Operações Unitárias de Transferência de Calor e Massa

OPERAÇÕES UNITÁRIAS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR E MASSA OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM Definir o processo de refrigeração e os tipos de refrigeradores Listar os tipos de umidificadores e o seu processo na indústria Explicar os processos de refrigeração e umidificação industrial Introdução Compreender como ocorrem os processos de refrigeração e de umidificação é de suma importância Isso porque essas operações estão presentes na maior parte das indústrias e são responsáveis por aumentar a velocidade de produção o que diminui o tempo dos ciclos de diferentes processos e auxilia na preservação da qualidade dos produtos Neste capítulo serão apresentadas as definições de refrigeração e umidifica ção bem como os tipos de refrigeração e os equipamentos mais utilizados para cada uma dessas operações Além disso você conhecerá exemplos de diferentes aplicações desses processos na indústria tendo a oportunidade de se tornar capaz de avaliar qual operação deve ser utilizada em determinadas situações Processo de refrigeração e umidificação Lucas Loss Baldassari Refrigeração definição e tipos A busca por sistemas de refrigeração atrai a atenção humana desde os pri mórdios uma vez que ela permitiria uma maior conservação dos alimentos e com isso uma melhor qualidade de vida No entanto foi apenas em 1834 que surgiu a primeira máquina capaz de produzir gelo um protótipo que operava por compressão desenvolvido pelo inventor inglês Jacob Perkins De acordo com Silva 2010 o processo de refrigeração pode ser definido como qualquer evento no qual ocorra remoção de calor de modo que a temperatura se torne inferior se comparada à temperatura ambiente Os exemplos mais comuns de refrigeradores presentes no nosso cotidiano são geladeiras freezers e aparelhos de ar condicionado Para compreendermos o funcionamento de uma máquina de refrigeração devemos de início considerar a segunda lei da termodinâmica conforme a qual o calor flui naturalmente de uma fonte mais quente para uma fonte mais fria Um processo inverso ao do fluxo natural necessita de fornecimento de energia para se tornar viável sendo esse um processo forçado A refrigeração portanto está baseada na utilização de energia para transferir calor de uma fonte fria para uma fonte quente GAUTO 2011 Não devemos confundir refrigeração com resfriamento Neste ocorre remoção de calor até que a temperatura fique igual à do meio ambiente Como exemplo de processo de resfriamento pensemos em uma xícara de café quente sobre a mesa aos poucos a bebida perde calor e chega à temperatura ambiente A seguir descreveremos a refrigeração pelo sistema de compressão a refrigeração por evaporação natural a refrigeração por gelo e a refrigeração por absorção de vapor Refrigeração pelo sistema de compressão A grande maioria dos aparelhos domésticos opera por meio do sistema de compressão mecânica de vapor Nessa refrigeração destacase a presença de um fluido refrigerante que fica localizado na tubulação do equipamento e sofre sucessivos processos termodinâmicos ao transitar pela tubulação Os equipamentos responsáveis por promover esse tipo de refrigeração apre sentam um compressor um condensador um dispositivo de expansão e um evaporador SILVA 2010 Processo de refrigeração e umidificação 2 A função do fluido é remover calor de um meio enquanto se torna va por a baixa pressão Inicialmente esse fluido retira calor do meio interno refrigerado como o interior de uma geladeira enquanto é vaporizado Na sequência o vapor entra no compressor local onde ele é comprimido e bombeado tornandose assim um vapor superaquecido e deslocandose para o condensador que libera para o meio externo o calor absorvido dos alimentos pelo fluido Após isso o fluido muda seu estado físico para líquido mediante condensação e é conduzido para um sistema de expansão no qual tem a sua pressão reduzida para se tornar um gás novamente e repetir o processo de remoção de calor SILVA 2010 A Figura 1 apresenta um diagrama que ilustra esse processo Figura 1 Sistema de um refrigerador por compressão mecânica Fonte Adaptada de Silva 2010 Vaporização do fluido refrigerante Dispositivo de expansão Condensação do fluido refrigerante Condensador Calor para meio externo Compressor Evaporador Meio refrigerado Refrigeração por evaporação natural Extensamente utilizada em frigoríficos a refrigeração por evaporação natural se dá por meio do uso de vento seco no objeto que se deseja resfriar ou da diminuição da pressão Para entendermos como esse método funciona pensemos na sensação de diminuição da temperatura da nossa pele que costumamos sentir quando saímos do mar e ficamos expostos ao vento Isso ocorre devido à refrigeração por evaporação natural a água começa a evaporar quando nossa pele molhada entra em contato com uma corrente de ar necessitando de energia para que ela mude do estado físico líquido Processo de refrigeração e umidificação 3 para o gasoso Dessa forma o calor é retirado da nossa pele o que como consequência reduz a temperatura do nosso corpo GAUTO 2011 Refrigeração por gelo A refrigeração por gelo é um dos métodos mais antigos empregados para promover a refrigeração de substâncias Ele se baseia na utilização de gelo para remover o calor sendo que 1 kg de gelo necessita de 80 calorias para mudar de estado físico O grande problema associado ao uso desse tipo de refrigerador é que não são alcançadas temperaturas muito baixas nesse processo embora o efeito de resfriamento possa ser aumentando mediante a utilização de sais NaCl KCl entre outros Além disso o transporte e o armazenamento de gelo bem como a sua utilização em grandes quanti dades tornaram esse processo inviável para a refrigeração de compostos em inúmeras situações Uma alternativa interessante é o uso de gelo seco composto por gás carbônico CO₂ no estado sólido que tem um potencial de refrigeração muito maior quando comparado ao gelo CO₂ no estado sólido apresenta uma temperatura de ebulição inferior a 60C Além disso o gelo seco quando absorve calor muda do estado sólido diretamente para o estado gasoso processo de sublimação o que deixa o ambiente que está sendo refrigerado seco após a sua mudança de estado físico SESSA MENDES 2016 Refrigeração por absorção de vapor Este sistema teve origem quando em 1860 o engenheiro Ferdinand Carré utilizou amônia gasosa dissolvida na água para a fabricação de gelo Essa invenção foi crucial pois apresenta como grande vantagem a possibilidade de utilização de energia térmica que substitui a energia elétrica em lugares nas quais esta é de difícil acesso A maior parte da aplicação desse sistema de refrigeração ocorreu na montagem de navios frigoríficos possibilitando o transporte de diversos alimentos da América do Sul para a Europa O fun cionamento desse sistema de refrigeração está relacionado ao fato de que a amônia NH₃ é facilmente absorvida pela água Silva 2010 p 59 descreveu esse processo da seguinte maneira O vapor de amônia é absorvido pela água no absorvedor A seguir a solução aquosa H₂O NH₃ é bombeada para um gerador onde recebe calor com o objetivo de separar o vapor de amônia da água O vapor de amônia transformase em líquido ao atravessar o condensador No estado líquido a amônia facilmente vaporiza e retira o calor do ambiente interno refrigerado transformandose em vapor de amônia que será absorvido novamente pela solução aquosa Processo de refrigeração e umidificação 4 Na Figura 2 podese observar tal processo Figura 2 Refrigeração por absorção de vapor Fonte Adaptada de Silva 2010 Solução Calor Gerador Vapor NH3 alta pressão Vapor NH3 baixa pressão Calor rejeitado Condensador NH3 líquida Evaporador Ambiente refrigerado Expansão Calor Absorvedor Bomba Solução H2O NH3 Tipos de umidificadores e o seu processo na indústria Umidificação é um processo em que ocorre uma transferência simultânea de calor e massa Nessa operação unitária estão envolvidos dois componentes e duas fases a fase líquida é comum que seja água e a fase gasosa normal mente é ar que contém uma fração de vapor da fase líquida Dessa forma a umidificação pode ser definida como o aumento de umidade absoluta de um gás sendo que nela ocorre a transferência de massa e calor do líquido para o gás De maneira oposta na desumidificação a transferência de massa e calor ocorre no sentido do gás para o líquido MATOS 2015 Os objetivos da umidificação e da desumidificação na indústria são di ferentes Na umidificação normalmente se tem como objetivo controlar a umidade de um ambiente ou recuperar e arrefecer a água de um sistema mediante o seu contato com ar de pouca umidade Já a desumidificação visa ao condicionamento de ar ou à recuperação de solventes orgânicos como o clorofórmio MATOS 2015 Processo de refrigeração e umidificação 5 Entre os umidificadores existem três amplamente utilizados na indústria os quais serão vistos com detalhes na sequência Câmara de nebulização A câmara de nebulização é o umidificador mais simples utilizado no geral para operações de pequena escala Na maioria das vezes ela é usada com a finalidade de controlar a umidade de determinados locais Na câmara de nebulização o líquido é dispensado na forma de uma névoa grossa na corrente de gás que é mantida a uma velocidade baixa garantindose um tempo mínimo de contato com o líquido Figura 3 MATOS 2015 Figura 3 Esquematização do funcionamento da câmara de nebulização Fonte Adaptada de Matos 2015 Depurador de fumos O depurador de fumos é uma variação da câmara de nebulização Os bocais de estrangulamento dispersam a água e no mesmo sentido ocorre o esco amento do gás possibilitando assim o contato entre a água e o gás Figura 4 Uma de suas aplicações na área ambiental é a remoção de poeiras ou poluentes atmosféricos de uma corrente de gás Processo de refrigeração e umidificação 6 Figura 4 Esquematização do funcionamento do depurador de fumos Fonte Adaptada de Foust e Maus 1982 Entrada de água Entrada de gás Bocal aspersor Bocal estrangulado Chaminé Solução efluente Torres de resfriamento Conforme descrito por Matos 2015 este processo é aplicado com grande frequência especialmente para o resfriamento de água utilizada em processos industriais A água aquecida é gotejada na parte superior da torre e desce lentamente através de enchimentos de diferentes tipos ao passo que o gás refrigerante é injetado pela base da torre ou seja tratase de um processo contracorrente Figura 5 Figura 5 Esquematização do funcionamento de uma torre de resfriamento Fonte Adaptada de Matos 2015 Processo de refrigeração e umidificação 7 Nesse contexto de processos de umidificação e desumidificação alguns conceitos devem ser destacados pois nos auxiliam a caracterizar um gás úmido Tais conceitos são fundamentais para o planejamento adequado dos equipamentos que serão utilizados nas plantas industriais a fim de se obter uma melhor relação custobenefício do equipamento utilizado O nome dessas variáveis e as suas definições matemáticas estão presentes no Quadro 1 Quadro 1 Variáveis e suas definições matemáticas Variável Definição matemática Umidade absoluta massa de vapor que acompanha a unidade de massa de ar sem vapor Umidade relativa Razão entre a pressão parcial do vapor e a do líquido puro Volume específico do ar seco Vs é o volume ocupado por unidade de massa de ar livre de umidade Volume específico do ar úmido Vm é o volume da mistura ar vapor dágua por unidade de massa de ar seco Capacidade calorífica do ar úmido s calor necessário para elevar em um grau a unidade de massa de ar e do vapor saturado que o acompanha Entalpia do ar seco Hs entalpia de massa de ar livre de umidade Entalpia do ar saturado Hsat entalpia da unidade de massa de ar entalpia do vapor saturado Temperatura de saturação adiabática Tsat temperatura em que uma mistura de ar e vapor se torna saturada em um processo adiabático Lei de Dalton referese à pressão parcial de vários gases componentes em uma mistura gasosa Para uma mistura com três componentes gasosos a b e c a pressão total é a soma das pressões parciais Além disso essa também estabelece uma relação entre a fração molar X e as pressões parciais e total do sistema Ptotal Pa Pb Pc Xa PaPtotal Xb PbPtotal Xc PcPtotal Fonte Adaptado de Silva 2010 Processo de refrigeração e umidificação 8 Também são muito importantes as definições teóricas apresentadas a seguir Temperatura de bulbo seco Tbs é a temperatura obtida quando o bulbo do termômetro entra em contato com o ar medida realizada após o estabelecimento do equilíbrio Temperatura do ponto de orvalho To é a temperatura em que se inicia a condensação do vapor quando o gás é resfriado sob pressão constante Temperatura de bulbo úmido TbU é a temperatura de equilíbrio dinâmico que a superfície do líquido alcança quando a taxa de transferência de calor para a superfície se iguala ao consumo por transferência de massa da superfície para o ambiente Saiba mais Psicrometria é a área da termodinâmica que estuda as propriedades das misturas ar vapor dágua Esse ramo é fundamental para planejar o dimensionamento de diversos equipamentos e processos industriais bem como sistemas ambientais para a proteção de plantas animais e seres vivos Conheça um pouco mais essa área assistindo ao vídeo Entendendo a carta psicométrica do canal Operações Unitárias FURGSAP no YouTube Processos de refrigeração e umidificação aplicados à indústria A refrigeração industrial é caracterizada pela faixa de temperatura de operação a qual pode atingir valores de 70C até no máximo 15C Outra maneira de caracterizála é por meio das suas aplicações Presente em dois terços das indústrias manufatureiras e laboratoriais ela pode ser descrita como o processo que realiza o rebaixamento de temperatura de fluidos utilizados para o resfriamento de outros produtos Cabe destacar que os sistemas de refrigeração entram em ação como agentes de redução de tempo de ciclo em grande parte dos processos e consequentemente levam ao aumento da produtividade e ao controle de qualidade do produto Entre os refrigerantes utilizados os mais empregados são a água o ar e a NH₃ No entanto preocupações com segurança podem limitar o sucesso da NH₃ devido à sua toxicidade JABARDO STOECKER 2002 Para reduzir os tamanhos das cargas de refrigerante a fim de prevenir acidentes uma maneira de efetuar essa redução ao mesmo tempo em que se aumenta a eficiência é combinar NH₃ com CO₂ Dessa maneira o CO₂ assume o papel de transportador térmico e é circulado no interior das instalações maiores Sistemas de refrigeração Nas indústrias os dois sistemas de refrigeração mais utilizados são a torre de resfriamento e o chiller os quais serão vistos com cuidado a seguir Torre de refrigeração A torre de refrigeração é um equipamento usado para realizar a remoção de calor e a transferência de calor residual de processos para a atmosfera Esse equipamento também pode utilizar a evaporação da água para que o calor de processo seja removido As torres de refrigeração podem ser de diferentes tamanhos variando de acordo com a necessidade da indústria Na torre de refrigeração o resfriamento ocorre devido à aspersão de água em uma corrente de ar ambiente É comum o uso dessa configuração do ar e da água em contracorrentes a qual pode ser vista na Figura 6 Outra maneira de promover a refrigeração é mediante a circulação de ar transversalmente à corrente de água configuração denominada correntes cruzadas Dessa maneira deve ser adicionada uma linha de água de reposição para compensar as perdas por evaporação Figura 6 Processo de refrigeração e umidificação 10 Figura 6 Representação esquemática do circuito de água em uma torre de refrigeração Fonte Jabardo e Stoecker 2002 p 196 Uma das aplicações mais comuns de uma torre de refrigeração é o res friamento da água que circula em refinarias de petróleo assim como em indústrias químicas e estações de energia Na Figura 7 podese ver um conjunto de torres de refrigeração em funcionamento Figura 7 Torres de refrigeração presentes na indústria Fonte Chatchawal KittirojanaShutterstockcom Processo de refrigeração e umidificação 11 Chiller O chiller de resfriamento é uma unidade completa podendo também ser chamada conjunto industrial frigorífico Tratase de um equipamento maior montado a partir de uma base comum com o objetivo de resfriar diversos produtos JABARDO STOECKER 2002 No caso do chiller de água a sua função é refrigerar a água que é circulada pelo sistema A água gelada produzida por ele na maioria das aplicações circula por uma rede de evaporadores Composto por compressor conden sador válvula de expansão e evaporador o chiller de água pode apresentar características bastante variadas a depender da sua aplicação na indústria sobretudo no que diz respeito ao seu tamanho e à sua capacidade frigorífica JABARDO STOECKER 2002 Exemplos de aplicação desse equipamento podem ser encontrados na climatização para o mercado de mineração e principalmente em indústrias que lidam com polímeros uma vez que ele pode ser empregado no processo de arrefecimento da água ou do ar utilizado para sopro extrusão injeção etc Na Figura 8 observase um chiller de água presente em uma planta industrial JABARDO STOECKER 2002 Figura 8 Chiller de água em funcionamento na indústria Fonte Arkady ZakharovShutterstockcom Processo de refrigeração e umidificação 12 Aplicaçöes da refrigeração industrial Como vimos a refrigeração está presente em diferentes áreas na indústria A seguir apresentaremos duas aplicações da refrigeração industrial na indústria química e de processos e na indústria alimentícia Refrigeração na indústria química e de processos As indústrias que mais comumente utilizam sistemas de refrigeração de grande porte são químicas petroquímicas de refino de petróleo e farmacêuticas As principais operações que exigem refrigeração de acordo com Jabardo e Stoecker 2002 são separação de gases condensação de gases solidificação de uma espécie química de uma mistura para separála de outros componentes manutenção de um líquido a baixa temperatura para controlar a pressão no interior da base de armazenamento e remoção do calor de reação Esses projetos requerem um elevado nível uma vez que as instalações são de grande porte e exigem altos custos Refrigeração na área de alimentos O objetivo base da refrigeração de alimentos é a preservação das características desses Por outro lado essa técnica também pode ser utilizada em processos que visam à mudança das características da estrutura química dos alimentos A importância da refrigeração na área alimentícia é vista na produção de diferentes produtos como vinho queijo e cerveja Peguemos como exemplo o caso da cerveja cujo processo de fabricação envolve duas reações principais A primeira delas é a conversão do amido do grão em açúcar e a segunda é a etapa de fermentação na qual o açúcar é convertido em álcool Visto que a fermentação é um processo exotérmico o produto deve ser resfriado pois se houver um aumento de temperatura o processo de transformação do açúcar poderá ser reduzido ou até mesmo interrompido Assim a mistura em fermentação deve ser mantida em temperatura de 7 a 13C Além disso após a sua fabricação a cerveja deve per manecer no processo de maturação que consiste em ficar de 2 a 3 meses sob refrigeração Umidificação aplicada à indústria Outra operação bastante importante para as indústrias é a umidificação Nesse processo industrial estão envolvidos dois componentes e duas fases a fase líquida que é na maioria das vezes água e a fase gasosa sendo essa usualmente ar que contém uma fração de vapor condensável da fase líquida A umidificação não é necessariamente o aumento ou a diminuição de água em uma corrente gasosa Os principais objetivos da umidificação são controlar a umidade de um ambiente e na maioria dos casos resfriar e recuperar água de um processo mediante o contato com ar de baixa umidade Os equipamentos de umidifi cação mais comuns na indústria são a câmara de nebulização o depurador de fumos e a torre de resfriamento Umidificação na indústria têxtil Uma aplicação muito importante da umidificação industrial é no setor têxtil para o qual ela oferece diferentes benefícios Entre eles está a redução de custos de produção já que ocorre menos paradas devido à não ocorrência da quebra dos fios nos teares gerando aumento da produtividade e uma melhora na qualidade dos produtos A umidificação se tornou necessária porque o algodão sendo um material hidrófilo isto é tem a característica de absorver e liberar água com extrema facilidade consegue mudar seus atributos conforme a quantidade de água de que dispõe Nesse processo o controle sobre a umidade e a temperatura se torna necessária para uma produção efetiva Caso o ambiente esteja seco demais os fios se rompem mais facilmente já no ambiente muito úmido o algodão que tem facilidade para absorver água começa a perder a contextura mínima Além disso por meio da umidificação é possível remover do ambiente a poeira proveniente do processamento do algodão Processo de refrigeração e umidificação 14 Umidificação na indústria farmacêutica Na indústria farmacêutica a umidade em excesso pode acarretar danos aos fármacos e consequentemente às pessoas que consumirem os produtos Sendo assim é importante que nesse contexto a umidade seja muito bem controlada pois muitas vezes os materiais processados são sensíveis à umi dade e qualquer alteração no teor desta pode alterar a composição daqueles Os umidificadores então podem ser usados para eliminar a estática e suprimir as partículas de poeira do ambiente A umidificação também é usada como agente ativador Por exemplo se um agente etileno for utilizado como agente esterilizante ele poderá ser usado somente em uma umidade relativa de 70 ou superior Além disso durante a produção na etapa de formulação podem ser líquidos semissólidos ou sólidos quando em contato com o vapor da água a matériaprima pode ficar difícil de moer ou misturar e desse modo a umidade deve ser na maioria das formulações de no máximo 65 Já na compressão o comprimido pode ficar danificado apresentando quebras lascas e rachaduras Nesses casos o ideal é utilizar um desumidi ficador RIBEIRO c2016 Referências FOUST A S et al Princípios de Operações Unitárias 2 ed Rio de Janeiro LTC Editora 1982 GAUTO M Processos e operações unitárias da indústria química 1 ed Rio de Janeiro Ciência Moderna 2011 JABARDO W F STOECKER J M Refrigeração industrial 2 ed São Paulo Edgard Blücher Editora 2002 MATOS S P Operações unitárias fundamentos transformações e aplicações dos fenômenos 1 ed São Paulo Érica 2015 MENDES F F SESSA G D Projeto Básico de Um Sistema de Refrigeração Com CO2 R744 Aplicado a Supermercado 2016 96 f Projeto de Graduação Bacharelado em Engenharia Mecânica Centro Tecnológico Universidade Federal do Espírito Santo Vitória 2017 Disponível em httpsmecanicaufesbrsitesengenhariamecanicaufes brfilesfieldanexo20161felipefranciscomendesegetuliodominatosessa pdf Acesso em 9 dez 2020 RIBEIRO W Indústria farmacêutica conheça os prejuízos da alta umidade ICTQ c2016 Disponível em httpswwwictqcombrindustriafarmaceutica1719industriafarma ceuticaconhecaosprejuizosdaaltaumidade Acesso em 12 nov 2020 SILVA J G Introdução a tecnologia da refrigeração e da climatização 2 ed São Paulo Artliber Editora 2010 Processo de refrigeração e umidificação 15 Leituras recomendadas ENTENDENDO a carta psicrométrica Rio Grande RS FURG 2017 1 vídeo 20 min Publicado pelo canal Operações Unitárias FURGSAP Disponível em httpswww youtubecomwatchvNHJDzYohbNIabchannelOperaC3A7C3B5esUnitC 3A1riasFURGSAP Acesso em 9 dez 2020 GOMES S R L Operações unitárias III transferência de calor Betaeq 31 jul 2019 Disponível em httpsbetaeqcombrindexphp20190731operacoesunitariasiii transferenciadecalor Acesso em 12 nov 2020 Os links para sites da web fornecidos neste capítulo foram todos testados e seu funcionamento foi comprovado no momento da publicação do material No entanto a rede é extremamente dinâmica suas páginas estão constantemente mudando de local e conteúdo Assim os editores declaram não ter 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