CONCEITO DE OPERAÇÕES UNITÁRIAS

Introdução

Em 1915, Arthur Little estabeleceu o conceito de "operação unitária", segundo o qual um processo químico seria dividido em uma série de etapas que podem incluir: transferência de massa, transporte de sólidos e líquidos, destilação, filtração, cristalização, evaporação, secagem, etc. Cada uma das etapas seqüenciais numa linha de produção industrial é, portanto, uma operação unitária. O conjunto de todas as etapas, compõe um processo unitário.

Princípios utilizados

O estudo das operações unitárias baseia-se nos princípios físicos e físico-químicos que costumam ser reunidos em quatro grupos de generalidades e precisão decrescentes. A técnica para utilizá-los inclui a prática de balanços materiais, balanços de energia, reações de equilíbrio e equações de velocidade. Para as operações mecânicas os balanços de força também são importantes. O escoamento de fluidos é um exemplo de operação unitária que envolve equações deduzidas a partir de balanços de forças.

O principal interesse no estudo das operações unitárias reside nas equações de velocidade pois elas permitem determinar as dimensões do equipamento. De uma forma geral os equipamentos operam mal ou não funcionam, mais por erros de dimensionamento processual ou de concepção, do que por detalhes de construção. As dimensões de um tanque, a área de um trocador, a altura e o diâmetro de uma coluna, o tamanho de um decantador são muito mais importantes, sob o ponto de vista do processo em si, do que os detalhes mecânicos, por mais sofisticados que possam ser.

Classificação das operações unitárias

A classificação das operações unitárias é útil pois simplifica e abrevia seu estudo em conjunto. Uma classificação pode ser feita com base no mecanismo, ou se houver vários mecanismos envolvidos, naquele que controla a velocidade global da operação. Assim há operações de transferência de calor ou de massa e operações mecânicas. Um exemplo de operação que envolve vários mecanismos é a evaporação de uma solução com o objetivo de produzir cristais. Esta operação poderia ser classificada indiferentemente como: i) separação do soluto da solução; ii) vaporização do soluto; iii) operação de transferência de massa entre a fase líquida e o vapor; iv) transferência de massa entre as fases líquida e sólida; operação de transferência de calor para a solução. Como a operação é controlada pela transferência de calor utiliza-se fundamentalmente um trocador de calor. Com base neste critério as operações são classificadas em

quatro grupos: Operações mecânicas; operações de transferência de calor, operações de transferência de quantidade de massa, e operações de transferência de quantidade de movimento.

Uma classificação das operações unitárias pelo tipo de sistema também pode ser utilizada. Muito embora haja concordância entre as duas classificações, a primeira baseada em mecanismos é mais consistente do ponto de vista teórico. Uma classificação envolvendo os dois critérios é mostrada a seguir.

Operações mecânicas

Operações envolvendo sistemas sólidos granulares

FragmentaçãoTransportePeneiramentoMistura Armazenamento

Operações envolvendo sistemas fluidos

Escoamento de fluidosBombeamento de líquidosMovimentação e compressão de gasesMistura e agitação de líquidos

Operações com sistemas sólido-fluido

Fluidização de sólidos

Separações mecânicas: sólidos de sólidos; sólidos de líquidos; sólidos e/ou líquidos de gases; líquidos de líquidos.

Operações de transferência de calor

Transferência de calor por condução em sólidos (com ou sem geração interna, em regime permanente ou transiente)

Aquecimento e resfriamento de fluidosCondensação Ebulição Evaporação Liofilização Transferência de calor por radiação

Operações de transferência de massa

Destilação Absorção e “stripping” de gasesAdsorção Extração Líquido-líquidoLixiviação Secagem e umidificação de gasesCondicionamento de gasesSecagem de sólidosDiálise e eletrodiáliseCristalizaçãoTroca iônica.

Conceitos básicos

Equilíbrio: para qualquer combinação de fases num sistema existe uma condição em que a taxa de troca de certas grandezas do sistema é igual a zero; esta combinação dos estados das fases é denominada o equilíbrio do sistema. Força motriz: Quando duas substâncias, ou duas fases, que não estão em equilíbrio, são justapostas, ocorre uma mudança que provoca uma aproximação da condição de equilíbrio. A diferença entre a condição existente e a condição de equilíbrio é a força motriz que provoca esta modificação. Separações: A separação de uma mistura fisicamente homogênea, exige que haja uma transferência preferencial de um constituinte para uma segunda fase que possa ser fisicamente separada da mistura residual. Configurações de Fluxo: em muitas operações de transferência de energia ou material, de uma fase para outra, é necessário colocar em contato as duas correntes para que possa ocorrer a modificação no sentido do equilíbrio de energia ou de massa ou de ambos. A transferência pode ocorrer com as duas correntes fluindo na mesma direção (configuração em paralelo) ou com as correntes fluindo em direções opostas (configuração em contracorrente).Operação contínua e descontínua: na maior parte das operações químicas é mais econômico manter o processo em operação contínua e permanente, com o mínimo de perturbações ou paradas. Para operações em pequena escala esta situação não é conveniente, que é chamada de operação descontínua ou batelada. Uma operação que varia com o tempo é dita transiente ou não permanente.

Considerações gerais

As exigências primárias para aplicar os princípios das operações unitárias são a compreensão dos princípios físicos fundamentais e a tradução destes princípios em expressões matemáticas. O melhor processo só pode ser projetado levando-se em consideração a química, a cinética e a termodinâmica básicas, com o reconhecimento adequado das limitações impostas pelos materiais de

construção. Somente se poderá tirar o máximo de proveito de qualquer operação unitária ou de um processo com um todo, se os princípios que governam seu funcionamento forem perfeitamente compreendidos.

Referências consultadas

Foust et. al. Princípios das operações UnitáriasGomide, R. Operações unitárias