OPERAÇÕES UNITÁRIAS II: OPERAÇÕES MECÂNICAS

Na engenharia química e seus campos relacionados, uma operação unitária é uma etapa básica de um processo. Por esta razão elas, podem ser classificadas de diferentes formas. A primeira categoria atribuída as OP’s é a de operações mecânicas. O que são, quais suas funções e em que contextos se inserem, vocês saberão neste episódio.

Como vimos no episódio 1, as operações unitárias são classificadas em três categorias importantíssimas para a indústria no que diz respeito aos processos nela introduzidos. Além disso, enfatizou-se que em diversos ramos e atividades na indústria é possível enxergar e realizar inúmeros processos químicos e físicos.

No processamento de leite, por exemplo, homogenização, pasteurização, resfriamento e empacotamento são exemplos de operações unitárias que estão interligadas a fim de criar o processo como um todo.

Citando casa análogo, a separação dos componentes de uma mistura ou o fracionamento delas são importantes para vários aspectos de nossa vida, como para separar os poluentes da água e torná-la própria para consumo, na produção de metais e de componentes especiais que são usados para produzir medicamentos, alimentos, bebidas, produtos de higiene e limpeza; na obtenção do sal de cozinha, na análise dos componentes do sangue nos laboratórios, para separar os componentes do lixo e destiná-los ao tratamento correto ou para reciclagem e assim por diante.

Nesse contexto, as operações unitárias mecânicas fazem todo esse trabalho. Elas são as operações de transporte e separação de fluídos. Num processo industrial, são utilizados equipamentos para movimentação e transporte de materiais.

Pode-se categorizar as operações unitárias mecânicas em três:

  • Operações envolvendo sólidos particulados;
  • Operações envolvendo sólido-fluido;
  • Operações envolvendo sistemas fluidos;

Cada uma delas ganha destaque na indústria, pois as possibilidades de sistemas a serem estudados e observados a partir dessas operações são inúmeras. Deste modo, começaremos a falar sobre a primeira categoria.

Muitas das operações unitárias existentes na indústria química são operações envolvendo partículas sólidas e sistemas envolvendo sólido-fluido. Dependendo do sistema envolvido, simplificações podem ser feitas considerando o sólido um grupo de partículas idênticas, com diâmetro fixo e certa área superficial, mas em outros é necessário classificar este sólido com relação as suas propriedades.

A classificação do sólido pode ser feita então em duas classes diferentes, sendo uma a consideração da partícula isolada ou a mistura de partículas como um todo. A partir daí deve ser feita a caracterização granulométrica do sólido. Em operações envolvendo fragmentação de sólidos como a moagem, a análise granulométrica é essencial para determinar o sucesso da operação.

A moagem é uma operação unitária de fragmentação ou redução de tamanho, onde o tamanho dos sólidos é reduzido pela aplicação de forças de impacto, compressão e abrasão. Esta operação aumenta a área superficial do sólido, uniformizando tamanhos e aumentando a eficiência de etapas posteriores de processamento. Entre os equipamentos estão: moinho de discos, moinho de rolos, de facas e martelos, trituradores de mandíbulas e moinho de bolas.

Figura 4: Moinho de bolas, equipamento bastante utilizado na indústria para o processo de moagem.
Fontehttps://www.metso.com/br/produtos/moagem/moinho-de-bolas/

Ainda englobando as operações mecânicas vale à pena descrever a operação de separação sólido-sólido conhecida como peneiramento. O peneiramento é um método utilizado para separar misturas heterogêneas de sólido, onde o tamanho da partícula é o responsável pela separação, ou seja, utiliza-se uma peneira que permite que alguns sólidos pequenos passem, e uma pequena quantidade de partículas grandes ficam retidas na peneira, que separa através do seu tamanho, ou melhor do tamanho da malha da peneira. É usada para separar sólidos constituintes de partículas de dimensões diferentes.

Figura 5: Sistema de peneiramento industrial. Fonte: https://www.mhs.com.br/sistema-peneiramento-industrial

Muitas vezes o material sólido constitui uma parcela importante do material que está sendo processado. A título de exemplo, isso ocorre na secagem de um líquido que resulta como produto pó + ar. Para separar o sólido do ar, é feito uma operação em um ciclone ou um filtro manga.

Dentre os processos de separação os métodos puramente mecânicos são os mais simples, no que se diz respeito ao seu tratamento teórico, como também no equipamento utilizado. Classificamos dentro dos métodos mecânicos de separação envolvendo sólido-fluido:

  • Filtração: consiste basicamente em passar a mistura de interesse através de um meio filtrante que é alocado em um funil de vidro (no caso de filtrações em pequena escala, feitas em laboratório), onde a fração sólida da mistura fica retida no meio filtrante, formando o que chamamos de torta, e a fração líquida ou gasosa, chamada de filtrado. Este último passa pelo meio filtrante e é recolhido em um recipiente (béquer ou outro recipiente que comporte o volume filtrado);
  • Decantação:baseia-se na separação por diferença de densidade entre os compostos que formam a mistura. O processo é bastante simples e amplamente utilizado em análises laboratoriais e processos de operações unitárias na indústria.

Figura 6: Etapa de decantação em uma Estação de Tratamento de Água.
Fontehttps://www.infoescola.com/quimica/decantacao/

  • Sedimentação: separação do componente sólido a partir de uma suspensão, perante a força gravitacional terrestre. A mistura de partida deve ser uma suspensão, isto é, deve conter partículas sólidas grandes, na ordem de alguns micrômetros. A regra grosseira é: consegue-se um bom resultado por sedimentação se as partículas são visíveis com o olho nu. Isso implica que partículas menores (na ordem de nanômetros; colóides) não podem ser separados de maneira satisfatória, por este método;
  • Flotação: técnica consiste em adicionar bolhas de ar ao meio para que as partículas em suspensão no líquido aglutinem-se a essas bolhas. A espuma formada pode então ser removida, arrastando consigo as partículas de impurezas. Esse processo é o contrário do que acontece na sedimentação. Outras aplicações da flotação envolvem seu uso na recuperação de corantes em indústrias de papel, despoluição de rios, separação de plásticos e separação de microrganismos;

  • Centrifugação: é um processo de separação em que a força centrífuga relativa gerada pela rotação da amostra é usada para sedimentar sólidos em líquidos, ou líquidos imiscíveis de diferentes densidades, separando-os. É usada em diferentes aplicações laboratoriais, industriais e até domésticas;
  • Separação por membrana: permite o fraccionamento de solutos dissolvidos em correntes líquidas e a separação de misturas gasosas. A maioria destes processos usa o escoamento tangencial (“cross flow”), uma particularidade que os distingue da filtração convencional, onde se promove a separação de partículas sólidas em suspensão de correntes líquidas ou gasosas em escoamento frontal.

Figura 8: Representação esquemática de um sistema de duas fases separado por uma membrana.
Fonte: http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php?option=com_content&task=view&id=57&Itemid=206#2

A terceira e última categoria que será apresentada neste episódio sobre as operações mecânicas é a que envolve sistemas fluidos. Para uma melhor compreensão, apresentaremos alguns dos equipamentos utilizados para essa movimentação e transporte de materiais. Nela, temos as operações de bombeamento, mistura e agitação de líquidos.

O estudo dos fluidos em movimento constitui a matéria da fluidodinâmica, a qual inclui os fenômenos importantes relativos ao escoamento de fluidos em tubulações. O transporte de fluidos (líquidos e gases) é uma operação básica em muitas indústrias de processamento e para que um fluido escoe ao longo de uma tubulação, ou seja introduzido em um equipamento de processo, é necessária a ação de uma força impulsora. Em geral, não é possível contar com a ação da gravidade como força potencial nesse escoamento, sendo necessária a instalação de uma ou mais bombas para aumentar a energia mecânica do fluido.

As bombas são equipamentos mecânicos destinados á transferência de líquidos de um ponto para outro com auxílio de tubulações, fornecendo-lhe um acréscimo de energia. Essa transferência ocorre em função da bomba fornecer ao líquido aumento de energia de pressão e velocidade. Elas estão presentes em usos domiciliares, indústrias químicas, petroquímicas e petrolíferas, sistemas de abastecimento e drenagem etc.. Além disso, é possível encontrar uma diversidade desse equipamento tendo suas particularidades e aplicabilidades.

A agitação e a mistura de líquidos, por sua vez, são duas operações unitárias bastante comuns nas indústrias de processamento químico, bioquímico ou de alimentos. Apesar de que consistem, em geral, na movimentação de líquidos, apresentam diferenças em relação ao padrão do movimento:

  • Agitação é referida como aquela operação unitária que tem como objetivo induzir o movimento do fluido em uma direção específica, usualmente no interior de um tanque, por meio de impulsores giratórios, produzindo um perfil circulante;
  • Mistura busca produzir uma distribuição aleatória e com certo grau de homogeneidade de uma ou mais fases ou substâncias, inicialmente separadas, dentro ou por meio de outra fase ou substância.

Essas operações unitárias são utilizadas para diversos propósitos: (i) acelerar as taxas de transferência de calor e massa; (ii) facilitar a ocorrência de reações químicas; (iii) suspender partículas sólidas em um meio líquido; (iv) misturar líquidos miscíveis; (v) dispersar gases em líquidos; (vi) dispersar um segundo líquido, imiscível com o primeiro, para formar uma emulsão.

Trata-se, portanto, de operações muito empregadas tanto em pequenas quanto em média e grandes instalações produtivas. Alguns exemplos de seu uso são: (i) dispersão de hidrogênio em reatores de hidrogenação de gorduras; (ii) circulação de líquidos em tachos de fermentação; (iii) tanques com agitadores no tratamento térmico por batelada de leite; (iv) tanques de extração ou cozimento; (v) tanques de retenção de produto em processamento;

A quantidade de operações mecânicas utilizadas no dia a dia de qualquer cidadão e nas indústrias, manuseadas por profissionais capacitados, é gigante. Para você ficar ainda mais surpreso, existem mais operações unitárias de extrema importância no cotidiano e ao longo desses anos que permeiam os processos físico-químicos. Quer saber mais? Então se liga no próximo episódio! Nele falaremos sobre as operações unitárias que envolvem transferência de calor.

REFERÊNCIAS

– CARVALHO, Lívia Chaguri E. Agitação e mistura. Universidade de São Paulo – Escola de engenharia de Lorena, Departamento de engenharia química.  Lorena, 2019.

– CARVALHO, Lívia Chaguri E. Bombeamento de Fluidos. Universidade de São Paulo – Escola de engenharia de Lorena, Departamento de engenharia química.  Lorena, 2019

Flotação – um processo de separação de misturas

Membranas

Operações na indústria química

Princípios de operações unitárias

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