As Operações Unitárias são as etapas individuais que constituem todos processos que
transformam uma matéria-prima em produto final. As técnicas de projeto de operações
unitárias são baseadas em princípios teóricos ou empíricos de Transferência de
Massa, Transferência de Calor, Transferência de Quantidade de Movimento,
Termodinâmica, Biotecnologia e Cinética Química. Desta forma, os processos podem
ser estudados de forma simples e unificada. Cada Operação Unitária é sempre a mesma
operação, independente da natureza química dos componentes envolvidos. Por
Exemplo: Transferência de calor é a mesma operação em um processo petroquímico ou
em uma indústria de alimentos.
Transferência de massa é o processo de transporte onde existe a migração de uma ou
mais espécies químicas em um dado meio, podendo esse ser sólido, líquido ou gasoso.
O transporte das espécies químicas pode ser feito por dois mecanismos: difusão e/ou
convecção. A difusão deve-se à diferença de potenciais químicos das espécies, ou seja,
á diferença de concentrações entre dois locais num dado sistema. A convecção deve-se
às condições de escoamento de um sistema, por exemplo, líquido em movimento sobre
uma placa.
Alguns exemplos de aplicação deste fenômeno são o endurecimento de aços, o tempo
total para ocorrer uma dada reação química em um leito reativo e a operação de
filtragem utilizando membranas.
As operações unitárias podem ser classificadas de acordo com critérios variados; aqui
elas foram divididas em quatro grupos de acordo com sua finalidade dentro do processo
produtivo :
• Operações preliminares
• Operações de conservação
• Operações de transformação
• Operações de separação
As operações unitárias preliminares, como já diz o próprio nome, são normalmente
realizadas antes de qualquer outra operação. Suas funções estão associadas a uma
preparação do produto para o posterior processamento ou uma melhoria das condições
sanitárias da matéria-prima. As principais operações unitárias preliminares são:
• Limpeza
• Seleção -
• Classificação
• Eliminação
• Branqueamento
Operações envolvendo a transferência de massa
Quando se colocam em contato duas fases de composições diferentes, pode ocorrer a
transferência de componentes de uma fase a outra e vice-versa. Este transferência entre
as fases ocorre até que o estado de equilíbrio seja atingido. Dentre as principais
operações de transferência de massa destacam-se:
Destilação
É o processo de separação mais amplamente utilizado nas indústrias químicas.
A separação dos constituintes está baseada nas diferenças de volatilidades entre
diferentes constituintes químicos.
Na destilação ocorre o contato de uma fase vapor com a fase líquida, e há a
transferência de massa da fase líquida para o vapor e deste para aquele. O líquido e o
vapor contêm, em geral, os mesmos componentes, mas em quantidades relativas
diferentes. O efeito final é a concentração maior do constituinte mais volátil no vapor e o
menos, no líquido. Em muitas situações é conveniente realizar a destilação em
equipamentos multiestágios.
Extração líquido-líquido
A extração líquido-líquido é um processo de separação que se utiliza da propriedade de
miscibilidade de líquidos. Por exemplo, em uma situação onde temos dois líquidos, A e
B, miscíveis entre si, e queremos separar A de B, podemos usar um terceiro líquido, C,
que seja mais miscível com A do que com B (veja figura). A separação entre o extrato, A
e C, e o rafinado, A e B, é feita com uma ampola de decantação ou um funil separador.
A recuperação de A a partir do extrato é geralmente feita por destilação.
Extração Sólido-Líquido
Quando preparamos um chá, um café, ou mesmo um chimarrão, estamos fazendo uma
extração sólido-líquido. Nestes casos, componentes que estavam na fase sólida (no pó
de café ou nas ervas) passam para a fase líquida (água). Em todos os exemplos, a
extração é descontínua; isto é possível porque a solubilidade dos componentes extraídos
em água é grande. Porém, nos casos onde a solubilidade do soluto é pequena, ou
quando quisermos maximizar a extração do soluto, utiliza-se a técnica da extração
contínua.
Adsorção e Absorção
A adsorção é a adesão de moléculas de um fluido (o adsorvido) a uma superfície sólida
(o adsorvente); o grau de adsorção depende da temperatura, da pressão e da área da
superfície - os sólidos porosos como o carvão são ótimos adsorventes. As forças que
atraem o adsorvato podem ser químicas ou físicas. Um exemplo desta operação é a
eliminação do odor de geladeira com o uso de carvão ativado (o odor se fixa nas
superfícies livres nos poros do carvão.
A Absorção e a fixação de um gás por um sólido ou um líquido, ou a fixação de um
líquido por um sólido. A substância absorvida se infiltra na substância que absorve. Esta
operação está limitada as restrições termodinâmicas assim como a destilação, portanto o
conhecimento em termodinâmica é imprescindível para se projetar ou operar uma coluna
de Absorção. Esta operação é utilizada para purificação de gases e para recuperação de
solutos.
OPERAÇÕES COM TRANSFERÊNCIA DE CALOR E DE MASSA
As operações envolvendo a transferência de calor, a transferência de massa ou a
transferência de calor e massa simultaneamente são descritas pelos fundamentos de
Fenômenos de Transporte.
Aquecimento e resfriamento de fluidos
Os equipamentos industriais utilizados para troca térmica tanto no aquecimento quanto
no resfriamento são normalmente chamados de trocadores de calor. Esta é uma
operação com denominação muito genérica, assim vamos definir um trocador de calor
como um dispositivo que efetua a transferência de calor de um fluido para outro.
A transferência de calor pode se efetuar de quatro maneiras principais:
• pela mistura dos fluidos;
• pelo contato entre os fluidos;
• com armazenagem intermediária; e
• através de um parede que separa os fluidos quente e frio.
Os trocadores de calor podem ser classificados de acordo com:
- A disposição das correntes dos fluidos: correntes paralelas, contracorrente, correntes
cruzadas e multipasse.
- Tipo de construção: segundo a construção os trocadores podem ser de tubos coaxiais,
casco e tubos e compactos.
Aplicações de Trocadores de Calor
• Torres de Refrigeração
• Condensadores
• Evaporadores
• Leito Fluidizado
• Condicionadores de ar
• Aquecedores
• Alambique
• Radiador Automotivo
Evaporação
É usada quando há interesse somente na fase sólida, sendo liquida então desprezada.
Para produzir cloreto de sódio (Sal) a partir da água do mar, utiliza-se a técnica da
evaporação.
Equipamentos industriais para evaporação nada mais são do que recipientes que
concentram uma solução pela evaporação do solvente. Entre os equipamentos há o
evaporador de simples efeito e o de múltiplos efeitos. Entre os equipamentos, têm-se o
evaporador de tubos horizontais, verticais, etc.
Cristalização
Às vezes o produto de interesse deve estar na forma de partículas sólidas. Quando o
processo de fabricação leva a uma solução, o sólido pode ser obtido, de forma mais
conveniente, pela concentração de uma solução até a sua saturação e conseqüente
formação de cristais. Os equipamentos mais comuns são o cristalizador de tabuleiros,
cristalizadores descontínuos com agitação, entre outros.
Secagem
A desidratação ou secagem de um sólido ou líquido, é a operação de remoção de água,
ou de qualquer outro líquido na forma de vapor, para uma fase gasosa insaturada
através de um mecanismo de vaporização térmica, numa temperatura inferior à de
ebulição.
Esta desidratação é realizada através de calor produzido artificialmente em condições de
temperatura, umidade e corrente de ar cuidadosamente controladas. O ar é o mais usado
meio de secagem. O mesmo conduz calor, provocando evaporação da água, sendo
também o veículo no transporte do vapor úmido literalmente do alimento.
Fenomenologicamente ocorre então a transferência simultânea de calor e massa.
Por ser uma das operações unitárias mais antigas de que se tem conhecimento existe
uma infinidade de equipamentos (leitos fixos, fluidizados, de jorro, secadores
convectivos, de estufas, fornos, liofilizadores, spray dryer, microondas, etc.) e de técnicas
de secagem (secagem solar, convectiva, por microondas, por radiação, etc).
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