Moagem • Moinho de rolo, de martelos, de disco, de bolas, de pinos etc.</p><p>Fonte: Adaptado de TERRON, 2012, p. 17</p><p>As diversas operações unitárias são partes importantes das indústrias de processos</p><p>químicos. Como exemplos destacam-se as indústrias químicas e petroquímicas, indústrias</p><p>de alimentos e farmacêuticas, a parte térmica das centrais termoelétricas, os terminais</p><p>de armazenagem e de distribuição de produtos de petróleo, bem como as instalações de</p><p>processamento de petróleo e/ou de gás natural, tanto em terra quanto no mar.</p><p>O conjunto de etapas necessárias para a realização de determinado fim chama-se</p><p>processo e envolve várias operações, como mostrado no esquema da Figura 2.</p><p>10</p><p>11</p><p>Processo:</p><p>Um conjunto de</p><p>operações unitárias</p><p>e conversões químicas</p><p>Aborção, troca de íons,</p><p>centrifugação, cristalização,</p><p>destilação, secagem, evaporação</p><p>�ltração, transporte de �uidos</p><p>(escoamento em tubulações etc.),</p><p>transporte de calor (trocadores de</p><p>calor</p><p>etc.), extração líquido-líquido,</p><p>transporte de massa, agitação,</p><p>mistura de sólidos, redução de</p><p>tamanho, transporte de</p><p>sólidos (transporte pneumático,</p><p>esteiras, etc.), etc.</p><p>Alquilação, aminação, calcinação</p><p>nitração, eletrólise, esteri�cação,</p><p>fermentação, halogenação, hidrólise,</p><p>isomerização, neutralização,</p><p>oxidação, polimerização, pirólise ou</p><p>craqueamento, redução reforma.</p><p>sulfonação etc.</p><p>Adesivos, alimentos e bebidas, borracha sintética,</p><p>catalisadores, celulose e papel, cerâmicos, cimento, fármacos</p><p>e cosméticos, fertilizantes, �bras sintéticas, gases industriais,</p><p>gorduras e óleos, materiais fotográ�cos, materiais metálicos,</p><p>materiais plásticos, polímeros, produtos químicos em geral,</p><p>produtos industriais inorgânicos (cloro, álcalis, ácidos etc.),</p><p>produtos petroquímicos (gasolina, asfalto etc.), sabões,</p><p>detergentes, glicerina, sais, tintas vernizes, pigmentos,</p><p>vidros e similares etc.</p><p>Uma Seleção de</p><p>Operações Unitárias</p><p>Produtos da agricultura, ar,</p><p>produtos naturais, carvão, minerais</p><p>(metálicos ou não metálicos),</p><p>gás natural, petróleo, água do mar,</p><p>água, madeiras, etc.</p><p>Matérias-primas</p><p>MineraisAgricultura</p><p>Madeira Controle de</p><p>Processos</p><p>...uma seleção de produtos �naisUma seleção de</p><p>conversões químicas</p><p>Tintas Petroquímicos</p><p>Fármacos Borrachas</p><p>Produzem: uma seleção de</p><p>produtos intermediários e...</p><p>Acetatos, ácidos (minerais, orgânicos,</p><p>graxos), acrilatos/acrílicos, alcoóis,</p><p>aldeídos, álcalis, amidas, aminas,</p><p>aromáticos, cáusticos, celulósicos,</p><p>cetonas, cloro, coque, diole�nas,</p><p>ésteres, glicóis halogênios, hidrocarbonetos,</p><p>gases industriais (hidrogênio, oxigênio,</p><p>nitrogênio, etc.), metais (ferrosos ou não),</p><p>nitratos/nitritos, nitrilas,</p><p>ole�nas (etileno, etc.), etc.</p><p>Petróleo</p><p>Figura 2 – Esquema de Processo</p><p>Fonte: Adaptada de TERRON, 2012, p. 6</p><p>Observa-se que tanto as operaç õ es unitá rias quanto as conversões quí micas agem</p><p>sobre as matérias-primas, formando produtos que podem ser intermediários (servem como</p><p>matérias-primas para outros processos) ou finais (destinados diretamente ao consumo).</p><p>Classificação das Operaç õ es Unitá rias</p><p>Em relação ao exemplo sobre a filtração da infusão do café, discutido anteriormente,</p><p>fica claro que a operação foi realizada de uma só vez, ou seja, teve início e fim, sendo</p><p>dependente do tempo – a esse tipo de processo denomina-se em batelada. Se, por</p><p>outro lado, fosse realizada uma alimentação contínua da suspensão pó de café/á gua no</p><p>filtro, de modo que a altura da suspensão permanecesse constante à medida que a torta</p><p>fosse formada, o processo seria independente do tempo. Nessa situação, as condições</p><p>do processo poderiam se manter fixas do início ao fim – é o que chamamos de regime</p><p>contínuo ou processo em regime permanente. O modelo para a filtração contínua seria</p><p>11</p><p>UNIDADE Introdução às Operações Unitárias</p><p>diferente daquele em batelada, mas os conceitos de operação unitária ainda permanecem!</p><p>A prática nos mostra que a maior parte dos processos industriais opera em regime contí-</p><p>nuo ou permanente. Exceções são os processos das indústrias farmacêutica e de alimentos,</p><p>ou em processos de química fina, onde também são usados processos em batelada.</p><p>As Tabelas 1 a 5 trazem algumas das operações unitárias mais comuns, bem como</p><p>os materiais nela envolvidos, seus objetivos e alguns exemplos de aplicação industrial.</p><p>Tabela 1 – Operações Unitárias da Indústria Química: Transporte e Movimentação de Fluídos</p><p>Operação Estado dos materiais Objetivos Exemplos</p><p>Escoamento de fluídos</p><p>em tubos, dutos e canais</p><p>Sistemas monofásicos (gases</p><p>ou líquidos) e multifásicos</p><p>(gases, líquidos e sólidos)</p><p>Aplicação das leis fundamentais</p><p>do escoamento de fluídos para</p><p>fins industriais</p><p>Projeto de tubulações indus-</p><p>triais e acessórios.</p><p>Equipamentos para</p><p>movimentação de fluídos</p><p>Projeto e seleção de equipa-</p><p>mentos como bombas, com-</p><p>pressores, sopradores etc.</p><p>Mediçãode vazão</p><p>Estudo, projeto e seleção de</p><p>equipamentos para medição de</p><p>vazão de escoamento.</p><p>Agitação</p><p>de líquidos</p><p>Somente um líquido Somente a movimentação do líquido Aquecimento da massa líquida</p><p>Gás e líquido Dispersar o gás no líquido Reação química</p><p>Mistura de líquidos miscíveis Obtenção de misturas de líquidos</p><p>miscíveis entre si</p><p>Obtenção de soluções alcoólicas.</p><p>Aquecimento da massa líquida</p><p>Líquidos imiscíveis Obtenção de misturas de líquidos</p><p>imiscíveis entre si Formação de emulsões, extração</p><p>Líquido e sólido Formação de suspensões e lamas Reações catalisadas, extração</p><p>Líquido, gás e sólido Formação de suspensões e lamas</p><p>com dispersão de gás Reações catalisadas, fermentação</p><p>Fonte: Adaptada de TERRON, 2012, p. 15-16</p><p>Tabela 2 – Operações Unitárias da Indústria Química: Transporte de Calor</p><p>Estado dos Materiais Objetivos Exemplos</p><p>Sistemas monofásicos (gases, líqui-</p><p>dos ou sólidos) e multifásicos (ga-</p><p>ses, líquidos e sólidos)</p><p>Aplicação dos mecanismos de trans-</p><p>porte de calor (condução, convec-</p><p>ção, radiação) para fins industriais</p><p>Estudo, projeto e seleção de equipa-</p><p>mentos para efetuar troca de calor</p><p>(trocadores de calor, sistemas de</p><p>troca de calor por condução etc.)</p><p>Fonte: Adaptada de TERRON, 2012, p. 15-16</p><p>Tabela 3 – Operações Unitárias da Indústria Química: Sólidos</p><p>Operação Estado dos materiais Objetivos Exemplos</p><p>Mistura</p><p>de sólidos</p><p>Líquidos e sólidos</p><p>(pouco líquido e muito sólido)</p><p>Formação de pastas Panificação</p><p>Sólidos e soluções</p><p>Misturar diferentes ma-</p><p>teriais granulados  ou</p><p>pulverizados</p><p>Formulação de remédios</p><p>Cominuição Sólidos Diminuição do tamanho</p><p>dos sólidos</p><p>Estudo, projeto e seleção de equi-</p><p>pamentos para diminuir a granu-</p><p>lometria de sólidos (moagem)</p><p>Aglomeração Sólidos Aumento do tamanho</p><p>dos sólidos Formulação de remédios</p><p>Fonte: Adaptada de TERRON, 2012, p. 15-16</p><p>12</p><p>13</p><p>Tabela 4 – Operações Unitárias da Indústria Química: Separações Mecânicas</p><p>Operação Estado dos</p><p>materiais Objetivos Exemplos</p><p>Flotação Sólidos e líquidos</p><p>Separação de sólidos com diferen-</p><p>tes características (tamanho, den-</p><p>sidade etc.) por correntes líquidas</p><p>Separação de minérios das suas</p><p>impurezas</p><p>Sedimentação Sólidos e líquidos Separação de sólidos suspensos</p><p>em líquidos por ação da gravidade</p><p>Lagoas de sedimentação para</p><p>tratamento de esgotos</p><p>Filtração Sólidos e líquidos Separação de sólidos suspensos</p><p>em líquidos através de filtros</p><p>Separação de cristais origina-</p><p>dos em uma reação química</p><p>Centrifugação Sólidos e líquidos</p><p>Líquidos e líquidos</p><p>Separação de sólidos suspensos</p><p>em líquidos através da ação da</p><p>força centrífuga</p><p>Separação de óleos em emul-</p><p>sões líquido-liquido</p><p>Tamisação Sólidos Separação de sólidos com granu-</p><p>lometrias diferentes Separação de minérios</p><p>Fonte: Adaptada de TERRON, 2012, p. 15-16</p><p>Tabela 5 – Operações Unitárias da Indústria Química: Separações Térmicas</p><p>Operação Estado dos</p><p>materiais Objetivos Exemplos</p><p>Destilação Líquidos e gases Separação de líquidos miscíveis</p><p>Destilação fracionada do petróleo; des-</p><p>tilação de solução água-álcool para ob-</p><p>tenção de etanol</p><p>Absorção Gases e líquidos</p><p>Retirar um ou mais componentes</p><p>da fase gasosa por meio de uma</p><p>fase líquida para lavar o gás</p><p>Purificação de misturas gasosas para</p><p>eliminação de poluentes</p><p>Adsorção Gases e sólidos</p><p>Reter um ou mais componentes</p><p>da fase gasosa por meio de uma</p><p>fase sólida</p><p>Reação química entre dois gases (o sólido</p><p>pode ser um catalisador)</p><p>Extração</p><p>Sólido e líquido</p><p>(solvente) ou líquido</p><p>e líquido (solvente)</p><p>Retirar um componente de uma fase</p><p>sólida (ou líquida) por contato com</p><p>solvente líquido</p><p>Extração de óleos essenciais</p><p>Extração de óleos de sementes moídas</p><p>Purificação de líquidos pela ação de</p><p>um solvente líquido</p><p>Cristalização Sólido e líquido</p><p>(solvente)</p><p>Separar um sólido dissolvido em um</p><p>líquido pela formação de cristais Cristalização de sais</p><p>Evaporação</p><p>Sólidos, líquidos</p><p>e gases</p><p>Separação de um sólido em solu-</p><p>ção pela evaporação do líquido</p><p>Obtenção de sal pela evaporação da</p><p>água do mar</p><p>Secagem</p><p>Retirar o líquido do sólido pela</p><p>evaporação do líquido por corren-</p><p>te gasosa</p><p>Secagem de grãos e sementes</p><p>Fonte: Adaptada de TERRON, 2012, p. 15-16</p><p>13</p><p>UNIDADE</p><p>Introdução às Operações Unitárias</p><p>Em Síntese</p><p>• Operações unitárias descrevem processos onde ocorrem somente fenômenos físicos,</p><p>estando sempre envolvidas evoluções de energia, de massa ou de ambas;</p><p>• Operações unitárias diferentes podem servir para a mesma finalidade: a centrifugação</p><p>e a sedimentação, por exemplo, realizam a separação de sólidos em suspensão do</p><p>meio líquido;</p><p>• A mesma operação pode ser realizada em equipamentos diferentes. Exemplo clássico é a</p><p>cristalização, podendo ser feita em tanques agitados, evaporadores ou dessalinizadores;</p><p>• No mesmo equipamento, podem ocorrer operações diferentes.</p><p>Fundamentos de Transporte</p><p>Transferência de Calor</p><p>De acordo com Incropera (2008), uma definição simples de transferência de calor</p><p>pode ser escrita como:</p><p>“Transferência de calor (ou calor) é energia térmica em trânsito</p><p>devido a uma diferença de temperaturas no espaço”.</p><p>Desse modo, sempre que existir uma diferença de temperaturas entre os meios em</p><p>estudo, haverá, obrigatoriamente, transferência de calor. Em relação aos modos de</p><p>transferência de calor, se existir um gradiente de temperatura em um meio estacionário</p><p>(sólido ou fluído), estamos falando de condução. Por outro lado, quando a transferência</p><p>de calor ocorre em uma superfície e um fluído em movimento, quando se encontrarem</p><p>em diferentes temperaturas, estamos nos referindo à transferência de calor conhecida</p><p>por convecção. Existe, ainda, um terceiro modo de transferência de calor, a radiação</p><p>térmica, resultante do fato de que todas as superfícies aquecidas emitem energia na</p><p>forma de ondas eletromagnéticas.</p><p>A transferência de calor é um fenômeno que está em praticamente todos os dispo-</p><p>sitivos de conservação e produção de energia. Podemos citar exemplos com um motor</p><p>de turbina a gás, cuja eficiência aumenta com a sua temperatura de operação, ou ainda</p><p>as células-combustível, que geram potência a partir de combustíveis como o hidrogênio,</p><p>sem prejuízo ao meio ambiente. Assim como as turbinas a gás, as células-combustível</p><p>também têm sua eficiência aumentada com um aumento da temperatura.</p><p>Nos computadores pessoais, percebemos a presença de aletas de resfriamento (dissi-</p><p>padores de calor), fabricados com materiais de alta condutividade térmica (alumínio, por</p><p>exemplo), que são incorporadas aos microprocessadores para reduzir suas temperaturas</p><p>quando estão em operação. Pequenos ventiladores são utilizados para induzir a convecção</p><p>forçada sobre as aletas.</p><p>14</p><p>15</p><p>Assim como em sistemas de engenharia, a transferência de calor tem grande rele-</p><p>vância nos fenômenos que ocorrem na natureza. Em nosso organismo, por exemplo, a</p><p>temperatura regula e dispara nossas respostas biológicas, demarcando a fronteira entre</p><p>saúde e doença. Lembremos da hipotermia (resfriamento excessivo do corpo) e do cho-</p><p>que térmico (disparado em ambientes quentes e úmidos), que podem ser mortais caso</p><p>não sejam rapidamente controlados. Esses dois fenômenos estão diretamente ligados à</p><p>convecção, radiação e evaporação, que ocorrem na superfície corporal, ao transporte de</p><p>calor no interior do corpo e à energia metabólica que geramos espontaneamente.</p><p>Os avanços no campo da engenharia biomédica, como nas cirurgias a laser, só foram</p><p>possíveis com o conhecimento dos princípios fundamentais da transferência de calor: se</p><p>por um lado objetos quentes podem nos causar queimaduras, por outro, tratamentos</p><p>hipertérmicos são utilizados na Medicina para destruição de lesões cancerosas.</p><p>Transporte de Massa</p><p>Incropera (2008) define a transferência de massa, como:</p><p>“Transferência de massa é a massa em trânsito como resultado de</p><p>uma diferença de concentrações de uma espécie em uma mistura”.</p><p>Nesse caso, uma quantidade de massa é transferida de uma fase para outra: da mesma</p><p>forma que um gradiente de temperatura é o potencial motriz para a transferência de calor,</p><p>o potencial motriz para transferência de massa é a existência de um gradiente de concen-</p><p>tração de uma espécie em uma mistura. O mecanismo básico é o mesmo para as fases</p><p>sólida, líquida e gasosa: estão incluídos os processos de destilação, absorção, extração</p><p>lí quido-lí quido e adsorção.</p><p>Como exemplos podemos lembrar da dispersão de óxidos de enxofre, liberados na</p><p>atmosfera, pelas chaminés de usinas de potência, ou ainda a transferência de vapor</p><p>d’água para o ar seco, fenômeno observado nos umidificadores domésticos.</p><p>CENGEL, A. Y.; GHAJAR, A. J. Transferência de calor e massa: uma abordagem prática.</p><p>4. ed. Porto Alegre: AMGH, 2012.</p><p>Transporte de Momento (Movimento)</p><p>Nesse caso, uma quantidade de massa é transportada de um ponto para outro dentro</p><p>de um processo. Trata-se da movimentação de matéria dentro de uma instalação qual-</p><p>quer. Como exemplos clássicos desse processo de transporte temos o bombeamento</p><p>(transporte de lí quidos) e a compressão, que também é utilizada para a movimentação</p><p>de gases (BARBOSA, 2015).</p><p>15</p><p>UNIDADE Introdução às Operações Unitárias</p><p>Lei da Conservação de Massa</p><p>Por volta de 1785, o francês Antoine Laurent de Lavoisier (1743-1794), considerado</p><p>a “pai da química moderna”, realizou reações em recipientes fechados, por repetidas</p><p>vezes, em balanças consideradas de precisão para a época. Em um desses experimentos</p><p>(Figura 3), ele colocou mercúrio em uma retorta, cujo tubo alcançava uma redoma com</p><p>ar colocada em um recipiente que também continha mercúrio.</p><p>Ao aquecer a retorta, calcinando o mercúrio, o volume de ar na redoma diminuiu,</p><p>resultando no aumento do volume ocupado pelo mercúrio e no surgimento de um com-</p><p>posto vermelho, o óxido de mercúrio II. Na verdade, o mercúrio reagiu com o oxigênio,</p><p>assim como ocorre em todas as combustões.</p><p>2 Hg + O2 → 2 HgO</p><p>Nível do</p><p>mercúrio</p><p>subiu,</p><p>ocupando</p><p>o espaço</p><p>do oxigênio</p><p>que reagiu</p><p>na retorta.</p><p>Cuba com</p><p>mercúrio</p><p>Redoma com</p><p>ar e mercúrio</p><p>Retorta</p><p>contendo</p><p>mercúrio</p><p>metálico</p><p>Forno</p><p>Óxido de mercúrio II</p><p>Forno</p><p>Figura 3 – Experimento de Lavoisier</p><p>Fonte: Adaptada de uenf.br</p><p>Lavoisier pesou cuidadosamente a retorta com o mercúrio no início e depois da reação,</p><p>e observou que a soma das massas dos reagentes é igual à soma das massas dos produtos,</p><p>desde que a reação tenha sido feita em sistema fechado. De forma simplista, podemos re-</p><p>sumir essa lei dizendo que “na natureza, nada se perde e nada se cria, tudo se transforma”!</p><p>Na prática, essas conclusões representaram um avanço no entendimento das reações</p><p>químicas, levando às leis ponderais e volumétricas, bem como ao aprimoramento dos cál-</p><p>culos estequiométricos. Isso é muito importante, atualmente, em indústrias e laboratórios</p><p>químicos, especialmente quando se calcula o rendimento de produtos em dado processo.</p><p>Leia o artigo para saber mais sobre o nobre químico francês Antoine Laurent de Lavoisier.</p><p>Disponível em: https://bit.ly/3r71pam</p><p>16</p><p>17</p><p>Portanto, a massa total que entra em um processo (reagentes e cargas) deve ser igual</p><p>à massa total que sai do processo (produtos, subprodutos e resíduos) acrescida da massa</p><p>acumulada ou deixada no processo. Raciocínio similar pode ser feito para a energia.</p><p>Balanços Materiais e Energia</p><p>Balanço de Materiais</p><p>A lei de conservação da massa diz que os materiais que entram no processo devem</p><p>sair deste, ou seja, não há nem perda nem ganho de massa ao logo do processo. Na</p><p>forma de balanço de material, a lei pode ser aplicada como:</p><p>∑ Massas entrando no processo = ∑ Massas saindo do processo</p><p>(REAGENTES) (PRODUTOS)</p><p>Importante destacar que os balanços podem ser feitos para um equipamento indivi-</p><p>dualmente, ou no processo como um todo. Em ambos os casos, os balanços devem ser</p><p>aplicados para todos os materiais que entram e saem do processo, inclusive para qual-</p><p>quer material que passa pelo processo sem sofrer alteração.</p><p>Várias unidades de medidas de massa podem ser utilizadas nos balanços (kg, lb, g),</p><p>mas devemos tomar o cuidado de não misturar diferentes sistemas de unidades no mesmo</p><p>balanço. Em muitos casos, os materiais que entram no processo passam por reações quí-</p><p>micas, portanto há uma diferença na saída daqueles.</p><p>Quando isso ocorrer, devemos optar</p><p>pelo balanç o molar para cada componente da reação, ao invés do balanço de massa.</p><p>Analisemos o exemplo ilustrado no esquema que segue: sabe-se que o reagente “A” é</p><p>totalmente convertido no produto “B”, produzindo um resíduo “C”, sem acúmulo deste.</p><p>ReaçãoA B</p><p>C</p><p>Figura 4</p><p>O balanço de material desse processo será dado por:</p><p>M (entrada) = M (saída) → M (A) = M (B) + M (C)</p><p>Balanç o de Energia</p><p>Como no balanç o material, um balanç o de energia pode ser feito para o processo total</p><p>ou parte deste. A entrada deve igualar-se à saída, acrescido do acumulado, desde que as</p><p>condições do processo sejam estáveis, sem variação com o tempo (entrada é igual à saída).</p><p>Importante ressaltar que, nesse tipo de balanço, devem ser consideradas todas as for-</p><p>mas de energia, lembrando que, na maioria dos processos de fluxo, algumas formas de</p><p>energia (como magnética, de superfície e estresse mecânico) nã o se modificam, assim,</p><p>17</p><p>UNIDADE Introdução às Operações Unitárias</p><p>não precisam ser consideradas. As formas mais importantes são: energia cinética, energia</p><p>potencial, entalpia, calor e trabalho. Em processos eletroquímicos, a energia elétrica deve</p><p>ser acrescentada ao balanço.</p><p>Os balanços de energia devem ser considerados nas operações de transferência de</p><p>massa, permitindo determinar a temperatura da operação, o consumo de utilidades neces-</p><p>sárias, as correntes internas e o desempenho energético da operação.</p><p>As equações envolvidas nos cálculos de balanço de energia são baseadas na Primeira</p><p>Lei da Termodinâmica. Para um sistema fechado, temos:</p><p>Q – W = ΔU (1)</p><p>Onde:</p><p>• Q: energia térmica em movimento (entrada);</p><p>• W: trabalho realizado pelo sistema (saída);</p><p>• ΔU: variação de energia interna armazenada no sistema (acúmulo).</p><p>Devemos considerar, além da energia interna, outras formas de energia, como a cinética,</p><p>elétrica, potencial magnética e de superfície. Entretanto, são consideradas desprezíveis para</p><p>efeitos de cálculos (GOMIDE, 1991).</p><p>A Primeira Lei da Termodinâmica é a base para os cálculos de balanço de energia,</p><p>na medida em que engloba as variações de energia, permitindo-nos calcular, por exem-</p><p>plo, quanto calor uma reação produz. Por outro lado, a Segunda Lei da Termodinâmica</p><p>explica os motivos pelos quais certas reações ocorrem enquanto outras não. Fato é que</p><p>ambas as Leis são resultados de experimentos com a matéria (ATKINS, 2012).</p><p>Consideremos o esquema que segue: em um trocador de calor, o fluído quente fornece</p><p>calor ao fluído frio.</p><p>Q perdido</p><p>Líquido quente</p><p>Líquido frio</p><p>Figura 5</p><p>O balanço de energia nesse trocador de calor será dado por:</p><p>Q (cedido)Líquido quente = Q (recebido)Líquido frio + Q (perdido)Vizinhança</p><p>Propriedades Necessárias para</p><p>o Estudo das Operações Unitárias</p><p>Terron (2012) nos ensina que, para estudar e calcular as diversas operações unitá-</p><p>rias industriais, deve-se possuir valores de uma série de propriedades das substâncias</p><p>envolvidas em cada uma das etapas do processo. A seguir, são enumeradas as principais</p><p>propriedades, destacando-se alguns exemplos para cada uma delas:</p><p>18</p><p>19</p><p>• Propriedades volumétricas: densidade dos gases e líquidos, volume molar, fator</p><p>de compressibilidade;</p><p>• Propriedades físico-químicas: estado físico, ponto de fusão, ponto de ebulição,</p><p>reatividade, solubilidade, polaridade;</p><p>• Propriedades energéticas: entalpia, energia livre;</p><p>• Propriedades de equilíbrio líquido-vapor de substâncias puras e misturas:</p><p>pressão de vapor, entalpia de vaporização, coeficiente de atividade;</p><p>• Propriedades de transporte: viscosidade ( link a seguir).</p><p>Determinação da Viscosidade em Viscosímetro de Orifício (Copo Ford).</p><p>Disponível em: https://bit.ly/3xE0alo</p><p>Vídeo Técnico – Viscosidade (Macler Produtos Químicos Ltda).</p><p>Disponível em: https://youtu.be/sYjghwPXeiM</p><p>Existem extensas tabelas disponíveis na literatura com valores dessas e de outras tantas</p><p>propriedades, para praticamente todas as substâncias conhecidas.</p><p>Unidades e Sistemas de Medidas</p><p>Estudaremos, a partir de agora, as unidades básicas e medidas do Sistema Interna-</p><p>cional (SI), que são utilizadas por cientistas do mundo todo. Serão apresentadas também</p><p>as unidades fundamentais ou unidades-base, a partir das quais todas as outras unidades</p><p>podem ser obtidas.</p><p>Você Sabia?</p><p>Desde o surgimento do comércio nas civilizações, fazia-se necessário medir coisas. No</p><p>caso de um objeto, por exemplo, significava determinar quantas vezes ele era maior</p><p>ou menor do que determinada unidade-padrã o escolhida. No início, foram empregadas</p><p>unidades baseadas em partes do corpo humano, mas cada país tinha o próprio sistema</p><p>de medidas: alguns usavam braças, outros palmos, pés ou polegadas. Isso criava uma</p><p>série de problemas para o comércio, uma vez que as pessoas de determinada região não</p><p>conheciam o sistema de medida das outras regiões!</p><p>Unidades de Medidas</p><p>Sete são as unidades fundamentais (unidades-base), convencionadas como sendo dimen-</p><p>sionalmente independentes, ou seja, nã o podem ser convertidas umas nas outras (Tabela 6).</p><p>19</p><p>UNIDADE Introdução às Operações Unitárias</p><p>Tabela 6 – Unidades Fundamentais do Sistema Internacional (SI)</p><p>Quantidade física Nome da unidade Abreviatura</p><p>Massa Quilograma kg</p><p>Comprimento Metro m</p><p>Tempo Segundo s</p><p>Temperatura Kelvin K</p><p>Quantidade de substância Mol mol</p><p>Corrente elétrica Ampere A</p><p>Intensidade luminosa Candela cd</p><p>Fonte: Adaptada de BARBOSA, 2015, p. 20</p><p>A partir de relações algébricas entre as unidades-base, originam-se as unidades deriva-</p><p>das, cujos símbolos são obtidos mediante sinais matemáticos de multiplicação, divisão e</p><p>pelo uso de expoentes (Tabela 7).</p><p>Tabela 7 – Unidades Derivadas do Sistema Internacional (SI)</p><p>Quantidade física Nome da</p><p>unidade Abreviatura</p><p>Frequência Hertz Hz</p><p>Força Newton N</p><p>Pressão Pascal Pa</p><p>Energia, trabalho, quantidade de calor Joule J</p><p>Potência, fluxo radiante Watt W</p><p>Fonte: Adaptada de BARBOSA, 2015, p. 20</p><p>Não podemos nos esquecer de que existem múltiplos e submúltiplos da unidade funda-</p><p>mental de comprimento, o metro. Essas unidades são de uso permitido pelo Sistema</p><p>Internacional (SI), como ilustra a Tabela 8.</p><p>Tabela 8 – Unidades Múltiplas e Submúltiplas do Metro</p><p>Nome da unidade Abreviatura Equivalência em metros</p><p>Terametro Tm 1012</p><p>Gigametro Gm 109</p><p>Megametro Mm 106</p><p>Quilômetro km 103</p><p>Hectômetro hm 102</p><p>Decâmetro dam 10</p><p>Metro m 1</p><p>Decímetro dm 10–1</p><p>Centímetro cm 10–2</p><p>Milímetro mm 10–3</p><p>Micrometro μ 10–6</p><p>Nanometro nm 10–9</p><p>Angstron Å 10–10</p><p>Picometro pm 10–12</p><p>Fonte: Adaptada de BARBOSA, 2015, p. 21</p><p>20</p><p>21</p><p>Operações com as Unidades</p><p>Nas áreas da Química, bem como no nosso dia a dia, a maior parte das medidas</p><p>usadas nã o pode ser expressa apenas por unidades fundamentais, havendo necessidade</p><p>de recorrermos às suas combinações. Para realizar operaç õ es matemáticas, as unidades</p><p>precisam estar no mesmo sistema de medida. Analisemos os exemplos que seguem:</p><p>Exemplo 1</p><p>Uma serpentina de arrefecimento de um reator pesa 10 lb, enquanto um disco de</p><p>ruptura desse reator pesa 10 kg. Sabemos que ambas as unidades são de massa, mas</p><p>pertencem a sistemas métricos distintos. Se quisermos saber qual a soma das massas dos</p><p>dois componentes, em quilos, precisamos converter a unidade libras (lb) em quilo (kg):</p><p>Como: 1 lb → 0,454 kg, então 10 lb → 4,54 kg</p><p>Logo, a soma das massas dos dois componentes será tal que:</p><p>Massa = 4,54 + 10,00 → 14,54 kg!</p><p>Exemplo 2</p><p>A multiplicação e a divisão permitem a utilização de unidades diferentes, desde que</p><p>estejam no mesmo sistema de medição. Assim, se um fluído percorre 30 m de uma</p><p>tubulação em 5 segundos, sua velocidade será dada por:</p><p>v = 30</p><p>5</p><p>m</p><p>s</p><p>= 6 m/s (SI)</p><p>Existem extensas tabelas que nos permitem transformar uma unidade em outra.</p><p>A Tabela 9 traz algumas bastante utilizadas.</p><p>Exemplo 3</p><p>Em um reator que trabalha em batelada, os reagentes foram carregados e aquecidos</p><p>a 75 °C, sob uma pressão de 1,4 atm. Deseja-se saber os valores de pressão em KPa e</p><p>a temperatura em Kelvin.</p><p>• Transformação de atm para KPa:</p><p>Basta montar</p><p>a proporção utilizando a relação: 1 atm → 101,325 kPa</p><p>Logo: 1,4 atm → 141,855 kPa</p><p>• Transformação de °C para Kelvin:</p><p>K = °C + 273,15 → 75 + 273,15 = 348,15 K</p><p>Tabela 9 – Conversão de Unidades</p><p>Grandeza Unidade Equivalência</p><p>Comprimento</p><p>1 in 2,54 cm</p><p>1 ft 12 in</p><p>Massa</p><p>1 ton 1.000 kg</p><p>1 kg 1.000 g</p><p>1 lb 0,4536 kg</p><p>21</p><p>UNIDADE Introdução às Operações Unitárias</p><p>Grandeza Unidade Equivalência</p><p>Tempo</p><p>1 h 60 min</p><p>1 min 60 s</p><p>Força</p><p>1 N 10–5 dina</p><p>1 N 0,10107 kgf</p><p>Pressão</p><p>1 Pa 1 N/m2</p><p>1 Pa 10–6 N/mm2</p><p>1 Pa 0,102 x 10–4 kgf/cm2</p><p>1 atm 1,033 kgf/cm2</p><p>1 atm 101,325 kPa</p><p>1 atm 105 N/m2</p><p>Temperatura 0°C 273,15 K</p><p>Energia</p><p>1 HP 746,7 W</p><p>W 0,102 kgf m/s</p><p>W 1 N/m2</p><p>Fonte: Adaptada de BARBOSA, 2015, p. 23</p><p>Trocando Ideias...</p><p>Nanotecnologia é o estudo de manipulação da matéria em escala atômica e molecular,</p><p>com destaque para o desenvolvimento de materiais com estruturas estáveis, nas áreas</p><p>da Medicina, Eletrônica, Ciência da Computação, Física, Química, Biologia e Engenharia</p><p>dos Materiais. O ponto de partida da nanociência e da nanotecnologia ocorreu em 1959,</p><p>quando o físico norte-americano Richard Philips Feynman utilizou o termo “nano” pela</p><p>primeira vez. O termo nanotecnologia foi popularizado na década de 1980 pelo enge-</p><p>nheiro estadunidense Kim Eric Drexler. Apesar de ser um termo atual, a nanotecnologia</p><p>já era desenvolvida na antiguidade, onde os romanos produziam artefatos com nano-</p><p>partículas de ouro, como o famoso Cálice de Licurgo, que, dependendo de como é ilumi-</p><p>nado, varia entre as colorações esverdeadas e avermelhadas.</p><p>22</p><p>23</p><p>Material Complementar</p><p>Indicações para saber mais sobre os assuntos abordados nesta Unidade:</p><p>Livros</p><p>Curso Fabricação de Cosméticos – Linha Básica – Processo Artesanal</p><p>RODELLA, E. A. Curso Fabricação de Cosméticos – Linha Básica – Processo Artesanal.</p><p>Viçosa: CPT, 2007.</p><p>Curso Fabricação de Cosméticos II – Linha Específica – Processo Artesanal</p><p>RODELLA, E. A. Curso Fabricação de Cosméticos II – Linha Específica – Processo</p><p>Artesanal. Viçosa: CPT, 2008.</p><p>Como produzir cosméticos naturais</p><p>TRINDADE, C.; SARTÒRIO, M. L. Como produzir cosméticos naturais. Viçosa:</p><p>CPT, 2008.</p><p>Vídeos</p><p>Vídeo Técnico – Viscosidade de Fluídos Newtonianos</p><p>https://youtu.be/sYjghwPXeiM</p><p>Fabricação da Tinta</p><p>https://youtu.be/T-lUjbhVVZs</p><p>Como se faz – Tinta</p><p>https://youtu.be/DPdWgoTn3jE</p><p>Utilização do Petróleo – Destilação Fracionada</p><p>https://youtu.be/VQ-x5LOsE6Y</p><p>Leitura</p><p>Princípios das Operações Unitárias no Processamento de Alimentos</p><p>https://bit.ly/3k41Dxr</p><p>Biodiesel: um Projeto de Sustentabilidade Econômica e Socioambiental para o Brasil</p><p>https://bit.ly/36xaZJU</p><p>23</p><p>UNIDADE Introdução às Operações Unitárias</p><p>Referências</p><p>ATKINS, P. W. Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio. Porto</p><p>Alegre: Bookman, 2012. (e-book)</p><p>BARBOSA, G. P. Operações da indústria química: princípios, processos e aplicações.</p><p>São Paulo: Erica, 2015. (e-book)</p><p>GOMIDE, R. Manual de operações unitárias. 2. ed. São Paulo: R. Gomide, 1991.</p><p>HIMMELBLAU, D. M. Engenharia química, princípios e cálculos. 8. ed. Rio de Janeiro:</p><p>Prentice-Hall, 2014.</p><p>HOLTZAPPLE, M. T.; REECE, W. D. Introdução à Engenharia. Rio de Janeiro: LTC,</p><p>2006-2013.</p><p>INCROPERA, F. P. et al. Fundamentos de transferência de calor e massa. 6. ed. Rio</p><p>de Janeiro: LTC, 2008.</p><p>SKOOG, D. A. et al. Fundamentos da Química Analítica. Trad. 8. ed. americana. São</p><p>Paulo: Thomson, 2007.</p><p>TERRON, L. R. Operações unitárias para químicos, farmacêuticos e engenheiros:</p><p>fundamentos e operações unitárias do escoamento de fluidos. Rio de Janeiro: LTC, 2012.</p><p>24</p>