OPERAÇÕES UNITÁRIAS I: INTRODUÇÃO A OPERAÇÕES UNITÁRIAS

Em uma indústria, partindo-se da matéria-prima até se chegar ao produto final, uma série de processos deve ocorrer, sendo alguns de natureza química e outros de natureza física. Assim, cada uma das etapas sequenciais numa linha de produção industrial é conhecida como uma “operação unitária”. Neste episódio, conheceremos um pouco mais sobre este termo tão relevante no ramo industrial.

Antigamente, as indústrias eram consideradas diferentes por possuir processos industriais e princípios distintos. Ao longo dos anos, a partir das revoluções industriais e desenvolvimento tecnológico, termos como processos, sistemas, energia, operações unitárias e outros foram tomando destaque no cotidiano. A vivência com processos, sejam eles químicos ou físicos, aumentou e tomou um espaço preponderante nas indústrias em geral.

Os processos químicos podem ser constituídos por uma sequência de etapas muito diferentes, que têm princípios fundamentais independentes da substância que está sendo operada e de outras características do sistema. No projeto de um processo, cada etapa a ser usada pode ser investigada individualmente. Algumas etapas são reações químicas, enquanto outras são modificações físicas.

A versatilidade dos engenheiros deve-se ao treinamento em decompor praticamente um processo complicado em etapas individuais, denominadas operações unitárias, e em reações químicas. O conceito de operação unitária, na engenharia química, por exemplo, está baseado na filosofia de que uma sequencia amplamente variável de etapas pode ser reduzida a operações simples, ou a reações, que são idênticas independentemente do material que está sendo processado.

Figura 1: As operações unitárias em uma indústria
Fonte: https://eqengenharia.wordpress.com/operacoes-unitarias/

Este princípio, que se tornou evidente aos engenheiros americanos, durante o desenvolvimento da indústria química nos Estados Unidos, foi apresentado pela primeira vez, com clareza, por A. D. Little, em 1915:

“Qualquer processo químico, qualquer que seja a sua escala, pode ser decomposto numa série coordenada que se podem denominar “ações unitárias”, como moagem, misturação, aquecimento, ustulação, absorção, condensação, lixiviação, precipitação, cristalização, filtração, dissolução, eletrólise etc. O número destas operações unitárias básicas não é muito grande e relativamente poucos delas estão presentes num processo particular qualquer. A complexidade da engenharia química provém da diversidade das condições, como a temperatura, a pressão etc., sob as quais as ações  unitárias devem ser realizadas nos diversos processos, das limitações dos materiais de construção e do projeto dos equipamentos, impostas pelo caráter físico e químico das substâncias reagentes.”

Antes de tentar descrever as operações unitárias é preciso introduzir diversos conceitos básicos que devem ser aprendidos para que seja compreensível a descrição das operações, sendo os principais deles:

  • Propriedade (variável de estado ou função de estado): qualquer característica macroscópica de um sistema, como massa volume energia pressão e temperatura que não dependa da história do sistema. Uma determinada quantidade (volume, temperatura etc.) é uma propriedade, se, e somente se, a mudança de seu valor entre dois estados é independente do processo. Ou seja, o valor de uma propriedade não depende da forma (isto é, do caminho) como foi alcançado;
  • Estado: condição do sistema, como descrito por suas propriedades Ou seja, é um conjunto de propriedades (condições) a que o sistema está submetido. Como normalmente existem relações entre as propriedades, o estado pode ser caracterizado por um subconjunto de propriedades;
  • Processo: transformação de estado que pode acontecer em um sistema, devido à mudança de uma ou mais propriedades. Em um processo, comumente ocorrem trocas de energia (por exemplo, na forma de calor ou de trabalho) entre o sistema e a vizinhança;
  • Estado estacionário: aquele no qual nenhuma propriedade muda com o tempo;
  • Equilíbrio: conceito fundamental em Termodinâmica Clássica, uma vez que ela trata das mudanças entre estados de equilíbrio. A ausência de modificação do estado de um sistema, ou a inexistência de uma tendência nesse sentido, caracteriza se como equilíbrio;
  • Sistema Fechado: caracterizado por quantidade fixa de matéria, mas pode trocar energia com a vizinhança. Massa não entra, nem sai;
  • Sistema Aberto (Volume de Controle): região do espaço que troca matéria e energia com a vizinhança através da sua fronteira ou através de suas entradas e saídas;
  • Ponto de Bolha: temperatura (a uma dada pressão) onde a primeira bolha de vapor é formada quando um líquido composto por dois ou mais componentes é aquecido;
  • Ponto de Orvalho: designa a temperatura a qual o vapor de água presente no ar ambiente passa ao estado líquido na forma de pequenas gotas por via da condensação, o chamado orvalho. Em outras palavras, é a temperatura a qual o vapor de água que está em suspensão no ar começa a se condensar (viraria “orvalho”);

Figura 3: Ponto de bolha (a) e de ponto de orvalho (b) para uma mistura binária formada por moléculas (pretas) e (azuis);
Fonte: http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php?option=com_content&task=view&id=217&Itemid=382

Todos esses conceitos se encaixam e dão todo sentido as operações unitárias encontradas em diversos ramos industriais. Cada operação unitária pode ser calculada e dimensionada – a base deste cálculo são as leis estabelecidas da física e o caminho do cálculo geralmente são equações diferenciais. Este procedimento então tem caráter universal e pode ser aplicado em qualquer indústria. Sendo assim, as operações unitárias certamente formam os pilares das engenharias, mas em especial, da Engenharia Química, conhecida também como Engenharia de Processos – Engenharia Universal.

Desta forma, os processos podem ser estudados de maneira unificada. Uma operação unitária sempre tem o mesmo objetivo, independente da natureza química dos componentes envolvidos. Por exemplo, a transferência de calor é a mesma operação, quer em um processo petroquímico, quer em uma indústria de alimentos.

Por isso, uma classificação bem comum é utilizada levando-se em conta o tipo de operação envolvida, sendo elas:

  • Mecânicas;
  • Transferência de Massa;
  • Transferência de Calor;

Para cada uma destas operações existem conceitos, princípios e equipamentos que precisam ser conhecidos para um melhor entendimento das operações em questão. E tudo isso estará descrito nos próximos episódios! Vamos conferir?

REFERÊNCIAS

– Foust, Alan et al.; Princípios das Operações Unitárias. LTC: Rio de Janeiro, 2ª Edição, 1982.

Operações Unitárias

Para ler os outros textos da Série Operações Unitárias, acesse os links abaixo: