Escoamento

LEITO FIXO

      O leito de partículas (leito fixo) é utilizado no escoamento de fluidos. Em muitas operações industriais a fase fluida escoa através de uma fase sólida particulada (fase sólida estacionária). As também chamadas colunas empacotadas são usadas para reações com catalisadores, adsorção de um soluto, absorção, leito de filtração, etc.

      Um leito fixo tem como objetivo, principalmente, promover o contato íntimo entre as fases envolvidas no processo, sendo elas: fase fluida gasosa e/ou líquida com a fase estacionária/partículas ou entre diferentes fases fluidas.

      Em um leito fixo o fluido passa através de um leito de partículas, em baixas velocidades, apenas passando através dos espaços vazios existentes entre as partículas estacionárias.

      O material de empacotamento pode ser: esferas, partículas irregulares, cilindros, diversos tipos de materiais disponíveis para comercialização.

Podemos citar algumas aplicações de Leitos Fixos de Partículas:

·      Processos de adsorção;

·      Processos de absorção de gases;

·      Coluna de destilação com recheio;

·      Extração líquido-líquido;

·      Leitos de reação catalítica;

·      Filtros de resina de troca iônica.

 Figura 1: Desenho esquemático do funcionamento de um leito fixo.

LEITO FLUIDIZADO

      Considera-se fluidização ou leito fluidizado a condição na qual as partículas estão completamente suspensas na forma de um fluido mais denso, apresentando um comportamento equivalente a de um fluido.

      A suspensão das partículas ocorre quando há alta vazão, ao ponto em que as forças de fricção entre as partículas e o fluido contrabalançam o peso das partículas.

      A eficiência na utilização de um leito fluidizado depende em primeiro lugar do conhecimento da velocidade mínima de fluidização. Abaixo desta velocidade o leito não fluidiza; e muito acima dela, os sólidos são carregados para fora do leito.

      Geralmente, leitos fluidizados industriais se caracterizam por intensa movimentação ao longo do leito, o que propicia as altas taxas de transferência de calor e massas nesses sistemas.

Processos físicos que usam leitos fluidizados incluem secagem, mistura, granulação, cobertura, aquecimento e resfriamento. Todos estes processos tiram proveito das excelentes capacidades de mistura do leito fluida. A boa mistura de sólidos conduz a boa transferência de calor, uniformidade de temperatura e facilidade de controle do processo.

      Entre os processos químicos que utilizam leitos fluidizado estão: hidrogenação so etileno, queima do minério de sulfeto, quebra de hibrocarbonetos, anidrido ftálico acrilonitrila, entre outros.

 

Figura 2: Sistema de fluidização: a) leito fixo, b) leito fluidizado.

 

      A diferença é que o leito fixo é utilizado quando há menores velocidades, assim, os sólidos permanecem no local enquanto o fluido passa através dos espaços vazios no material. Já no leito fluidizado, como a velocidade do fluido é aumentada, o reator irá atingir um estágio onde a força do fluido sobre os sólidos é suficiente grande para equilibrar o peso do material sólido. Esta etapa é conhecida como fluidização incipiente e ocorre na velocidade de mínima fluidização. 

 Referências:

“Escoamento em Meios Porosos – Leito Fixo”. Universidade Federal de Santa Catarina, EQA 5313 – Turma 645 – Operações Unitárias de Quantidade de Movimento.

MEDEIROS, Petruccio Tenório. “Física Industrial II – Apostila Geral”.

Manutenção & Suprimentos. “Como funciona um reator de leito fluidizado”. Disponível em: <http://www.cimm.com.br>. Acesso: 18 outubro 2014.

UNICAMP. “Leito Fluidizado”. Disponível em: <www.fluidizacao.com.br>. Acesso: 18 outubro 2014.

Tubulação

        As tubulações industriais são de grande importância e essenciais para o funcionamento de todo tipo de indústria, possibilitando uma conexão física entre pontos de geração, armazenamento e utilização de um determinado fluido. São utilizados principalmente para distribuição de gases, óleos, vapores e lubrificantes e podem representar 70% do custo dos equipamentos, ou 25% do custo total da instalação. Se classificam em:

·       Tubulações de processo: conduzem fluidos que são parte integrante do processo produtivo, sendo mais empregados nas indústrias químicas, petroquímicas, alimentícias e farmacêuticas.

·         Tubulações de utilidades: conduzem fluidos auxiliares para o funcionamento da indústria, como redes de ar comprimido para máquinas pneumáticas e vapor para aquecimento de máquinas.

Figura 1: Exemplo de tubulação industrial.

           

A identificação é dada por cores que obedecem a seguinte tabela:

Tabela 1: Identificação para tubulação.

        Os tubos são divididos em dois grupos: tubos sem costura e tubos com costura. Os tubos sem costura são fabricados por três tipos de processos industriais: laminação (para tubos grandes diâmetros), extrusão (para tubos com pequenos diâmetros) e o processo de fundição. Já os tubos com costura são fabricados por solda.

 

Figura 2: Componentes de tubulações em geral.

        Os acessórios para tubulações são componentes utilizados em sistemas de tubulações e encanamentos para conectar-se diretamente tubos ou partes de tubulação, para se adaptar os diferentes tamanhos ou formas, e regular fluxos de fluido, por exemplo. São exemplos de acessórios de tubulação as curvas, os joelhos ou cotovelos, os tês, as peças em "Y", as cruzetas, as selas (saddles), os colares, os anéis de reforço, as reduções, as luvas (coupling), as uniões, as flanges, os niples e as virolas.

  

Figura 3: Exemplos de tubos e acessórios.

Referências:

“Tubulações Industriais”. Disponível em: <www.sumitani.com.br>. Acesso: 18 outubro 2014.

“Tubulação Industrial”. Disponível em: <www.metalica.com.br>. Acesso: 18 outubro 2014.

CPM - Programa de Certificação de Pessoal de Manutenção – Mecânica. “Acessórios de Tubulação Industrial”. SENAI - Departamento Regional do Espírito Santo.

“NR-26 Treinamento De Sinalização De Segurança”. Disponível em: <www.aedtreinamentos.com.br>. Acesso: 18 outubro 2014.

Exaustor

           A ventilação geral é um dos métodos disponíveis para controle de um ambiente ocupacional e tem como objetivo principal captar os poluentes de uma fonte (gases, vapores ou poeiras tóxicas) antes que os mesmos se dispersem no ar do ambiente de trabalho, ou seja, antes que atinjam a zona de respiração do trabalhador. Quando um ventilador funciona no sentido de exaurir ar de um ambiente é comumente chamado de exaustor. Há modelos em que a energia utilizada é fornecida pela própria natureza (vento ou correntes de convecção). Embora, na maioria dos casos, os exaustores contenham motores elétricos.

Figura 1: Representação de um exaustor e imagem ilustrativa.

           De forma indireta, a ventilação local exaustora também auxilia no bem-estar, na eficiência e na segurança do trabalhador, ao retirar do ambiente, por exemplo, uma parcela do calor liberado por fontes quentes que eventualmente existam. Além disso, controla a poluição do ar da comunidade ao captar e conduzir os poluentes emitidos por uma fonte para que possam ser tratados em um equipamento de controle de poluentes (filtros, lavadoras, etc.).

Figura 2: Esquema de um sistema de ventilação local exaustora.

Princípios de Exaustão

        Enclausuramento: enclausure a operação tanto quanto possível. Quanto maior o enclausuramento, menor será a quantidade de ar requerida pela exaustão.

Figura 3: Princípios de exaustão considerando enclausuramento - ACGIH.

           Direção do Fluxo de Ar: localize a coifa de maneira que o contaminante não atinja a zona de respiração do trabalhador.

Figura 4: Princípios de exaustão considerando a direção do fluxo de ar - ACGIH.

Referência:

“Noções de Ventilação Industrial”. Disponível em: <www.higieneocupacional.com.br>. Acesso: 13 outubro 2014.

Rotâmetro

        É um medidor de vazão que funciona baseado no deslocamento de um flutuador, causado pela passagem de fluido através dele, dentro de um tubo transparente. A posição deste flutuador depende do equilíbrio entre as forças que atuam sobre ele, que são o seu peso e a força de arraste devido ao fluido. O tubo tem formato cônico e possui uma guia que orienta o movimento do flutuador.

       O fluido passa através do tubo da base para o topo. À medida que um determinado valor de vazão atravessa o rotâmetro, surge uma força de arraste do flutuador. Se esta força for maior que o peso, este se desloca para cima, de forma a aumentar a área de passagem de fluído, diminuindo o seu valor, até que tenha o mesmo valor do peso. No momento em que a força e o peso se igualam, ou seja, estão em equilíbrio, o flutuador para de se movimentar indicando a vazão na escala gravada no corpo do tubo do instrumento. A vazão é função direta da área de passagem de fluído.

O vídeo apresenta uma animação do rotâmetro:

Referência:

ROSA, Taylor Soares. “Medição de Vazão”. Centro Federal de Educação Tecnológica (CEFET), Rio Grande do Sul, 2008.

Trocadores de Calor

        Trocador de calor é o dispositivo usado para realizar o processo da troca térmica entre dois fluidos em diferentes temperaturas. Podemos utilizá-los no aquecimento e resfriamento de ambientes, no condicionamento de ar, na produção de energia, na recuperação de calor e no processo químico.

Tipos

Classificação quanto à utilização

        Os trocadores de calor são designados por termos correspondentes às modificações que realizam nas condições de temperatura ou estado físico do fluido de processo e podem ser classificados como:

·      Resfriador: resfria um líquido ou gás mediante água, ar ou salmoura;

·      Refrigerador: resfria também um fluido de processo através da evaporação de um fluido refrigerante, como amônia, propano ou hidrocarbonetos clorofluorados;

·      Condensador: retira calor de um vapor até a sua condensação parcial ou total, podendo inclusive sub-resfriar um líquido condensado;

·      Aquecedor: aquece o fluido de processo, utilizando, em geral, vapor d’água ou fluido térmico;

·      Vaporizador: cede calor ao fluido de processo, vaporizando-o total ou parcialmente através de circulação natural ou forçada;

·      Evaporador: promove concentração de uma solução pela evaporação do líquido, de menor ponto de ebulição.

Classificação quanto à forma construtiva

·      Trocadores tipo casco e tubo (shell and tube): Equipamentos constituídos basicamente por um feixe de tubos envolvidos por um casco, normalmente cilíndrico, circulando um dos fluidos externamente ao feixe e o outro pelo interior dos tubos.

Funcionamento de um trocador de calor do tipo casca-tubo: 

·      Trocadores especiais: Tendo em vista as diversas aplicações específicas dos trocadores de calor, há várias formas construtivas que não se enquadram nas caracterizações comuns (casco e tubo, tubo duplo, serpentina, trocador de placas, resfriadores de ar, rotativos regenerativos, economizadores, etc). Por este motivo, é atribuída a classificação de “especiais”, dada a sua peculiaridade de construção, em decorrência da aplicação.

Classificação de acordo com processos de transferência

        Nesta categoria, os trocadores de calor são classificados em:

·      Contato indireto: os fluidos permanecem separados e a transferência de calor ocorre continuamente através de uma parede. Os trocadores de contato indireto classificam-se em:

-       transferência direta: há um fluxo contínuo de calor do fluido quente ao frio através de uma parede que os separa. Este trocador é designado como um trocador de calor de recuperação, ou simplesmente como um recuperador. Os principais exemplos são trocadores de placa, tubular e superfície estendida.

       

 Processo de funcionamento de um trocador de calor de placas: 

https://www.youtube.com/watch?v=Jpx_GstLHHM

-       armazenamento ou regenerador: os ambos fluidos percorrem alternativamente as mesmas passagens de troca de calor.

·      Contato direto: os fluidos se misturam. Aplicações comuns de um trocador de contato direto envolvem transferência de massa além de altas taxas de transferência de calor. As aplicações são limitadas aos casos onde um contato direto de dois fluxos é permissível.

        Trocadores de Calor - Vaportec:

Referências:

GANGHIS, Diógenes. “Trocadores de Calor”. Centro Federal de Educação Tecnológica (CEFET), Bahia.

“Trocadores de Calor”. Disponível em: < http://mundomecanico.com.br >. Acesso: 13 outubro 2014

Bombas

       As bombas são máquinas operatrizes hidráulicas que fornecem energia ao líquido com a finalidade de transportá-lo de um ponto a outro. Elas recebem energia de uma fonte motora qualquer e cedem parte dessa energia ao fluido na forma de energia de pressão (aumentam a pressão do líquido), cinética (aumentam a velocidade do líquido) ou ambas.

  

Tipos

       As bombas possuem vários tipos e podem ser classificadas considerando sua aplicação ou a forma com que a energia é cedida ao fluido.

Como há uma ampla diversidade de bombas existentes, citaremos alguns abaixo:

·      Bombas de Deslocamento Positivo

       Ocorre transferência direta da energia mecânica cedida pela fonte motora para o fluido. O volume de líquido remetido está diretamente relacionado com o deslocamento do elemento pistão e, portanto, aumenta diretamente com a velocidade e não é afetado pela pressão facilmente. São usadas para bombeamento contra altas pressões e quando requerem vazões de saída quase constantes. As bombas de deslocamento positivo podem ser divididas em:

-     Alternativas: quando a taxa de fornecimento do líquido depende do volume varrido pelo pistão no cilindro e do número de golpes do pistão. Estas são recomendadas quando é necessário pressões elevadas;

-       Rotativas: em que o líquido fica retido entre os componentes do rotor e a carcaça da bomba por causa da rotação gerada. Muito usada para líquidos viscosos, mas não serve para suspensões.

 

·      Bombas Centrífugas

       A energia fornecida ao líquido é principalmente cinética, sendo convertida em grande parte em energia de pressão posteriormente. A movimentação do líquido é produzida por meio de um rotor, também chamado de impelidor, que gira no interior de uma carcaça. Estas bombas caracterizam-se por operarem com altas vazões, pressões moderadas e fluxo contínuo. Podem ser classificadas em:

-     Puras ou radiais: toda a energia cinética tem origem no desenvolvimento de forças puramente centrífugas na massa líquida, com movimentação do fluido vindo do centro para a periferia do rotor, perpendicularmente ao eixo de rotação. São utilizadas para fornecer elevada carga ao fluido com vazões relativamente baixas;

-       Fluxo Axial (helicoidal): a transferência de energia cinética à massa líquida ocorre por forças unicamente de arrasto, sendo que o fluido se movimenta paralelamente ao eixo de rotação. São utilizadas em casos de elevada vazão e cargas pequenas a serem fornecidas ao fluido.

-    Fluxo misto (hélico-centrífugas): a energia é fornecida tanto pela força centrífuga quando por arrasto. O movimento do fluido ocorre diagonalmente ao eixo de rotação (entre 90° e 180°).

Para mais informações sobre as bombas centrífugas, assista ao vídeo:

https://www.youtube.com/watch?v=ixNF_ikY_Ts

·      Bomba Diafragma

       Depende do movimento de um diafragma para conseguir pulsação. São usadas para suspensões abrasivas, líquidos muito viscosos, como também para serviços de dosagem do produto.

·      Bomba a Jato

        Tem o princípio de movimentar uma corrente com alta velocidade do fluido para imprimir esse movimento a outra corrente, misturando as duas.

·      Bomba Eletromagnética

       Princípio igual ao motor de indução usada com líquidos de alta condutividade elétrica (metais líquidos) não tem partes mecânicas móveis.

Referência:

GANGHIS, Diógenes. “Bombas Industriais”. Centro Federal de Educação Tecnológica (CEFET), Bahia.