UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOASCENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA NOTAS DE AULA LABORATÓRIO DE ENGENHARIA QUÍMICA I Maceió-AL 2013 ii UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA NOTAS DE AULA LABORATÓRIO DE ENGENHARIA QUÍMICA I Coordenação da Apostila: Prof a . Ana Karla Abud (
[email protected]) Maceió-AL 2013 iii APRESENTAÇÃO A disciplina Laboratório de Engenharia Química I (LEQ I) tem por finalidade integrar a teoria exposta em sala de aula à prática vivenciada em laboratório. Os experimentos serão efetuados em diversos módulos, abordando aspectos relacionados à Transferência de Quantidade de Movimento e Energia e aos princípios de Operações Unitárias I. Os alunos contam com roteiros impressos das práticas preparados pelos Professores. Logo, há a necessidade da melhor forma de organização ao desenvolver esses roteiros, estando aberto a sugestões. Profª. Ana Karla de Souza Abud Coordenadora do Laboratório de Engenharia Química iv SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 1 2. CORPO EXECUTIVO DO LABORATÓRIO DE ENGENHARIA QUÍMICA 2.1. PROFESSORES MINISTRANTES ...................................................................... 2 3. ESTRUTURA 3.1. HORÁRIO E PROFESSOR ... .............................................................................. 3.2. CALENDÁRIO ..................................................................................................... 3 3 4. INSTRUÇÕES GERAIS E CRITÉRIO DE AVALIAÇÃO 4.1. ESQUEMA DE FUNCIONAMENTO DA DISCIPLINA .................................... 4.2. RELATÓRIO ......................................................................................................... 4.3. CRITÉRIO DE AVALIAÇÃO .............................................................................. 5 5 8 5. USO DO LABORATÓRIO 5.1. BOAS PRÁTICAS DE LABORATÓRIO .............................................................. 5.2. SEGURANÇA NO LABORATÓRIO .................................................................... 5.3. BRINCADEIRAS EM LABORATÓRIO .............................................................. 5.4. PRIMEIROS SOCORROS ..................................................................................... 5.5. FICHAS DE SEGURANÇA DE PRODUTOS QUÍMICOS .................................. 9 14 15 16 21 6. EXPERIMENTOS DETALHADOS 6.1. MEDIÇÃO DE TEMPERATURA ......................................................................... 6.2. MEDIÇÃO DE PRESSÃO E DE VAZÃO ............................................................ 6.3. DETERMINAÇÃO DE DENSIDADE E DA VISCOSIDADE .......................... 6.4. DETERMINAÇÃO DA QUALIDADE DO COMBUSTÍVEL E DA PROPORÇÃO GASOLINA x ÁLCOOL ................................................................... 6.5. BALANÇO DE MASSA ........................................................................................ 6.6. EXPERIMENTO DE REYNOLDS ....................................................................... 6.7. DETERMINAÇÃO DA PERDA DE CARGA EM TUBULAÇÕES .................... 6.8. DETERMINAÇÃO DO TEMPO DE ESVAZIAMENTO DE UM TANQUE ..... 6.9. BALANÇO DE ENERGIA ................................................................................. 6.10 BOMBAS................................................................................................................ 6.11. ENSAIOS DE SEDIMENTAÇÃO .......................…………………………….. 25 28 34 43 47 51 56 63 69 75 83 1 1. INTRODUÇÃO A disciplina de Laboratório de Engenharia Química I, no contexto do Curso, tem como objetivos colocar o aluno em contato com alguns equipamentos básicos, aprofundar os conhecimentos técnicos e desenvolver as seguintes habilidades: capacidade de conduzir e interpretar resultados de atividades experimentais; formação abrangente que lhe propicie aliar a teoria à prática; capacidade de trabalho em equipe; capacidade crítica com relação a conceitos de ordem de grandeza; capacidade de leitura, expressão e interpretação gráfica; capacidade de obtenção e sistematização de informações; capacidade de utilização da informática como instrumento do exercício da engenharia. Além desses objetivos gerais, cada experimento tem seus próprios objetivos específicos. A leitura e compreensão prévia do roteiro da prática são de fundamental importância para um melhor aproveitamento na aula experimental. Devido às particularidades da disciplina de Laboratório de Engenharia Química I e às dificuldades encontradas pelos alunos na elaboração de relatórios, sugerimos que você leia atentamente as instruções gerais para a elaboração de um relatório (item 4.2) e tenha conhecimento das normas ABNT. Aproveite esta ocasião, dedique-se à disciplina e aprenda a elaborar um bom relatório, que em muito será útil na sua vida profissional. 2 2. CORPO EXECUTIVO DO LABORATÓRIO DE ENGENHARIA QUÍMICA 2.1. PROFESSORAS MINISTRANTE Amanda Santana Peiter Karla Barcelos 2.3. TÉCNICA DE LABORATÓRIO Lívia Manuela Oliveira da Silva 2.4. MONITORES Carla Gonçalves 3 3. ESTRUTURA CURRICULAR 3.1. HORÁRIO DE CADA TURMA Dia Quinta Sexta Turma e horário 07:30 às 09:10 9:20 às 11:00 3.2. CALENDÁRIO 2012/2 Data Assunto da aula 05/09/13 06/09/13 Apresentação da disciplina 05/09/13 06/09/13 Primeiros socorros e trabalho em laboratório 12/09/13 13/09/13 Temperatura 19/09/13 20/09/13 Pressão e vazão 26/09/13 27/09/13 Densidade e viscosidade 03/10/13 04/10/13 Determinação da qualidade do combustível e da proporção (gasolina x álcool) 10/10/13 11/10/13 Balanço de massa 17/10/13 18/10/13 Experimento de Reynolds 24/10/13 25/10/13 1ª Avaliação 31/10/13 01/11/13 Perda de carga 4 07/11/13 08/11/13 Tempo de esvaziamento de tanques 15/11/13 Feriado total 14/11/13 22/11/13 Balanço de energia 21/11/13 29/11/13 Bombas 28/11/13 06/12/13 Sedimentação 05/12/13 13/12/13 2ª Avaliação 12/12/13 20/12/13 Reavaliação 19/12/13 10/01/14 Prova final 5 4. INSTRUÇÕES GERAIS E CRITÉRIOS DE AVALIAÇÃO 4.1. ESQUEMA DE FUNCIONAMENTO DA DISCIPLINA No primeiro dia de aula os alunos deverão ficar informados sobre: Esquema de funcionamento da disciplina e critério de avaliação; Experimentos a serem realizados na disciplina; A segunda aula abordará instruções de segurança em laboratório químico e primeiros socorros. Na medida do possível, cada turma será dividida em grupos e em cada aula serão realizados experimentos. Executada a experiência, os grupos deverão entregar ao professor uma cópia dos dados experimentais obtidos e, obrigatoriamente, na aula prática seguinte, entregar o relatório completo, escrito à mão, de acordo com o roteiro descrito no item 4.2. Os relatórios corrigidos não serão devolvidos, pois são documentos de avaliação. Os relatórios terão peso 4 na avaliação. A cada semana de atraso na entrega do relatório, a nota dada ao mesmo perderá 10% do seu valor. Em caso de uso de caderno de ata, ao final do período e fechamento da caderneta, o aluno poderá receber este caderno de volta mediante a assinatura do termo de recebimento. Os relatórios entregues para correção na semana posterior ao exeperimento deverão ser pegos no laboratório na segunda-feira para a elaboração do relatório seguinte. As aulas serão realizadas no esquema semanal, conforme programação preestabelecida (item 3.2), sendo obrigatória a presença de todos os membros de cada grupo desde o início da aula, pois ao aluno que não comparecer à aula será atribuída nota zero no relatório correspondente ao experimento. A reposição de aulas poderá ser feita em outra turma, mediante autorização prévia do professor. Entenda por prévia uma antecedência de no mínimo 15 horas. O relatório deverá ser feito individualmente com os dados obtidos pelo mesmo, sendo a exceção quando o professor autorizar relatório em grupo. No início de cada experiência, o professor dará instruções sobre o uso dos equipamentos e roteiro da prática, mas os alunos deverão, antecipadamente, estudar o roteiro da experiência, existente no material. 6 4.2. RELATÓRIO O aluno é livre para escolher entre folha avulsa e caderno de ata. A obrigatoriedade, contudo, é da escrita à mão, colando apenas gráficos e figuras que achar pertinentes. Em caso de uso do caderno de ata, a folha em branco inicial deve conter o nome do aluno, turma da disciplina e número de matrícula. As duas folhas seguintes deverão ser deixadas em branco para posterior colocação do índice. Título Nome do aluno Resumo É o espelho de todo o trabalho. Deve ser escrito em parágrafo único, contendo uma breve introdução sobre o assunto, principais objetivos do experimento, resultados e principais conclusões obtidas. Ou seja, no máximo de concisão, deve incluir o que se fez, como se fez e que valores e/ou conclusões se obteve no experimento. Fundamentação Teórica (2 a 4 parágrafos) Importância do assunto, curiosidades e aplicações; Equipamentos e técnicas conhecidas para alcançar os objetivos; Fundamentos técnico-científicos envolvidos na prática; Não será aceita cópia do roteiro. Objetivos do Experimento Materiais e Métodos Procedimento experimental na sequência temporal dos eventos. Resultados e Discussão Descrição dos métodos utilizados para os cálculos realizados; Apresentação de uma amostra detalhada dos cálculos efetuados na obtenção dos resultados a partir dos dados experimentais, com valores numéricos e unidades; Apresentação dos resultados e dos dados obtidos experimentalmente em tabelas e gráficos enumerados. Análise crítica da qualidade dos dados experimentais, em função de possíveis fontes de erro e limitações do equipamento, e a validade dos resultados; Comparar os resultados com os obtidos por outros autores em experimentos similares. 7 Conclusões Apresentar de forma objetiva as principais conclusões à luz da discussão dos resultados (frases curtas e incisivas). Sugestões Sugerir melhorias do experimento com base nas dificuldades encontradas: imprecisões de medidas, técnicas experimentais mais apropriadas, limitações da modelagem matemática utilizada etc. Referências Consultadas Seguir normas da ABNT Observações: Para avaliação dos relatórios apresentados observar-se-á, principalmente: 1. Poder de síntese (teoria e revisão bibliográfica) e compreensão dos objetivos do trabalho experimental; 2. Redação, organização e apresentação; 3. Criatividade e independência; 4. Coerência na apresentação de dados e resultados. 8 4.3. CRITÉRIO DE AVALIAÇÃO DA DISCIPLINA Durante o curso, os alunos realizarão o conjunto de experiências de laboratório e os grupos deverão elaborar os respectivos relatórios de cada experimento, que serão avaliados pelo professor da turma. Há reprovação por falta e o aluno que tiver acima de 7 faltas não poderá realizar nem a reavaliação e nem a prova final. Além disso, os alunos realizarão duas provas escritas individuais, sobre os experimentos executados. Em cada avaliação, os relatórios terão peso 4 e a prova escrita peso 6. A nota de cada período (NB) será assim constituída: 10 * 5 * 5 NP MR NB + = onde: MR = média aritmética dos relatórios do referido bimestre. NP = nota obtida em prova escrita. Prova Final: O exame final constará de uma prova escrita individual sobre os experimentos realizados durante o ano. Observações: i) As provas serão realizadas nos horários de aula, conforme programação apresentada no item 3.2. 9 5. USO DO LABORATÓRIO Todo trabalho a ser feito em um laboratório apresenta risco, seja ele pela ação dos produtos químicos, eletricidade ou por chama, que podem levar a incêndios, explosões e outros acidentes, resultando em danos materiais assim como de natureza física. Os laboratórios de química, em particular, são lugares de trabalho que necessariamente não são perigosos, desde que certas precauções sejam tomadas. Os acidentes no laboratório ocorrem, frequentemente, em virtude da pressa excessiva na obtenção de resultados. Por isso, todo aquele que executa atividade em laboratório deve ter responsabilidade no seu trabalho e evitar atitudes ou pressa que possam acarretar acidentes e possíveis danos para si e para os demais. Deve-se prestar atenção a tudo a sua volta e se prevenir contra perigos que possam surgir ao longo da sua atividade e do trabalho de outros. Assim, o engenheiro químico deve adotar uma atitude atenciosa, cuidadosa e metódica no que faz. Deve, particularmente, concentrar-se na atividade que está realizando e não permitir qualquer distração enquanto trabalha. Da mesma forma, não deve distrair os demais enquanto desenvolvem trabalhos no laboratório. 5.1. BOAS PRÁTICAS DE LABORATÓRIO As Boas Práticas de Laboratório são um instrumento que permite a normatização e o bom uso do laboratório. Exigem que cada técnico de laboratório, professor, aluno ou visitante observem o seguinte ao utilizar as dependências dos mesmos: 10 1. Não consumir alimentos e bebidas no laboratório. 2. Não usar cabelo solto quando este for longo. 3. Utilizar proteção apropriada para os olhos e outros equipamentos de proteção individual quando necessário. 4. Usar os equipamentos do laboratório apenas para seu propósito designado. Observar se a voltagem do equipamento é a adequada. 5. Assegurar-se que o coordenador do laboratório esteja informado de qualquer condição de falta de segurança. 6. Conhecer a localização e o uso correto dos equipamentos de segurança disponíveis. 7. Determinar causas de risco potenciais e as precauções de segurança apropriadas antes de começar a utilizar novos equipamentos ou implantar novas técnicas no laboratório e confirmar se existem condições e equipamentos de segurança suficientes para implantação do novo procedimento. 8. Evitar perturbar ou distrair quem esteja realizando algum trabalho no laboratório. 9. Assegurar-se que todos os agentes que ofereçam algum risco estejam rotulados e estocados corretamente. 10. Consultar os dados de segurança existentes antes de utilizar reagentes químicos com os quais não esteja familiarizado e seguir os procedimentos apropriados ao manusear ou manipular agentes perigosos. 11. Todas as reações onde houver desprendimento de gases tóxicos devem ser executadas na capela. 12. Seguir os procedimentos de descarte adequados para cada reagente ou material de laboratório. 13. Nunca se deve adicionar água ao ácido e, sim, ao contrário. Ácido sobre a água e cuidadosamente. 14. Nunca pipetar ou sugar diretamente com a boca materiais biológicos, perigosos, cáusticos, tóxicos, radioativos ou cancerígenos. 15. Evitar a exposição a gases, vapores e aerossóis. Utilizar sempre uma capela ou fluxo para manusear estes materiais. 16. Ao aquecer um tubo de ensaio, deve-se proceder de maneira adequada para que o conteúdo não seja lançado para fora na direção de alguém, podendo causar um acidente grave. 11 17. Aventais e luvas utilizados no laboratório que possam estar contaminados com materiais tóxicos ou patogênicos não devem ser utilizados nas áreas de café, salas de aula ou salas de reuniões. 18. Antes de sair do laboratório, lavar sempre as mãos para minimizar os riscos de contaminações pessoais e em outras áreas. No laboratório sempre devem existir locais para a lavagem das mãos com sabonete ou detergente apropriado e toalhas de papel descartáveis. 19. É expressamente proibido fumar dentro do laboratório. A proximidade com materiais tóxicos, biológicos e inflamáveis faz com que ao fumar se corra o risco de ingestão acidental de reagentes ou de incêndio. Devem-se utilizar máscaras apropriadas sempre que uma operação envolva reagentes químicos com potencial de explosão ou que podem espirrar no rosto. Alguns exemplos incluem: a) Quando uma reação é realizada pela primeira vez. b) Quando uma reação realizada no laboratório é executada em uma escala maior do que a normal. c) Sempre que uma operação for realizada fora das condições ambientes. d) Sempre que existir a possibilidade de ocorrer um borrifo ocorrer ao manusear materiais corrosivos. Para o manuseio de vidraria de laboratório: 1. Nunca se deve trabalhar com vidraria danificada, devendo ser consertada ou descartada 2. Ao trabalhar com tubos ou conexões de vidro, deve-se utilizar uma proteção adequada para as mãos. 3. Utilizar proteção adequada nas mãos ao manusear vidros quebrados. 4. Familiarizar-se com as instruções apropriadas ao utilizar vidraria para fins específicos. 5. Descartar vidraria quebrada em recipientes plásticos ou de metal etiquetados e que não sejam utilizados para coleta de outros tipos de materiais de descarte. 6. Descartar a vidraria contaminada como recomendado. Por exemplo, quando utilizada em microbiologia, a vidraria quebrada deve ser esterilizada em autoclave antes de ser dispensada para coleta em recipiente apropriado. Materiais cirúrgicos usados (agulhas, seringas, lâminas, giletes, etc) devem ser descartados em caixa de descarte para materiais perfuro cortantes com símbolo indicando material infectante e perigo. Lâmpadas fluorescentes e resíduos químicos não devem ser jogados nos coletores de 12 lixo tradicionais, devem ser descartados em recipientes diferentes e identificados com etiquetas. Quanto aos equipamentos elétricos: a) Todos os equipamentos elétricos devem ter certificado de qualidade ao serem adquiridos ou serem aprovados quando de sua aquisição. b) Não se devem utilizar extensões para ligar aparelhos a instalações permanentes. c) Utilizar interruptores com circuito de fio terra quando existir o risco de que o operador esteja em contato com água e com equipamento elétrico simultaneamente. d) Somente pessoal qualificado e treinado está autorizado a consertar ou modificar equipamentos elétricos ou eletrônicos As normas para o uso de reagentes químicos indicam que: 1. Todos os reagentes químicos, soluções, solventes e sais utilizados no laboratório devem ser etiquetados apropriadamente e guardados de acordo com sua compatibilidade. 2. Todos os frascos contendo soluções ou reagentes devem ser rotulados com o nome do produto, a data de aquisição ou preparação, validade e responsável pela solução. Quando necessário adicionar informações sobre o risco, perigo e condições de segurança em seu manuseio. 3. As prateleiras para estoque devem ser apropriadas para conter os frascos de reagentes e serem feitas de material resistente aos produtos químicos a serem guardados. Bandejas de plástico resistentes podem ser utilizadas para estocar reagentes que possuam propriedades químicas especiais. 4. É aconselhável que as prateleiras possuam uma borda ou algo equivalente que evite que os frascos possam escorregar e cair das prateleiras. 5. Reagentes perigosos em frascos quebráveis, como materiais altamente tóxicos (cianetos, neurotoxinas), inflamáveis (dietiléter, acetona), líquidos corrosivos (ácidos) ou materiais sensíveis a impactos (percloratos), devem ser estocados de tal maneira que o risco de quebra seja minimizado. É aconselhável que reagentes químicos em frascos de vidro ou pesando mais de 500 g não sejam estocados a mais de 2 metros do chão. 6. Devem-se comprar apenas quantidades limitadas de reagentes químicos, somente para uso imediato. Não é aconselhável guardar reagentes químicos por períodos de tempo muitos longos por risco de perder suas propriedades físico-químicas. 7. Não estocar reagentes químicos diretamente sob a luz solar ou próximo a fontes de calor. 13 8. Não se devem estocar reagentes inflamáveis na geladeira. Quando necessário, deve ser feito por períodos muito curtos, pois os refrigeradores domésticos contem fontes de ignição como a luz de abertura de porta e o termostato. 9. Solventes inflamáveis e bases e ácidos altamente corrosivos devem ser transportados em frascos apropriados. As capelas dos laboratórios servem para conter e trabalhar com reações que utilizem ou produzam vapores tóxicos, irritantes ou inflamáveis, mantendo o laboratório livre de tais componentes. Com a janela corrediça abaixada, a capela fornece uma barreira física entre o técnico de laboratório e a reação química. Todos os procedimentos envolvendo a liberação de materiais voláteis, tóxicos ou inflamáveis devem ser realizados em uma capela para eliminar os riscos. O uso da capela é altamente recomendado ao utilizar os seguintes materiais: materiais e combustíveis inflamáveis. materiais oxidantes materiais com efeitos tóxicos sérios e imediatos materiais com outros efeitos tóxicos materiais corrosivos materiais que reagem perigosamente Quanto ao uso de equipamento de proteção individual (EPI): 1. No laboratório deve-se usar equipamento de proteção pessoal apropriado aos riscos existentes. 2. O equipamento de proteção individual não deve ser considerado o principal meio de proteção dos funcionários dos laboratórios. Os procedimentos de trabalho e equipamentos, como capelas, chuveiros, etc. também devem ser considerados. 3. O equipamento de proteção individual deve ser utilizado por todo o pessoal existente no laboratório e não apenas pelos que estiverem trabalhando no momento, uma vez que no laboratório, os riscos de acidente estão presentes, mesmo que não se esteja trabalhando ativamente. Devem-se vestir roupas apropriadas durante todo o tempo. 4. Equipamentos de proteção individual (aventais, máscaras, toucas e luvas) não devem ser utilizados em áreas públicas se tiverem sido utilizados em áreas contaminadas. Da mesma forma, os aventais utilizados nas áreas esterilizadas (por exemplo, Biotério), não devem ser usados em áreas públicas ou contaminadas. Nestes casos, os equipamentos devem ser guardados em lugares apropriados nos setores de utilização. 14 Existem muitos tipos diferentes de luvas de proteção disponíveis e devem ser escolhidas aquelas que dão a melhor proteção em cada rotina de trabalho específica. Existem luvas de diferentes materiais e que, portanto, possuem resistências diferentes aos produtos químicos. O melhor tipo deve ser selecionado nos catálogos dos fabricantes antes de sua utilização. O contato de materiais tóxicos e de risco com a pele exposta ou com os olhos podem causar problemas de saúde bastante sérios. Óculos de segurança aprovados com proteção lateral são o mínimo de proteção requerida em um laboratório. As lentes de contato não são um meio de proteção e devem ser usadas em conjunto com óculos de proteção apropriados em áreas de risco. Devem-se usar roupas que permitam a cobertura máxima do corpo de acordo com o nível de risco ao qual o funcionário esteja exposto. Pode surgir risco ao se derramar ou borrifar alguns reagentes sem utilização de roupas adequadas (por exemplo, pelo uso de bermudas, mini-saias, sandálias, chinelos, etc.). A proteção mínima que um funcionário de laboratório deve ter consiste em usar calças compridas, camisa ou camiseta, meias e sapatos fechados. Sempre consultar o supervisor do laboratório para conhecer os requisitos específicos de cada laboratório. Contudo, muitos procedimentos exigem proteção adicional do corpo. Nestas situações, luvas e aventais são recomendados. Os aventais de borracha devem ser utilizados ao manusear materiais ou reagentes altamente corrosivos. Em circunstâncias normais, aparelhos respiratórios não são necessários para as situações existentes nos laboratórios. A utilização de capelas geralmente elimina os problemas de riscos respiratórios. 5.2. SEGURANÇA A fim de evitar pânico e, consequentemente, um agravamento das situações de emergência, todo o pessoal deve ter conhecimento da localização e funcionamento dos equipamentos de segurança, bem como das atitudes a serem tomadas. Devem ser previstos no laboratório os equipamentos de primeiros socorros, extintores de incêndio, chuveiros de emergência, lava-olhos, telefone de pronto-socorro, médico e bombeiro. 15 Um lava-olhos e um chuveiro de emergência devem estar acessíveis a todo o momento nos laboratórios onde reagentes perigosos para a pele e os olhos são usados. Os funcionários devem estar a menos de 25 m e devem atravessar no máximo uma porta para chegar ao local onde estejam o lava-olhos e o chuveiro de emergência Os laboratórios devem estar equipados com um número suficiente de extintores de incêndio do tipo correto para ser usado nos materiais que estão sendo manipulados. Todos os equipamentos de emergência devem ser checados periodicamente. Os lava-olhos e os chuveiros devem ser testados anualmente. Os extintores de incêndio devem ser inspecionados mensalmente. Um registro das inspeções deve ser colocado numa etiqueta afixada ao equipamento. 5.3. BRINCADEIRAS EM LABORATÓRIO Os produtos químicos devem ser manipulados com todo cuidado, por mais inócuos que possam parecer. Sua manipulação, repetimos, requer atenção especialíssima. Laboratório não é local adequado para brincadeiras! Resista à tentação! Produtos químicos devem ser manipulados com todo cuidado. Reserve toda atenção para o experimento em andamento e antes do uso consulte a ficha de segurança do produto químico a ser utilizado. 16 5.4. PRIMEIROS SOCORROS O coordenador do laboratório é responsável por conhecer e aplicar as técnicas de primeiros socorros e por verificar que todo o pessoal de laboratório esteja familiarizado com a localização dos kits de primeiros socorros. Os funcionários/técnicos devem ser treinados a prestar primeiros socorros. Após o primeiro atendimento, o funcionário deve ser conduzido à enfermaria ou mesmo ao hospital, dependendo da gravidade do caso Em acidentes com exposição da pele a produtos químicos, deve-se: 1. Lavar todas as áreas do corpo afetadas por 15 a 20 minutos com água corrente. 2. Não usar sabão ou detergente até verificar as normas de risco e segurança do reagente em questão. 3. Encaminhar a pessoa ao hospital se a irritação persistir, se houver um dano aparente ou se as normas de segurança do produto assim exigirem. 4. Quando grandes áreas do corpo forem atingidas, a utilização dos chuveiros é mais eficiente se toda a roupa da região afetada puder ser removida. Em acidentes com exposição dos olhos a produtos químicos, deve-se: 1. Lavar os olhos durante 15 a 20 minutos em água corrente. Manter os olhos abertos enquanto se efetua a lavagem. 2. Sempre procurar atendimento médico no hospital no caso de exposição dos olhos a materiais perigosos. Antes de utilizar qualquer reagente químico, o usuário do laboratório deve se familiarizar com os riscos potenciais de incêndio associados a esse reagente. Estas informações podem ser encontradas nas especificações do reagente. As informações devem incluir produtos de decomposição, temperaturas críticas e o tipo de equipamento mais indicado para conter o incêndio se porventura o reagente pegar fogo. Se um pequeno incêndio começar no laboratório e estiver restrito a um béquer, um frasco ou outro recipiente pequeno pode-se tentar dominá-lo com o extintor apropriado ou abafá-lo com uma coberta. 17 Se o incêndio não estiver limitado a uma pequena área, se houver envolvimento de materiais voláteis ou tóxicos ou se as tentativas de conter um pequeno incêndio forem inúteis, devem-se tomar as seguintes providências: 1. Informar todo o pessoal nas áreas vizinhas da existência de um foco de incêndio. 2. Se possível, fechar todas as portas que possam isolar o foco de incêndio do restante das instalações. 3. Evacuar as instalações utilizando as escadas e as saídas de emergência. Não utilizar os elevadores. 4. Entrar em contato com o corpo de bombeiros, explicar a natureza do fogo e identificar todos os possíveis produtos de risco como fumaças tóxicas, materiais potencialmente explosivos, meios de combater o fogo, etc. 5. Preencher um relatório de acidentes/incidentes. As classes de incêndios são: Classe A – combustíveis comuns como madeira, papel, tecidos, plásticos, etc. Classe B – líquidos inflamáveis Classe C – gases inflamáveis Classe D – metais inflamáveis Classe E – equipamentos elétricos Os tipos de extintores são: Extintores de Pó Seco – tipo ABC –utilizados em incêndios da classe A, B e C. Extintores de água pressurizada, utilizados somente em incêndios da classe A. Não use este tipo de extintor em materiais carregados eletricamente, pois poderá resultar em choque elétrico. Se utilizado sobre líquido inflamável pode causar o espalhamento do fogo. 18 Extintores de água pressurizada, utilizado para as classes B, C e E, mais indicado para o laboratório. Extintores de espuma, utilizado para as classes A e B. No manuseio e estocagem de reagentes, os seguintes grupos químicos devem ser guardados separadamente de reagentes químicos de outros grupos e em lugares de estoque separados. Ácidos - exemplo: ácido clorídrico, ácido fluorídrico, ácido nítrico, ácido sulfúrico, ácido fosfórico, ácido perclórico. O ácido perclórico pode ser guardado com outros ácidos, mas mantido em uma bandeja separada e manuseado sempre em capelas com excelente exaustão, principalmente no caso de se lidar com quantidades superiores a 10 mL. Se, por exemplo, ácido sulfúrico pingar na prateleira, e esta for de madeira, e ácido perclórico cair no mesmo lugar, imediatamente este local pegará fogo Solventes inflamáveis - exemplos: acetona, álcool, éter, dietil-éter, benzeno, acetonitrila, formamida, tolueno, xilol. As normas da Polícia Federal não permitem o estoque de solventes inflamáveis no laboratório, devendo estes serem dispostos num local específico. Os materiais inflamáveis têm um ponto de ebulição menor que 37,8°C. Os materiais combustíveis possuem um ponto de ebulição entre 37,8°C e 93°C. Solventes não inflamáveis - clorofórmio, metileno, tetracloreto de carbono. Ácidos orgânicos como acético, butírico, e fórmico são materiais combustíveis e devem ser estocados com solventes inflamáveis. Oxidantes inorgânicos - exemplos: nitratos, nitritos, cloratos, percloratos, periodatos, permanganatos e persulfatos. Bases (Materiais Alcalinos) - exemplos: hidróxido de sódio, hidróxido de potássio, hidróxido de amônio e aminas orgânicas. Ciano-compostos - exemplos: cianeto de sódio, ferrocianeto de potássio, tiocianato de sódio, cianobrometo. 19 Alguns materiais que requerem considerações especiais de estoque 1. Ácido pícrico - Inspecionar mensalmente e manter imerso em água destilada. Secar apenas a quantidade necessária para uso imediato. O ácido pícrico seco é sensível a choques. 2. Substâncias formadoras de peróxidos - Os materiais formadores de peróxidos devem ser datados quando sua embalagem for aberta pela primeira vez e descartados quando o tempo limite de estoque recomendado for atingido. Após 3 meses – éter isopropílico, di-vinil-acetileno, cloreto de vinilideno, butadieno, cloropreno, tetrafluoroetileno. Após 12 meses – éter etílico, tetrahidrofurano, dioxano, acetaldeído, éter vinílico, diacetileno, metil-acetileno, ciclohexano. A maioria destes materiais é inflamável e devem ser guardados em almoxarifados isolados. 3. Outros materiais sensíveis a choques - Compostos nítricos, nitratos orgânicos, acetilenos, azidas, diazometano. Deve-se adquirir sempre pequenas quantidades destes materiais e descartar assim que o projeto no qual está sendo utilizado terminar. 4. Peróxidos orgânicos - Comprar sempre pequenas quantidades, manter sob refrigeração e descartar 12 meses após ter sido aberto. Exemplos: benzilperóxido, ácido per-acético. 5. Materiais reativos com água - Exemplos: metais de sódio e potássio, pentóxido de fósforo, cloreto de alumínio, cloreto de titânio. 6. Materiais que reagem com o ar (pirogênicos) - Exemplos: alquil - compostos de lítio, reagente de Grignard, fósforo branco. 7. Todos os outros reagentes, incluindo sais inorgânicos e líquidos e sólidos orgânicos, podem ser estocados juntos. 20 As rotulagens e símbolos de risco: 21 5.5. FICHAS DE SEGURANÇA Na disciplina LEQ 1 (Laboratório de Engenharia Química 1), um dos reagentes a serem manuseados será o mercúrio. Trata-se de um líquido prateado, que na temperatura normal é metal e inodoro. Não é um bom condutor de calor, comparado com outros metais, mas é um bom condutor de eletricidade. Estabelece liga metálica facilmente com muitos outros metais como o ouro ou a prata produzindo amálgamas. É insolúvel em água e solúvel em ácido nítrico. Quando a temperatura é aumentada transforma-se em vapores tóxicos e corrosivos mais densos que o ar. É um produto perigoso quando inalado, ingerido ou em contato, causando irritação na pele, olhos e vias respiratórias. O mercúrio armazenado deve estar etiquetado com as frases R: R 23 ("Tóxico por inalação") e R 33 ("Perigo de efeitos acumulativos"). Também deve conter as frases S: S 1/2 ("Conserve sob chave e manter fora do alcance de crianças"), S 7 ("Manter o recipiente bem lacrado") e S 45 ("Em caso de acidente ou mal-estar, chame imediatamente o médico (se possível mostre-lhe a etiqueta)"). Geralmente quem for intoxicado pelo vapor do mercúrio pode apresentar sintomas como dor de estômago, diarréia, tremores, depressão, ansiedade, gosto de metal na boca, dentes moles com inflamação e sangramento na gengiva, insônia, falhas de memória e fraqueza muscular, nervosismo, mudanças de humor, agressividade, dificuldade de prestar atenção e até demência. Mas pode se contaminar, também, através de ingestão. No sistema nervoso, o produto tem efeitos desastrosos, podendo dar causa a lesões leves e até à vida vegetativa ou à morte, conforme a concentração. Os procedimentos de primeiros socorros quando da contaminação do mercúrio são: 22 Inalação: transladar a vítima para o ar fresco e buscar auxílio médico. Contato com a pele: retirar a roupa contaminada, lavar a área afetada com água e sabão e buscar auxílio médico. Contato com os olhos: lavar imediatamente os olhos com água e buscar auxílio médico. Ingestão: enxaguar a boca com água e buscar auxílio médico. Um exemplo de ficha de segurança para o mercúrio é exposta a seguir. O objetivo principal do campo avaliação sumária de risco é apresentar uma avaliação simples e fácil de ser entendida por todos, dos considerados principais riscos de um produto químico, isto é, à saúde, inflamabilidade e reatividade. O sistema a ser utilizado é o normalmente denominado de "Diamante de Hommel" que consta basicamente de um losango dividido em quatro quadrados coloridos, conforme o tipo de risco a ser analisado. O quadrado azul relaciona-se ao risco à saúde; o vermelho ao risco de inflamabilidade; o amarelo, ao risco de reatividade e o branco a riscos diversos. A avaliação do risco é dada através da colocação de um número de 0 a 4 em cada quadrado, exceto o de cor branca. O significado de cada número é de forma simplificada: RISCO 0 Nenhum ou insignificante 1 Leve ou pequeno 2 Moderado 3 Sério 4 Muito sério 23 24 25 6. EXPERIMENTOS DETALHADOS 6.1. MEDIÇÃO DE TEMPERATURA 6.1.1 - OBJETIVOS Dar conhecimento ao aluno dos instrumentos de medida de temperatura e suas características. 6.1.2 - FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Instrumentos de medidas de variáveis operacionais de processos industriais têm vasta aplicação, recorrendo, em sua grande maioria, a princípios físicos. Variáveis intensivas e extensivas são objeto das medidas e dão origem ao desenvolvimento de uma gama de instrumentos utilizados industrialmente. Exemplo: medidas de temperatura: termômetros, termopares, pirômetros, termorresistores, ...; medidas de pressão: manômetros, transdutores,...; medidas de vazão: medidores de vazão, rotâmetros, fluxímetros, ...; medidas de viscosidade: viscosímetros,.... A temperatura, como variável intensiva, é uma medida importante na indústria de processos, sendo exigida nos casos em que a aplicação de calor ou frio é necessária para o controle de um processo de fabricação. Os equipamentos destinados à medida de temperatura podem utilizar vários princípios. Na Tabela 6.1.1 estão apresentados alguns tipos de medidores de temperatura e seus princípios de funcionamento. Tabela 6.1.1 - Termômetros e suas propriedades termométricas. Princípio de funcionamento Termômetro Dilatação térmica de corpos metálicos Termômetro metálico Dilatação térmica de líquidos Termômetro de Hg, álcool Dilatação térmica de gases Termômetro de gás Resistência elétrica Bolômetro Força termo-eletromotriz Agulhas termoelétricas Brilhância de corpos incandescentes Pirômetros Os termômetros usuais em laboratório, baseados na dilatação térmica de líquidos, podem ter como líquido de enchimento álcool, mercúrio, entre outros. Para facilitar a visualização, utilizam-se 26 corantes para o álcool. É importante salientar que estes instrumentos precisam ficar na posição vertical, evitando, assim, a quebra do líquido e, conseqüentemente, imprecisão do instrumento. O termopar é, talvez, o mais usado de todos os tipos de termômetros para tomadas de temperatura (geralmente entre 200 e 1000°C) e quando se requer resposta rápida. Os termopares são constituídos de dois fios metálicos de composição metálica homogênea soldados (fundidos) entre si por uma das extremidades e ligados às outras extremidades existe um dispositivo capaz de medir a força eletromotriz, indicando a diferença de temperatura entre as extremidades. A Figura 6.1.1 mostra o desenho esquemático do funcionamento de um termopar. Figura 6.1.1 - Esquema de um termopar 6.1.3 - MATERIAIS E MÉTODOS a) Materiais Termômetros, termopares, indicador de temperatura, milivoltímetro, recipiente com água, aquecedor. O conjunto de termômetros e termopares, Figura 6.1.2, deverá ser instalado pelos alunos de modo que todos os instrumentos possam determinar a temperatura do banho. Figura 6.1.2 - Módulo de medição de temperatura b) Métodos Colocar o módulo em operação observando a seguinte seqüência: a água do banho é aquecida através de uma resistência elétrica. Conforme a temperatura do banho varia, os alunos deverão proceder às medidas pelos instrumentos simultaneamente. Com os dados obtidos das 27 leituras nos diversos instrumentos, serão construídas tabelas e curvas de calibração. Um número mínimo de 5 pontos deve ser utilizado para a construção das curvas de calibração de cada instrumento. Os dados devem ser anotados na Tabela 6.1.2. O procedimento será realizado no aquecimento e no resfriamento. Tabela 6.1.2 - Anotações dos dados obtidos experimentalmente para temperatura. A q u e c i m e n t o Medida Indicação do banho Tempo (min) Termômetro (ºC) Termopar J mV ºC Pirômetro 1 2 3 4 5 R e s f r i a m e n t o Medida Indicação do banho Tempo (min) Termômetro (ºC) Termopar J mV ºC Pirômetro 1 2 3 4 5 6.1.4. CÁLCULOS Comparar os perfis de temperatura dos instrumentos, no aquecimento e no resfriamento, em função do tempo e fazer o gráficos da temperatura encontrada com o termopar em função da milivoltagem. 6.1.5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS PERRY, R. H. Manual de Engenharia Química. 5ª Edição, Rio de Janeiro: Editora Guanabara Dois 1980. VENNARD, J. K. & STREET, R. L. Elementos de Mecânica dos Fluidos. 5ª Edição, Rio de Janeiro: Editora Guanabara Dois, 1978. 28 6.2. MEDIÇÃO DE PRESSÃO E DE VAZÃO 6.2.1 - OBJETIVOS Dar conhecimento ao aluno de alguns instrumentos de medida de pressão e vazão, suas características e técnicas de medições. 6.2.2 - FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Entende-se por pressão a força total exercida sobre um elemento de superfície dividido pela área da superfície. Para medir a pressão, utiliza-se um manômetro, que é um aparelho que produz uma mudança no indicador, tal como a posição, altura de uma coluna de líquido, ou mudança das propriedades elétricas de determinados circuitos, em resposta a uma mudança de pressão. Os métodos de medição de pressão podem ser divididos em três grupos: baseados nas medidas de altura de uma coluna contendo um fluido manométrico (manômetros de tubo em U); baseados nas medidas de deformação de uma câmara elástica de pressão (Tubo de Bourbon, Fole e Membrana); dispositivos sensores elétricos (Manômetros a deformação elástica) Um Manômetro Bourdon está esquematizado na Figura 6.2.1. Figura 6.2.1 - Manômetro tipo Bourdon. Fonte: http://www.automacaoindustrial.com/instrumentacao/pressao/elementos.php O manômetro de Bourdon é um tipo de manômetro na forma de um tubo metálico achatado e recurvado, fechado de um lado e ligado do outro na tomada da pressão a ser medida. Quando a pressão interna ao é aumentada, este tende a endireitar-se, puxando um sistema de alavancas ligado a um ponteiro, causando desta forma seu movimento. O zero será indicado no mostrador quando a pressão interna e externa forem iguais independentes do seu valor. Este tipo de manômetro em 29 função da sua própria construção medirá pressões em relação à pressão reinante no meio que o circunda, a qual normalmente é a pressão atmosférica. Vazão, uma das grandezas mais utilizadas na indústria, pode ser definida como a quantidade de material que passa por uma determinada seção num certo intervalo de tempo, ou seja, é o produto da velocidade pela área da seção por onde o material escoa. As aplicações são inúmeras, indo desde a medição de vazão de água em estações de tratamento e residências, até medição de gases industriais e combustíveis, passando por medições mais complexas como a vazão de sangue no sistema circulatório. A escolha correta de um determinado instrumento para medição de vazão depende de vários fatores. Dentre estes, pode-se destacar: • exatidão desejada para a medição • tipo de fluido: se líquido ou gás, limpo ou sujo, número de fases, condutividade elétrica, transparência, etc. • condições termodinâmicas: níveis de pressão e temperatura nos quais o medidor deve atuar (entre outras propriedades) • espaço físico disponível • custo, etc. A aferição de medidores de vazão é baseada em padrões de volume (comprimento) e tempo, no caso de vazão volumétrica, e massa e tempo, no caso de vazão mássica. No caso de líquidos, mede-se o tempo necessário para encher um volume conhecido ou volume acumulado em um dado tempo. Variando-se o volume e o tempo, pode-se atingir baixos níveis de incerteza experimental no procedimento de calibração. Entre os instrumentos de medição de vazão, destaca-se o rotâmetro, bastante usado em indústrias e laboratórios. Rotâmetro é um medidor de área variável e um dos fluxímetros de maior uso nas indústrias químicas. Além dos rotâmetros, utilizam-se outros instrumentos para a medição de vazão, tais como Tubo de Venturi, Tubo de Dall, Tubo de Pitot, Orifício, Bocal, Vertedor, Pistão Flutuante e Cotovelo Especial. Um rotâmetro (Figura 6.2.2) é constituído de um “flutuador” que pode se mover livremente na direção vertical, colocado num tubo cônico cujo diâmetro pouco varia com a abertura maior voltada para cima. O fluido entra por baixo do tubo e eleva o flutuador até que a área anular entre ele e as paredes do tubo seja suficiente para provocar uma queda de pressão capaz de suportá-lo. Os rotâmetros podem fazer medidas de gases e líquidos a alta e baixa pressão. 30 Figura 6.2.2 - Esquema básico de um rotâmetro Hidrômetro ou contador de água (Figura 6.2.3) é um instrumento de medição volumétrica de água, utilizado em larga escala pelas empresas de saneamento básico para medir o consumo dos seus clientes, permitindo a emissão das contas de acordo com o volume consumido por cada um. Além disso, ajuda a estimar as perdas entre a produção e a distribuição de água. Figura 6.2.3 - Esquema básico de um hidrômetro. 6.2.2.3 - MATERIAIS E MÉTODOS a) Materiais O módulo experimental é o mesmo utilizado na medição de vazão. manômetros, hidrômetro, bomba centrífuga, reservatório de água cronômetro, torneira, balança, becker, balde e proveta Haverá, também, um sistema de bombeamento com rotâmetro b) Métodos Colocar o módulo, ilustrado na Figura 6.2.4, em operação atentando para a seguinte seqüência: 31 Figura 6.2.4 – Módulo e esquema do sistema de medição de pressão e vazão. 1. Com as válvulas V3 e V4 totalmente abertas e as válvulas V1 e V2 fechadas, ligar a chave liga/desliga no quadro elétrico, gerando pressurização no sistema; 2. Abrir lentamente a válvula V2, gerando pressurização no sistema; 3. Após totalmente aberta, realizar a leitura nos manômetros M1 e M2 e no tubo em U, para a medição de pressão. Para a vazão, com auxílio de cronômetro, fazer a leitura no hidrômetro (1 L) e a coleta de um volume de água ao longo do tempo; 4. Pesar o recipiente onde coletou a água, verificar o volume em proveta e preencher os dados na Tabela 6.2.1; 5. Para a determinação dos outros pontos, ir fechando a válvula V2; 6. A última medida deve ser realizada com a válvula V 1 e V 2 parcialmente abertas, observando a possibilidade de cavitação no sistema; 7. Para desligar o equipamento feche totalmente a válvula V2 e, em seguida, desligue a chave liga/desliga. Com os dados obtidos das leituras, serão construídas tabela e curva de calibração do manômetro de Bourdon (M1) em relação ao manômetro de mercúrio. Um número mínimo de 5 pontos deve ser utilizado para a construção da curva de calibração de pressão. Paralelamente, também deve ser feita uma comparação entre o diferencial de pressão encontrado entre os manômetros (M1 – M2) e comparar-se-ão os valores de medição de vazão em hidrômetro, volumétrica e mássica. 32 Tabela 6.2.1 - Anotações de dados obtidos experimentalmente para pressão e vazão. ∆H mercúrio (cm) Bourdon (kgf/cm 2 ) Hidrômetro (L) Tempo (s) Massa (g) Volume (L) M1 M2 Vaso Total Para verificar outro instrumento de medida de vazão, o rotãmetro, será realizada a medida no sistema apresentado na Figura 6.2.5, de acordo com a seguinte operação: Figura 6.2.5 - Foto e esquema do sistema de bombas com rotâmetro. 1. Abrir totalmente as válvulas V 2 e V 4 e parcialmente a válvula V 7 ; 2. Ligar a bomba B 1 e abrir aos poucos a válvula V 1 ; 3. Ao estabilizar o sistema, realizar, simultaneamente, medidas em M 1 , M 2 e M 3 (se houverem), no rotâmetro RT 1 e coletar volume em tempo cronometrado; 4. Mudar a vazão, abrindo a válvula V 1 e realizar novas medidas; 5. Abrir a válvula V 8 e realizar novas medidas; 6. Fechar a válvula V 1 e desligar imediatamente a bomba B 1 ; 7. Fechar todas as válvulas Colocar em operação o sistema de bombeamento com rotâmetro e comparar as medidas de vazão no rotâmetro e na proveta ao logo do tempo, anotando os dados numa tabela. 33 6.2.3. CÁLCULOS Comparar os perfis dos instrumentos e a relação entre o valor teórico e o valor experimental. 6.2.4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BALBINOT, A.; BRUSAMARELLO, V. J. Instrumentação e Fundamentos de Medidas. 1ª edição. Rio de Janeiro: Editora LTC, 2007. Volume 2, 672 p. LIVI, C. P. Fundamentos de Fenômenos de Transporte. 1ª edição. Rio de Janeiro: Editora LTC, 2004. 224 p. RIBEIRO, M. A. Instrumentação. 8ª edição. Salvador: Tek Treinamento & Consultoria Ltda, 1999. 478 p. 34 6.3. DETERMINAÇÃO DA DENSIDADE E DA VISCOSIDADE 6.3.1. DETERMINAÇÃO DA DENSIDADE 6.3.1.1 - OBJETIVOS Dar conhecimento ao aluno da determinação experimental da densidade de uma mistura utilizando o método do picnômetro. Aplicar conceitos da teoria dos erros (erro e propagação de erros) no tratamento estatístico de medidas, comparando assim as estimativas de erros estatísticos com erros inerentes dos equipamentos utilizados no experimento. 6.3.1.2 - FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Os estados da matéria podem, de forma simplificada, ser agrupados em sólido, líquido e gasoso. Uma das propriedades macroscópicas que geralmente distingue esses três estados da matéria é a densidade ou massa específica. Densidade ou massa específica de uma substância é a quantidade de massa que ela contém por unidade de volume. As substâncias, na sua maioria, aumentam de volume quando aquecidas. Consequentemente, a densidade da maior parte das substâncias diminui quando elas são aquecidas. Em sua maioria, as substâncias contraem-se quando se solidificam, de maneira que a densidade de sólido é mais elevada que a densidade do líquido. A densidade tem diversas aplicações na engenharia, tais como: Cálculo da viscosidade cinemática; Cálculo da variação de pressão num fluido estático; Cálculo da taxa de variação de massa dentro de um volume de controle Cálculo da vazão líquida em massa saindo de uma superfície de controle. entre outras aplicações. De forma geral, se a substância é homogênea, então a sua densidade é a mesma em todos os pontos do volume que ocupa. A densidade depende do tipo de substância, mas é em geral influenciada pela temperatura e pela pressão. Para encontrar a densidade ρ de um corpo, isolamos um pequeno elemento de volume ΔV ao redor daquele ponto e medimos a massa Δm do fluido contido no elemento. A densidade é, portanto, dada pela razão V m ρ A A = Entretanto, vale lembrar que para os gases (fluidos incompressíveis), a densidade pode variar bastante. Define-se, assim, a densidade para um ponto em particular do fluido como sendo: 35 δV V V m lim ρ ÷ A A A = onde δV é o menor volume para os quais as médias estatísticas são significativas. Sabemos, contudo, que a matéria, embora constituída por átomos, é, na maioria dos estudos de engenharia, discreta de suas propriedades, o que nos permite tratá-la como uma comunidade, facilitando, assim, muitas de suas aplicações. Desse modo, para fluidos incompressíveis e sólidos, podemos considerar a densidade simplesmente como a razão de massa sobre volume. Um aparelho bastante utilizado na determinação da densidade de corpos sólidos ou líquidos é o picnômetro (Figura 6.3.1), que um pequeno frasco de vidro construído cuidadosamente de forma que o volume do fluido que contenha seja invariável. Ele possui uma abertura suficientemente larga e tampa muito bem esmerilhada perfurada na forma de um fino tubo capilar, munido de traço de referência e que pode conter, também, um termômetro. Em alguns casos, também pode possuir uma saída lateral. Figura 6.3.1 – Modelos de picnômetros. 6.3.1.3 – MATERIAL NECESSÁRIO proveta balança semi-analítica picnômetro água destilada solução de concentração conhecida termômetro 6.3.1.4 – CUIDADOS PRELIMINARES Não toque o picnômetro com os dedos (proteja-os com papel absorvente). Eliminar cuidadosamente as bolhas de ar que se aderem à superfície interna do picnômetro. Lavar muito bem o picnômetro na troca de líquidos, usando na última etapa da lavagem (sempre que possível) o líquido da pesagem seguinte. Secar o picnômetro externamente, evitando tocar na parte superior do mesmo (tampa). 36 Anotar a temperatura de trabalho. 6.3.1.5 – PROCEDIMENTO Tenha ciência de que os picnômetros existentes no laboratório não são precisos. Coloque a solução de trabalho em um becker e, com um termômetro, determine a temperatura. Escolha o picnômetro a ser usado e pese-o em balança semi-analítica, determinando m 1, a massa do picnômetro vazio. Retire-o da balança, com auxílio de papel macio, coloque um pouco líquido e o descarte. Este procedimento é denominado de rinsagem e visa adequar a vidraria à solução a ser recebida. Em seguida, preencha-o completamente e coloque, cuidadosamente, a tampa, secando com papel se necessário. Coloque a vidraria na balança e efetue a medição da massa da solução transferida vazio picnômetro picnômetro solução m m m ÷ = Finalmente, determina-se a densidade: solução solução solução V m ρ = m 1 a massa do picnômetro vazio m 2 a massa do picnômetro cheio com o líquido cuja densidade relativa se deseja determinar m 3 a massa do picnômetro cheio de água pura (na prática, água destilada) Assim, densidade relativa do líquido em questão é obtida a partir da equação: água líquido água líquido, m m ρ = onde: m líquido = m 1 -m 2 é a massa do líquido em questão que ocupa o volume V do picnômetro m água = m 3 -m 1 é a massa da água pura que ocupam o mesmo volume V. Faça esta medida ao menos 2 vezes, tanto para água quanto para a solução escolhida. 6.3.1.6 – AVALIAÇÃO DO ERRO Em qualquer medida experimental realizada, é necessário que tenhamos o conhecimento que fatores das mais diversas ordens podem interferir no resultado final a ser determinado. Tais desvios podem ter sido ocasionados devido a impurezas presentes na amostra, transferência de material de 37 um recipiente para outro, calibração dos instrumentos e, também, aproximação de resultados numéricos. A margem de erro pode ser determinada pela expressão a seguir: ( ) 100 . ρ ρ - ρ Erro % t abelado t abelado al experiment = A tabela de densidade de soluções existente no livro Perry’s Chemical Engineer’s Handbook apresenta, para uma faixa de temperatura de 25 a 40°C, as medidas de densidade das soluções. 6.3.2. DETERMINAÇÃO DA VISCOSIDADE 6.3.2.1. OBJETIVOS Apresentar a técnica experimental para a determinação da viscosidade de líquidos baseada num balanço de forças num capilar por onde escoa um fluido de densidade conhecida. 6.3.2.2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA A viscosidade pode ser definida como uma propriedade capaz de medir a resistência do fluido à deformação provocada por forças tangenciais, ou seja, a resistência ao cisalhamento (GOMIDE, 1993). Será analisada aqui somente a classe de fluidos a qual pode ser aplicada a Lei de Newton da Viscosidade, Equação 1, ou seja, fluidos para os quais o tensor densidade de fluxo de quantidade de movimento τ é proporcional à taxa de deformação. Tal classe compreende todos os gases e líquidos homogêneos não-poliméricos, que são chamados fluidos "newtonianos". A Figura 6.3.2 apresenta curvas reológicas para diversos tipos de fluidos. Figura 6.3.2 - Curvas reológicas para diversos tipos de fluidos. 38 Para um fluido newtoniano escoando em estado estacionário e regime laminar num duto de seção circular, a equação de Newton da viscosidade se reduz a: dr dv z rz µ t ÷ = (1) onde τ rz é a tensão de cisalhamento (ou densidade de fluxo de quantidade de movimento) em r, v z a velocidade do fluido na direção do escoamento e μ a viscosidade do fluido. O método do viscosímetro capilar baseia-se na aplicação da Lei de Newton da Viscosidade na parede do duto (em r = R), logo: R z R rz dr dv µ t ÷ = (2) 0 t t = rz (3) Para a determinação de μ é, portanto, necessário expressar τ rz e dv z /dr em termos de grandezas mensuráveis. A tensão de cisalhamento (τ rz ) é facilmente determinada em r = R a partir de um balanço de forças ao longo de um comprimento L do duto (ver Figura 6.3.3). Neste caso: 0 2 2 t t t RL R P = A (4) (força de pressão) (força de atrito na parede) onde ∆P é a diferença de pressão piezométrica em L e τ 0 a tensão na parede. Portanto: L PR 2 0 A = t (5) Figura 6.3.3 - Balanço de forças em um duto de seção circular. 39 O gradiente de velocidades, , pode ser calculado a partir do perfil de velocidades do fluido em regime laminar (capítulo 2, BIRD, 1960). ( ( ¸ ( ¸ | . | \ | ÷ = 2 2 1 2 R r R Q v z t (6) onde Q é a vazão volumétrica do fluido. L R P Q µ t 8 4 A = (7) Nesse caso: 3 4 R Q dr dv R r z t = ÷ = (8) Portanto, a partir da razão entre as equações (5) e (8), obtém-se a viscosidade do fluido. Do ponto de vista experimental e didático, é preferível plotar a equação (5) versus a equação (8) para vários valores de ΔP e Q, obtendo-se a curva reológica do fluido em questão. Uma reta passando pela origem confirmará que o fluido testado é realmente newtoniano, cuja viscosidade é dada pela sua tangente (ver Figura 6.3.4). Caso a curva reológica não seja uma reta, o fluido é não-newtoniano e para o mesmo não tem sentido físico o termo viscosidade. Esta classe de fluidos não será tratada aqui. Figura 6.3.4 - Curva reológica de um fluido newtoniano. 6.3.2.3. MATERIAIS E MÉTODOS a) Materiais Este arranjo experimental (esquematizado na Figura 6.3.5), de fácil construção para determinação do comportamento reológico, foi proposto por MASSARANI (1981) e consiste 40 basicamente de um frasco de Mariotte ao qual se acopla um tubo plástico flexível pelo qual se faz escoar o fluido. Variando-se a altura da posição de saída do tubo e medindo-se a vazão volumétrica e a queda de pressão correspondente, obtém-se o diagrama reológico. Figura 6.3.5 - Esquema experimental de um viscosímetro capilar. Além do frasco de Mariotte serão utilizados becker, cronômetro, balança analítica, régua, suporte, água e uma solução com viscosidade desconhecida. b) Métodos A preparação desta prática é feita na seguinte seqüência: 1. Conhecer a largura e o diâmetro do capilar a ser utilizado. 2. Vedar o capilar com uma presilha. 3. Colocar água destilada no frasco de Mariotte em quantidade suficiente para os experimentos e verificar se não há vazamentos. 4. Permitir que a água escoe pelo capilar para ambientá-lo. 5. Pesar o recipiente no qual se coletará a amostra. 6. Definir o ΔH que será usado para coleta do volume. Observação: pode-se, também, definir com parâmetro fixo o tempo t e se medir o volume. Este volume deve ser pesado em balança de precisão. 7. Coletar 5 pontos e anotar na Tabela 6.3.1. 41 8. Repetir o mesmo procedimento para a determinação da viscosidade da amostra desconhecida e anotar na Tabela 6.3.2. A densidade da amostra desconhecida, foi determinada experimentalmente a partir do picnômetro. Tabela 6.3.1 - Dados Experimentais para água destilada. Becker ΔH (cm) Massa (g) (becker) Massa (g) (Becker + Água) Tempo (s) 1 2 3 4 5 Tabela 6.3.2 - Dados Experimentais para a solução de viscosidade desconhecida. Becker Δh (cm) Massa (g) (becker) Massa (g) (Becker + Amostra) Tempo (s) 1 2 3 4 5 Como primeiro passo, determina-se o diâmetro do capilar utilizando um fluido de densidade e viscosidade conhecidas (água). Para este caso, da equação de Hagen-Pouseville, Equação ( 9 ), vem: 4 / 1 128 2 | . | \ | A = = P LQ R D t µ (9) Reescrevendo a Equação (9) em termos da vazão mássica, m =ρQ e de ΔP =ρgΔh 4 / 1 128 | | | | | . | \ | A ( ¸ ( ¸ = H g m L D tµ µ µ (10) O diâmetro do capilar é, portanto, determinado como a média dos valores obtidos para as vazões m medidas para várias alturas ΔH. 42 A partir do cálculo de D, é determinada a curva reológica conforme Figura 6.3.4, , para a solução com viscosidade desconhecida. O valor da viscosidade (μ) é calculado a partir do coeficiente angular da reta. Neste caso: H L gD A = 4 0 µ t (11) m D dr dv R r z µ t 3 32 = ÷ = (12) 6.3.3. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BIRD, R.B.; STEWART, W.E.; LIGHTFOOT, E.N. Transport Phenomena. 2ª edição. New York: John Wiley & Sons, 2007, 897 p. BENNET, C. O. & MYERS, J. E.; Fenômenos de Transporte. McGraw Hill do Brasil, 1978. GOMIDE, R. Fluidos na Indústria – Operações Unitárias (Vol. II), Edição do autor, 1993. MASSARANI, G. Revista do Ensino de Física, 3 (2): 39-48, 1981. PERRY, R.H & GREEN, D. Chemical Engineers Handbook. 6ª edição. New York: McGraw Hill, 1984. SISSON, L.E. & DONALDS, R.P. Fenômenos de Tranporte. Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 1979. VENNARD J. K. & STREET, R.L. Elementos da Mecânica dos Fluidos, Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 1978. WELTY, J.; WICKS, C.; WILSON, R. Fundamentals of Momentum,Heat and Mass Transfer. 2ª edição. New York: John Wiley & Sons, 1976. 43 6.4. DETERMINAÇÃO DA QUALIDADE DO COMBUSTÍVEL E PROPORÇÃO (GASOLINA x ÓLEO) 6.4.1. OBJETIVOS Permitir que o aluno avalie a qualidade da gasolina a partir da determinação da densidade e conheça o teor de álcool etílico hidratado presente no combustível. 6.4.2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA A qualidade dos combustíveis é definida por um conjunto de características físicas e químicas previstas nas Normas Brasileiras (NBR) e Métodos Brasileiros (MB) da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) e de normas da American Society for Testing and Materials (ASTM). A especificação estabelecida pela ANP, conforme a Lei nº 9.478/1997, determina valores- limites para essas características, de modo a assegurar o desempenho adequado dos combustíveis. É função da ANP regular a qualidade dos produtos derivados de petróleo por meio de regras estabelecidas em portarias, instruções normativas e resoluções, em conformidade com a legislação e com a Política Energética Nacional. O objetivo destas atividades é proteger a sociedade quanto à adequação dos combustíveis ao uso e ao meio ambiente, considerando a realidade nacional. O combustível que não esteja de acordo com as especificações estabelecidas pelas Portarias e Resoluções da ANP pode danificar o motor e outros componentes do veículo, mesmo que o problema seja percebido a longo prazo, quando se torna impossível demonstrar quando e como o dano foi causado. Entre outros possíveis prejuízos causados ao veículo pelas adulterações estão o rendimento insatisfatório do veículo, a perda de potência do motor e o aumento do consumo. Além disso, as adulterações podem elevar o nível da contaminação ambiental por gases e partículas poluentes. 6.4.3. MATERIAIS Becker Proveta de 100 mL com boca e tampa esmerilhada Densímetro Tabela de correção de densidades e volumes Tabela de verificação do teor alcoólico Como reagente, utiliza-se a solução aquosa de cloreto de sódio a 10% 44 6.4.4. ESPECIFICAÇÕES As especificações para a gasolina são: Aspecto: límpido e isento de impurezas Cor: pode variar de incolor a amarela (gasolina C) ou verde, quando aditivada Massa específica: a massa especifica da gasolina a 20ºC (gasolina C e aditivada) não é especificada pela ANP e situa-se normalmente entre 0,73 e 0,77 Teor de álcool anidro (AEAC): O percentual de AEAC na gasolina atualmente é de 23% + 1 (percentual vigente em dezembro de 2006; ver legislação em vigor) As especificações para o álcool etílico hidratado combustível (AEHC) são: Aspecto: límpido e isento de impurezas Cor: incolor Massa específica a 20º C: 0,805-0,8110 g/mL. Teor alcoólico: 92,6º INPM (mínimo) a 94,7º INPM (máximo) Massa específica a 20º C com mistura de até 3% de gasolina: 0,805-0,811 g/mL 6.4.5. PROCEDIMENTO PARA O TESTE DO TEOR DE ÁLCOOL NA GASOLINA 1º PASSO: colocar 50 mL da amostra na proveta de 100 mL, previamente limpa, desengordurada e seca. 2º PASSO: adicionar, cuidadosamente, a solução de cloreto de sódio a 10%, deixando a mesma escorrer pelas paredes internas da proveta até completar o volume de 100 mL. 3º PASSO: tampar e inverter a proveta para completar a extração do álcool para a fase aquosa (álcool na água) pelo menos seis vezes, evitando a agitação enérgica. 4º PASSO: deixar repousar por quinze minutos ou até a separação completa das duas camadas. 5º PASSO: anotar o aumento da camada aquosa, em mililitros. A gasolina, de tom amarelado, ficará na parte de cima da proveta e a água e o álcool, de tom transparente, na parte inferior, conforme Figura 6.4.1. O aumento em volume da camada aquosa (álcool e água) será multiplicado por 2 e adicionado mais 1, ou seja: 1 2A V + = (1) onde: V = percentual em volume de AEAC na gasolina. A = aumento da camada aquosa. 45 Figura 6.4.1 – Ilustração do procedimento de determinação do % de álcool na gasolina ATENÇÃO: O percentual obrigatório de álcool na gasolina comum é fixado pelo Conselho Interministerial do Açúcar e do Álcool (CIMA) e pelo Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento. De acordo com a Lei 10.203, de 22/02/2001, o percentual pode ser elevado até o limite de 25% ou reduzido a 20% 6.4.6. PROCEDIMENTO PARA O TESTE DA MASSA ESPECIFICA DA GASOLINA A 20º C 1º PASSO: colocar a amostra de gasolina em um becker 2º PASSO: conectar o tubo ao densímetro 3º PASSO: mergulhar o tubo plástico limpo e seco no becker, ligar o densímetro e realizar a medição, anotando a densidade e a temperatura. 4º PASSO: consultar a Tabela de Conversão das Densidades da Gasolina. Esta tabela converte a densidade para 20º C. 6.4.7. PROCEDIMENTO PARA O TESTE NO ÁLCOOL ETÍLICO HIDRATADO COMBUSTÍVEL (AEHC) 1º PASSO: colocar a amostra de álcool em um becker 2º PASSO: conectar o tubo ao densímetro 3º PASSO: mergulhar o tubo plástico limpo e seco no becker, ligar o densímetro e realizar a medição, anotando a densidade e a temperatura 4º PASSO: consultar a Tabela de Conversão. Esta tabela fornece o teor alcoólico e a massa especifica a 20º C. Observação: se fosse utilizado o densímetro de massa específica para derivados de petróelo (escala de 0,750 a 0,800 e de 0,700 a 0,750), colocar-se-ia a amostra em uma proveta de 1000 mL limpa e 46 seca, imergiria lentamente o densímetro e efetuava a leitura após o mesmo atingir o ponto de equilíbrio. A temperatura seria determinada com o auxílio de um termômetro. 6.4.8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Associação Brasileira de Normas Técnicas. Determinação da Massa Específica e do Teor Alcoólico do Álcool Etílico e suas Misturas com Água. Rio de Janeiro. ABNT, NBR – 5992. Jul., 1966. Portal SINCOPETRO. Manual de testes de combustíveis. Disponível em: http://www.sincopetro.org.br/conteudo.asp?xmenu=121 Acesso em: 20 de julho de 2009. Só Posto. Procedimentos para testes de qualidade de combustíveis. Disponível em: http://www.soposto.com.br/Arquivos/Catalogos/manualtestecombustivel.pdf Acesso em: 24 de janeiro de 2012. 47 6.5. BALANÇO DE MASSA 6.5.1. OBJETIVOS Permitir ao aluno reconhecer um processo em batelada, escrever o seu balanço de material e sua correlação com o princípio de conservação de massa. 6.5.2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA A natureza impõe certas restrições às transformações químicas e físicas de matéria, que precisam ser levadas em conta quando projetamos um novo processo ou analisamos um já existente. Uma dessas restrições é o princípio da conservação da massa ou Princípio de Lavosier, segundo o qual nada pode ser criado ou destruído, apenas transformado (a menos das reações nucleares). Para relacionar as quantidades de matéria envolvidas em um dado processo, o engenheiro realiza um balancete ou uma contabilidade das massas totais e de cada componente, tendo em mente o princípio da conservação da massa. Esta técnica é chamada de balanço de massa ou de material. A preparação de uma vitamina em um liquidificador é um exemplo de processo em batelada, onde a alimentação é introduzida no sistema de uma só vez, no início do processo, e todos os produtos são retirados algum tempo depois. Também, nenhuma massa atravessa a fronteira do sistema no intervalo de tempo decorrido entre a alimentação e a remoção dos produtos. São comumente utilizados quando quantidades relativamente pequenas de um produto necessitam ser produzidas. Num processo contínuo, a alimentação e os produtos fluem continuamente enquanto dura o processo, havendo contínua passagem de matéria através das fronteiras do sistema. Um exemplo deste tipo de processo é o bombeamento de uma mistura de líquidos a uma vazão constante, num tanque, e retirada dos produtos na mesma vazão constante. Industrialmente, esse é o caso do evaporador de suco de laranja. Em processos semi-contínuos, a entrada de material é praticamente instantânea e a saída é contínua, ou vice-versa, havendo a passagem contínua de matéria através de uma única fronteira (entrada ou saída) do processo. Como exemplo, citam-se: a) adição contínua de líquidos em um tanque misturador, do qual nada é retirado. b) escape de gás de um bujão pressurizado. c) tanque de combustível. Um balanço (ou contabilidade) de massa de um sistema (uma única unidade, várias unidades ou o sistema como um todo) pode ser escrito na seguinte forma geral: SAI = ENTRA + GERADO - CONSUMIDO - ACUMULADO (através da fronteira) (através da fronteira) (dentro do sistema) (dentro do sistema) (dentro do sistema) 48 Os cálculos de balanço de material podem ser realizados em qualquer base conveniente de quantidade de matéria ou de fluxo de matéria e, posteriormente, alterados para uma escala desejada. O primeiro passo no procedimento de um balanço é escolher uma quantidade (mássica ou molar) ou vazão (mássica ou molar) de uma corrente ou de um componente de uma corrente como uma base de cálculo. Todas as variáveis desconhecidas de uma corrente serão, então, determinadas relativas a base escolhida. Se uma quantidade ou vazão é fornecida, é mais conveniente utilizá-lo como base de cálculo; todos os cálculos subseqüentes fornecerão automaticamente os valores corretos para o processo. Se nenhuma quantidade ou vazão é conhecida, deve-se assumir uma. Neste caso, escolhe- se uma quantidade de uma corrente com composição conhecida. Se a fração fornecida for molar, escolhe-se uma quantidade (ou vazão) molar, via de regra 100 moles, caso contrário escolhe-se uma quantidade mássica. Também nesse caso o número mais indicado é 100 (100 kg; 100g, 100 lbm, etc.). Sorvetes são alimentos enquadrados na categoria de gelados comestíveis. São produtos alimentícios obtidos a partir de uma emulsão de gorduras e proteínas, com ou sem adição de outros ingredientes e substâncias que tenham sido submetidas ao congelamento, em condições que garantam a conservação do produto no estado congelado ou parcialmente congelado durante a armazenagem, o transporte e a entrega ao consumo (ANVISA, 2009). A elaboração de sorvete inicia com a mistura de ingredientes, previamente pesados e dosados, de acordo com uma formulação. A posterior homogeneização dessa mistura, aliada à pasteurização, traz vários efeitos benéficos na qualidade do produto final: destruição de microorganismos patogênicos, distribuição uniforme dos glóbulos de gordura, cor mais brilhante e atraente, maior resistência à oxidação, aumento da viscosidade e facilidade de batimento e aeração. Em seguida, a calda formada sofre um resfriamento rápido, seguido de um período de maturação sob refrigeração. O batimento aliado ao congelamento é uma das etapas que mais influem na qualidade do sorvete final. Quanto menor for a temperatura de congelamento, maior proporção de água se congelará, com maior número de pequenos cristais. O ar incorporado durante o batimento, comumente chamado overrun, torna o sorvete leve, macio e saboroso (RODRIGUES et al., 2006) Segundo a portaria 379, de 26/04/99, da ANVISA, a densidade aparente do sorvete (massa padrão pote de 2 L) é definida como a medida do ar incorporado ao sorvete (overrun) mediante batimento). O valor mínimo para a densidade aparente é de 475 g/L de sorvete. A densidade do leite é uma relação entre seu peso e volume e é normalmente medida a 15°C ou corrigida para esta temperatura. Em média, a densidade é 1,032 g/mL, podendo variar de 1,023 a 49 1,040 g/mL. A densidade da gordura do leite é aproximadamente 0,927 e a do leite desnatado é, aproximadamente, 1,035 g/mL. De acordo com a ANVISA, chocolate é o produto preparado com cacau obtido por processo tecnológico adequado e açúcar, podendo conter outras substâncias alimentícias aprovadas. O achocolatado em pó é uma mistura de ingredientes na forma de pós, que após passar por processamento adequado, resulta em um produto ideal para saborizar e enriquecer o leite, além de incrementar outros pratos e bebidas preparados em casa. Sua composição confere aos alimentos um excelente sabor e cor típicas do chocolate, além de fornecer vitaminas essenciais ao desenvolvimento humano. Todo fabricante tem, para cada um de seus produtos, uma formulação própria, onde a proporção dos ingredientes varia conforme o produto final. De acordo com o Instituto de Tecnologia do Paraná (TECPAR), a densidade específica aparente do cacau em pó (cocoa, cocoa powder ou chocolate powder foram as palavras-chave usadas na busca) está entre 0,55 e 0,56 dependendo da umidade e da granulometria do alimento (geralmente 200 mesh). 6.5.3. MATERIAIS liquidificador balança semi-analítica colher becker e proveta copo plástico chocolate, leite e sorvete 6.5.4. PROCEDIMENTO serão 2 os experimentos realizados. Um com sorvete de creme, leite e chocolate em pó e outro com sorvete de chocolate e leite. quantificar e anotar os materiais utilizados no preparo do milk shake, através de pesagem em balança; pesar e anotar o copo do liquidificador limpo e seco; adicionar ao liquidificador os materiais necessários; bater a mistura e, em seguida, pesar o copo do liquidificador; aproveitar e degustar o experimento. 50 6.5.5. EXIGÊNCIAS PARA O RELATÓRIO elaborar o fluxograma dos 2 experimentos comparar os valores experimentais com a lei de conservação de massa, avaliando se há perdas no processo. 6.5.6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANVISA - AGÊNCIA NACIONAL DE VIGILÂNCIA SANITÁRIA. Portaria n° 379, de 26 de abril de 1999. Disponível em: www.anvisa.gov.br. Acesso em: 08 de abril de 2009. FELDER, R. M., ROUSSEAU, R.W., Princípios Elementares dos Processos Químicos, 3 a edição, Rio de Janeiro: Editora LTC, 2005. RODRIGUES, A.P.; FONTANA, C. V.; PADILHA, E.; SILVESTRIN, M.; MARQUEZAN AUGUSTO, M. M. Elaboração de sorvete sabor chocolate com teor de gordura reduzido utilizando soro de leite em pó, Rio Grande: Vetor, 2006. 16(1/2): 55-62. 51 6.6. EXPERIÊNCIA DE REYNOLDS 6.6.1. OBJETIVOS O experimento tem como objetivo visualizar os diferentes tipos de escoamento, laminar, transicional e turbulento, bem como determinar experimentalmente o número de Reynolds para um fluido líquido em tubo cheio e determinar seus valores limites. Comparar o padrão de escoamento observado experimentalmente com as previsões da literatura. 6.6.2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA O número de Reynolds relaciona forças de inércia e forças de viscosidade, sendo parâmetro primário na determinação do regime (laminar ou turbulento) de escoamentos internos, ou seja, em tubos, dutos, bocais, difusores, contrações e expansões repentinas, válvulas e junções. Um escoamento bem ordenado, onde “camadas” de fluido deslizando uma sobre as outras paralelamente é considerado como um escoamento laminar. Um escoamento com flutuações irregulares, onde as partículas percorrem trajetórias erráticas que se entrecruzam formando uma série de minúsculos remoinhos, é tido como um escoamento turbulento. Osborne Reynolds realizou pela primeira vez essa experiência, publicada em 1883, demonstrando a existência dos dois modos de escoamento e fixando o critério que determina se o escoamento é laminar ou turbulento. A experiência consiste essencialmente em se fazer escoar, com vazão constante, um fluido líquido através de um tubo e injetar tinta no escoamento. A vazão é controlada por uma válvula na extremidade do tubo e quando a válvula está ligeiramente aberta, a tinta escoa pelo tubo sem ser perturbada formando um filete e mostrando a natureza ordenada do escoamento. À medida que a válvula é aberta, atinge-se uma condição em que a tinta adquire um movimento oscilatório à proporção que caminha pelo tubo, ficando o filete completamente desfeito, mostrando um aumento na turbulência. Através de suas experiências, Reynolds verificou que o parâmetro de escoamento que determina o tipo de escoamento é o grupamento adimensional. µ µ D v. . Re = onde: v = velocidade média do escoamento [vazão/área] (m/s) ρ = massa específica do fluido (kg/m 3 ) D = diâmetro do tubo (m) 52 μ = viscosidade dinâmica do fluido (N.s/m 2 ) Reynolds observou que a transição do escoamento laminar para o turbulento ocorre entre 2000 < Re < 3000, embora com grande cuidado se possa manter o escoamento laminar, em um tubo, para Re até 100000. Escoamentos de interesse para a Engenharia possuem uma transição em torno de Re ≈ 2300 e abaixo deste pode existir apenas escoamento laminar; daí em diante, ocorre a transição e turbulência completa. Esse número de Reynolds (2300) é, então, denominado número de Reynolds Crítico (Re c ). É importante observar que escoamentos laminares e turbulentos ocorrem em outras geometrias (exemplo: escoamento em torno de objetos) sendo que para esses casos outros números de Reynolds podem ser definidos, e os valores dos Reynolds críticos serão diferentes de 2300. É importante o conhecimento do regime de escoamento, pois como veremos no decorrer do curso, as equações que descrevem o escoamento são completamente diferentes para os dois tipos de escoamento. A representação dos escoamentos é ilustrada na Figura 6.6.1. Figura 6.6.1 – Perfil dos escoamentos 53 A quantidade de turbulência influi diretamente no dimensionamento de tubulações, sendo usado no cálculo de perda de carga, no ângulo de curva dos tubos, na escolha do tipo de válvulas e conexões e nas estimativas de rompimento e potência de bombas. Medidores de escoamentos internos com redução de seção também incorporam o número de Reynolds para aumentar a precisão. Embora escoamentos internos de interesse para a Engenharia sejam turbulentos, o escoamento laminar pode ser importante em certas aplicações, tais como lubrificação ou processos químicos de escoamento. Enquanto no escoamento laminar o desenvolvimento das equações é baseado em métodos matemáticos exatos (tais como soluções analíticas de equações diferenciais), para o caso do regime turbulento se faz uso, normalmente, de métodos empíricos (tal como a análise dimensional acoplada a dados experimentais), por ser um escoamento de difícil descrição matemática (pela sua natureza aleatória). 6.6.3. MATERIAIS E MÉTODOS O esquema da aparelhagem está ilustrado na Figura 6.6.2. Antes de iniciar o experimento, realizar a medição do diâmetro da tubulação com o auxílio de um paquímetro e considerar que a espessura da parede do tubo é de 1 mm. Para a realização deste experimento, deve-se colocar o módulo em operação atentando para a seguinte seqüência: 1. Encher o tanque reservatório de água; 2. Quando o nível de água no tanque estiver constante, abrir a válvula de alimentação do corante; 3. Abrir, lentamente, a válvula de controle de fluxo do tubo cilíndrico; 4. Medir a temperatura do fluido; 5. Quando o corante apresentar escoamento constante, medir a vazão do fluido na saída do tubo cilíndrico, pelo método volume/tempo, com o auxílio de Becker, proveta e cronômetro. Repetir ao menos mais uma vez e encontrar um valor médio. 54 Figura 6.6.2 - Módulos de Reynolds. Este procedimento deve ser repetido para vazões crescentes, pela abertura cuidadosa da válvula de controle de fluxo, tomando-se o cuidado de observar a transição do regime laminar para o turbulento através do escoamento do corante, preenchendo os dados da Tabela 6.6.1. Com as medidas experimentais de volume, tempo e diâmetro interno do tubo, calcula-se a velocidade média do fluido e posteriormente o número de Reynolds. Tabela 6.6.1 - Determinações experimentais de escoamento da água em módulo de Reynolds. Diâmetro do tubo (mm) Tempo (s) Volume (mL) Vazão (m 3 /s) Reynolds 6.6.4. RELATÓRIO Apresentar os resultados em forma de tabela ou gráfico e compará-los com a literatura. Obter as propriedades necessárias na literatura (massa específica e viscosidade da água), na temperatura do experimento. Concluir os resultados obtidos e a importância do experimento. 55 6.6.5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BENETT, C. O.; MYERS, J. E.; Fenômenos de Transporte – Quantidade de Movimento, Calor e Massa. São Paulo: Editora Mc Graw-Hill do Barsil, 1978, 811 p. BRUNETTI, FRANCO, Mecânica dos Fluidos. 2ª edição, São Paulo: Editora Pearson Prentice Hall, 2008. FOX, R.W.; MCDONALD, A. T.; PRITCHARD, P. J. Introdução à mecânica dos Fluidos. 6ª edição, Rio de Janeiro: Editora LTC, 2004, 816 p. GOMIDE, R., Fluidos na Indústria – Operações Unitárias (Vol. II), 1993. SISSON, L. E.; PITTS, D. R.; Fenômenos de Transporte, 1ª edição. Rio de Janeiro: Editora Guanabara Dois, 1979, 758 p. 56 6.7. DETERMINAÇÃO DA PERDA DE CARGA EM TUBULAÇÕES 6.7.1. OBJETIVOS O experimento tem como objetivo estudar a perda de carga em uma tubulação contendo singularidades, em dois sistema simples, um fixo e outro móvel, a partir de medidas manométricas. 6.7.2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA O transporte de fluidos tem aplicação em inúmeras atividades e, por isso, o estudo de seus fenômenos é de grande interesse. Muitas vezes o aluno de Engenharia Química fica confuso em meio a tantos conceitos distintos, por isso aliar a teoria relacionada a esses fenômenos à prática pode vir a ser uma solução vitoriosa. No escoamento de um fluido real através de um duto são considerados vários fatores que levam à perda de energia mecânica: o atrito na parede do tubo, sua viscosidade e as variações no diâmetro do duto, velocidade e pressão do fluido. Parte da energia potencial do fluido é transformada em outros tipos de energia, como o calor, e a esta diferença se dá o nome de perda de carga (MILIAVACA et al., 2004). A obtenção da perda de carga em uma linha contendo singularidades será obtida a partir de medidas manométricas em um sistema simples. Singularidades são elementos de uma tubulação que têm finalidades específicas, tais como mudar a direção do escoamento, medir ou, ainda, alterar a velocidade do fluido. São exemplos desses elementos as válvulas, os joelhos, as curvas longas, as reduções, os medidores de vazão, entre outros. Tais elementos apresentam uma perda de carga localizada, discrepante com relação aos trechos de tubos retos adjacentes. Para relacionar os diversos tipos de energia envolvidos num sistema onde há escoamento, admitindo regime permanente, é necessário explicitar diversas hipóteses, tais como: 1. as propriedades do fluido em qualquer ponto do sistema, assim como a velocidade, são grandezas invariantes com o tempo 2. as vazões ponderais das correntes afluentes e efluentes são constantes 3. as taxas de adição de calor e de produção de trabalho são constantes O balanço de todas as energias no sistema de escoamento, de acordo com o princípio de conservação da energia, pode ser escrito como: [energia interna + energia cinética + energia potencial + energia de transporte do fluido + calor] entrada = [energia interna + energia cinética + energia potencial + energia de transporte fluido + trabalho] saída ' W w V P w g g z w g 2 v w E w Q' w V P w g g z w g 2 v w E w f 2 2 c 2 c 2 2 2 1 1 c 1 c 2 1 1 + + + · + = + + + · + (1) 57 O somatório dos termos no lado esquerdo da Equação representa a energia transferida para o sistema e os termos que estão no lado direito significam a energia transferida do sistema para as vizinhanças, onde: E = energia interna, propriedade intrínseca do fluido zg/g c = energia potencial devido à posição do fluido em relação ao plano horizontal de referência v 2 /(2 g c ∞) = energia cinética devido ao movimento do fluido P V = energia de volume transportada pelo fluido em conseqüência de ser introduzido no sistema Q’ = calor absorvido pelo material escoante sobre as vizinhanças W f ’ = trabalho realizado pelo material escoante sobre as vizinhanças w = vazão ponderal Para qualquer fluido real, o trabalho realizado contra o atrito do fluido provocará dissipação de energia mecânica, a qual aparece na forma degradada de calor, podendo ser absorvida pelo próprio fluido. Por isso, nem todo o trabalho efetuado pelo fluido é transferido para as vizinhanças. A energia perdida em virtude do atrito, ∑F, aparece no fluido sob a forma de calor, de modo que o calor total absorvido pelo fluido é: ¿ + = F Q' Q (2) onde: Q = calor absorvido pelo fluido ∑F = atrito total no fluido Assim, exprimindo a Equação 1 na forma de diferenças finitas e se levando em consideração o atrito do fluido, tem-se que: ( ) ' W Q V P g g z g 2 v E f c c 2 + ÷ = A + A + · A + A ¿ F (3) Pela 1ª lei da termodinâmica, temos: W Q E ÷ = A (4) onde: W é definido por: } = dV P W (5) A Equação 3 pode ser dada por: 58 ' W dV P g g z g 2 v f c c 2 = + + A + · A ¿ } F (6) Admitindo que num escoamento: as propriedades do fluido assim como a velocidade são grandezas invariantes; as vazões ponderais são constantes (afluentes e efluentes); as taxas de adição de calor e de produção de trabalho são constantes; que o trecho em estudo é depois da bomba; a energia potencial é desprezível, pois a distância entre os pontos é mínina. a Equação 6 toma a forma: 0 g 2 v c 2 = + A + A ¿ F P µ (7) permitindo o cálculo da perda de carga teórica do sistema. A energia do atrito ou perda de carga (∑F) é classificada em perda de carga contínua (∑F A ) e perda de carga localizada (∑F L ), sendo a primeira considerada ao longo da tubulação (distribuída) e a outra, devido à presença de acessórios (ou singularidades) em pontos particulares da tubulação. ¿ ¿ ¿ + = L A F F F (8) A perda de carga contínua é a perda de carga por atrito ao longo da tubulação. Admite-se que a mesma seja uniforme em qualquer trecho de uma tubulação de dimensões constantes. Esta perda de carga varia com a velocidade média de escoamento, com o diâmetro, comprimento e rugosidade do tubo, com a densidade e viscosidade do fluido, e também depende das condições de escoamento (regime laminar ou turbulento). A análise dimensional indica uma relação conhecida como Fórmula Universal de Perda de Carga, para condutos de seção circular apresenta-se como: D g L f F c A 2 v 2 = ¿ (9) onde: f = fator de atrito; v = velocidade média de escoamento; L = comprimento reto da tubulação; g c = aceleração da gravidade; D = diâmetro do tubo. 59 A perda de carga localizada ∑F L (ou singulares), são as perdas causadas por componentes adicionais no trecho reto (válvulas, cotovelos e outros). Normalmente são determinadas experimentalmente e, para a maioria dos componentes, são fornecidas na forma adimensional. A perda de carga correspondente é calculada pela expressão: c L g K F 2 v 2 = ¿ (10) onde, K é obtido experimentalmente. Assim, a perda de carga total, correspondente aos dois tipos de perdas (contínua e localizada) que podem ocorrer durante o escoamento de um fluido, pode ser calculada pela seguinte expressão: D g L f F c 2 v 2 ¿ ¿ = (11) onde ¿ ¿ + = eq L L L , sendo L o comprimento da seção reta e ∑L eq o somatório de todos os acessórios presentes na tubulação. Tais valores podem ser calculados com o auxílio da tabela contida no Apêndice C do livro de FOUST. 6.7.3. METODOLOGIA A Figura 6.7.1 mostra um desenho esquemático do dispositivo experimental fixo. O sistema é bastante simples e consta, basicamente, de tubulações em PVC contendo algumas singularidades, tais como reduções, joelhos, curvas longas e válvulas. O método experimental consiste em alimentar o sistema com água, cuja vazão é controlada por um jogo de válvulas e medida em um hidrômetro instalado na linha. Fixada uma vazão, anotar a leitura nos manômetros tubo em U e Bourdon, bem como o valor da vazão correspondente. Este procedimento deve ser repetido para cinco vazões. O Quadro 6.7.1 fornece os diâmetros internos dos tubos, bem como o comprimento total das partes retas dos tubos. Quadro 6.7.1 – Diâmetros internos e comprimentos dos tubos retos. Tubo Diâmetro interno (cm) Comprimento total dos trechos retos (cm) 1” 2,7 206 ¾” 2,0 152,5 ½” 1,6 312 60 Figura 6.7.1 - Sistema experimental fixo para cálculo de perda de carga. O procedimento para a determinação da perda de carga é semelhante ao realizado para as medições de pressão e vazão, cujos dados experimentais a serem obtidos devem preencher a Tabela 6.7.1. Tabela 6.7.1 – Determinações experimentais para o cálculo da perda de carga em uma tubulação com singularidades. ∆H mercúrio (mm) Tempo (s) Leitura do Hidrômetro (L) Volume (L) Vazão (m 3 /s) Hidrômetro Volumétrica O sistema móvel de determinação da perda de carga é ilustrado na Figura 6.7.2. Um dos seus diferenciais é a leitura pelo manômetro, visto que um sistema menor permite a leitura pontual, e rotâmetro. Os passos são apresentados a seguir: 61 1. Com as válvulas V1, V2 e V3 totalmente fechadas, liga-se a bomba B1, gerando pressurização no sistema; 2. Logo em seguida, abre-se lentamente a válvula V1 para retirar o ar da bomba. Retirado o ar, a válvula V1 é totalmente aberta e a válvula V2 é aberta lentamente, gerando pressurização no sistema; 3. Com a válvula V2 totalmente aberta, abre-se a válvula V3 lentamente e são anotados os valores registrados pelos manômetros, simultaneamente ao valor registrado no rotâmetro, enquanto se coleta certo volume de água após a válvula V3 e se cronometra o tempo; 4. Com o auxílio de um termômetro a temperatura da água é medida. Os dados necessários são apresentados na Tabela 6.7.2. Para a realização do cálculo da perda de carga, faz-se necessário o conhecimento das singularidades contidas na tubulação, permitindo a determinação dos comprimentos equivalentes nos trechos de tubulação. Tais características são apresentadas na Figura 6.7.2. Figura 6.7.2 – Módulo portátil de perda de carga. Tabela 6.7.2 – Dados obtidos nos experimentos de perda de carga. Manômetro (kgf/cm 2 ) ∆M (Pa) tempo (s) Rotâmetro (L/h) Volume (L) Vazão volumétrica (cm 3 /s) M1 M2 62 6.7.4. ANÁLISES E DISCUSSÕES - Cálculo da velocidade em cada trecho da tubulação 2 . 4 D Q v t = - Cálculo do número Reynolds µ µvD = Re - Cálculo do comprimento equivalente para cada uma das singularidades - Cálculo do fator de atrito, que está relacionado ao tipo de escoamento que se encontra na tubulação. Sugestão: usar o gráfico de Moody. - Comparação dos valores da perda de carga obtidos experimentalmente com os valores teóricos para cada vazão ) ρ H.(ρ g. ΔP água Hg exp ÷ A = Dados: ρ Hg = 13,546.10 3 kg/m 3 ε PVC (rugosidade) = 6.10 -5 m Le/D (válvula de esfera) = 3,00 6.7.4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS FOUST, A. S.; CLUMP, C. W.; WENZEL, L. A. Princípio das operações unitárias. 2ª edição. Rio de Janeiro: Editora Guanabara Dois, 1980. GOMIDE, R., Fluidos na Indústria – Operações Unitárias (Vol. II), 1993. MILIAVACA, A.; CUNHA, J. T.; DIETRICH, L. B.; MAGALHÃES, T. S. Medição de perda de carga distribuída em tubulações. Porto Alegre, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Departamento de Engenharia Mecânica, 2004. PERRY, R.H & GREEN, D. Chemical Engineers Handbook. 6ª edição. New York: McGraw Hill, 1984. 63 6.8. DETERMINAÇÃO DO TEMPO DE ESVAZIAMENTO DE UM TANQUE COM DUTO CILÍNDRICO DE SAÍDA 6.8.1. OBJETIVOS O experimento tem como objetivo determinar experimentalmente os tempos de descarga livre de um determinado volume de líquido num tanque, utilizando a saída dos tubos verticais de diferentes comprimentos. Observar a relação entre o tempo de descarga e a geometria do dispositivo. 6.8.2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Um caso de escoamento variado de interesse prático é a determinação do tempo para baixar a superfície de um reservatório a partir de uma altura dada. Teoricamente, a Equação de Bernoulli (balanço de energia) aplica-se apenas para escoamento permanente. Contudo, se a superfície do reservatório desce com uma velocidade suficientemente baixa, o erro que resulta deste fato é desprezível. Idealizando um regime permanente e aplicando um balanço de energia num esquema baseado na Figura 6.8.1, temos: Figura 6.8.1 – Esquema de representação de um tanque cilíndrico p E z ρ P 2g v E z ρ P 2g v 2 2 2 2 m 1 1 2 1 + + + = + + + (1) onde: v 1 = velocidade do nível de líquido no tanque; v 2 = velocidade de saída do líquido; H = altura de líquido no tanque; L = comprimento do tubo; Z = distância entre o nível do líquido no tanque e a saída dos tubos; 2 64 (2) E m = energia fornecida ao fluido devido à presença de uma máquina; E p = energia perdida durante o percurso do fluido Considerando-se que: 1. o diâmetro do reservatório é muito maior que o do duto de saída, a velocidade no ponto 1 é muito pequena em relação à velocidade no ponto 2, podendo, assim, ser desconsiderada v 1 →0 2. a vazão Q 1 é igual a vazão Q 2 Q 1 = Q 2 a pressão nos ponto 1 e 2 são iguais à pressão atmosférica P 1 = P 2 = P atm 3. o sistema não possui máquinas E m =0 4. o nível de referência é o ponto 1, Z 1 é igual a zero e Z 2 é a soma do comprimento do tubo de saída e a altura do líquido; V 1 A 1 = v 2 A 2 v 1 /v 2 = A 2 /A 1 A 1 >>>>A 2 , logo: v 1 →0 z 2 = -Z Portanto: 0 z 2g v 2 2 2 = + + p E d L f 1 g Z 2 v Z gd 2 L v f 2g v gd 2 L v f E d 2 2 2 2 d 2 2 2 2 d | | . | \ | + = = + = ¿ ¿ ¿ p 2 / 1 d 2 d L f 1 2Zg v ( ( ( ( ( ¸ ( ¸ | | . | \ | + = ¿ onde: v = velocidade P = pressão Z = altura do líquido mais o comprimento do duto (H + L) A = área da seção reta f d = fator de atrito de Darcy d = diâmetro do duto Considerando um ponto no tanque a uma altura Z (H + L), ao descer o nível dZ no tempo dt a vazão será dada por 65 | . | \ | = dt dZ - A Q 1 (3) Nesse instante, através de um tubo de seção A 2 , circulará a mesma vazão .dZ .z 2g d L f 1 . A A dt d L f 1 2Zg . A dt dZ - A v A dt dZ - A Q 1/2 1/2 d 2 1 2 / 1 d 2 1 2 2 1 ÷ ( ( ( ( ( ¸ ( ¸ | | . | \ | + ÷ = ( ( ( ( ( ¸ ( ¸ | | . | \ | + = | . | \ | = | . | \ | = ¿ ¿ (4) Para o escoamento do fluido em um tanque, com a altura do liquido igual a H, através de um duto de forma cilíndrica e comprimento L, tem-se: t = 0 Z = (H 1 +L) (5) t = t teor Z = H 2 + L (6) Integrando a Equação (4) para os pontos (5) e (6), é possível obter a seguinte equação para o tempo teórico de escoamento: } ¿ } + + ÷ ( ( ( ( ( ¸ ( ¸ | | . | \ | + ÷ = L H L H 1/2 1/2 d 2 1 t 0 2 1 dZ z . 2g d L f 1 . A A dt ( ) ( ) | | ¦ ¦ ) ¦ ¦ ` ¹ ¦ ¦ ¹ ¦ ¦ ´ ¦ + ÷ + ( ( ( ( ¸ ( ¸ + = ¿ 1/2 2 1/2 1 2 / 1 2 1 t eor L H L H 2g d L f 1 A A 2 t (5) onde o fator de atrito f utilizado é o calculado pela equação de Colebrook (gráfico de Moody) e o ∑L é a soma do comprimento do tubo de saída mais a perda de energia devido à brusca variação da área de escoamento (comprimento equivalente ou efeito de entrada no duto), d é o diâmetro do tubo de saída, g é a aceleração da gravidade, L é o comprimento do tubo de saída e H 1 e H 2 são as alturas inicial e final do líquido, respectivamente. 66 6.8.3. METODOLOGIA Para a realização deste experimento, foi montado um equipamento composto, basicamente, de um tanque cilíndrico construído em PVC, no qual foi acoplado um visor de nível graduado que permite medir a altura de líquido existente no tanque (Figura 6.8.2). Na base deste tanque foram conectados os dutos de saída que têm diâmetros e comprimentos variados, conforme descrito no Quadro 6.8.1. Figura 6.8.2 – Esquema do equipamento utilizado para a medida e foto representativa. O experimento consiste na medida do tempo de escoamento do fluido com um cronômetro digital para cada duto de saída, a partir de várias alturas iniciais (H 1 ) definidas no sistema até uma altura final (H 2 ). A altura excedente para os dutos B 1 a B 3 é 0,10 m e para os demais dutos é 0,02m. Quadro 6.8.1 – Dimensões dos dutos de saída utilizados. Dutos Material Di (cm) L (mm) H 2 (cm) B 1 alumínio 0,86 283,0 12,6 B 2 alumínio 0,86 389,0 12,6 B 3 alumínio 0,86 185,0 12,6 B 4 alumínio 0,87 188,0 B 5 alumínio 0,62 188,0 3,2 B 6 alumínio 0,62 278,0 3,2 B 7 alumínio 0,82 278,0 B 8 alumínio 0,62 385,0 3,2 B 9 alumínio 0,82 385,0 ε Al (rugosidade do alumínio) = 0,015 mm 67 Tanque 1 D i = 98,8 mm dutos: B 1 , B 2 , B 3 2 , 0 Re 184 , 0 = f Tanque 2 D i = 100 mm dutos: B 5 , B 6 , B 8 O mesmo procedimento deve ser realizado num sistema em escala ampliada. A diferença deste sistema está no fato de o tanque maior ter o formato retangular ao invés de cilíndrico. Tanque L i = 200 mm dutos: B 4 H 2 = 0 Os dados a serem coletados estão contidos na Tabela 6.8.1. Tabela 6.8.1 – Dados experimentais para a determinação do tempo de esvaziamento de um tanque. Tanque Duto Tempo (min) H 1 (m) Após a coleta dos dados, devem ser realizados os cálculos do tempo de escoamento experimental e, em seguida, uma análise de comparação dos resultados experimentais com o teórico. Para o cálculo do tempo de escoamento teórico, faz-se necessário o conhecimento da vazão volumétrica e do número de Reynolds, permitindo o cálculo do fator de atrito a partir da rugosidade relativa. Para encontrar o valor Leq/D nos tanques 1 e 2, admitir o diâmetro interno 0,4 in A análise dos resultados deverá englobar os gráficos: * razão do tempo experimental sobre o tempo teórico, para cada situação, em função da altura inicial do líquido no tanque, mantendo fixo o diâmetro do duto e o tipo de material * razão do tempo experimental sobre o tempo teórico, para cada situação, em função da altura inicial do líquido no tanque, mantendo fixo o comprimento do duto e o tipo de material 68 O primeiro gráfico mostrará o deslocamento das curvas em relação à posição ótima com o comprimento do duto, enquanto o segundo gráfico mostrará o deslocamento das curvas em relação à posição ótima com o diâmetro do duto. 6.8.4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS FOUST, A. S.; CLUMP, C. W.; WENZEL, L. A. Princípio das operações unitárias. 2ª edição. Rio de Janeiro: Editora Guanabara Dois, 1980. GOMIDE, R., Fluidos na Indústria – Operações Unitárias (Vol. II), 1993. PERRY, R.H & GREEN, D. Chemical Engineers Handbook. 6ª edição. New York: McGraw Hill, 1984. 69 6.9. BALANÇO DE ENERGIA 6.9.1. OBJETIVOS O experimento tem como objetivo calcular o trabalho sobre um fluido, ou seja, o trabalho da vizinhança (bomba) sobre o sistema (fluido) e a relação entre altura de projeto e vazão. 6.9.2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA As complexidades das aplicações de engenharia provêm da diversidade das condições de processo, como temperatura, pressão, concentração, pureza, etc., sob as quais as operações unitárias devem ser realizadas, dentro das limitações e exigências aos materiais de construção e de projeto, impostas pelos aspectos físicos e químicos das substâncias envolvidas. Todas as operações unitárias estão baseadas em princípios da ciência que são traduzidos nas aplicações industriais em diversos campos de engenharia. O escoamento de fluidos, por exemplo, é estudado em mecânica dos fluidos, mas interessam muito à hidráulica que se liga mais à engenharia civil e à engenharia sanitária. Nas indústrias de processamento de alimentos e de produtos químicos, nos sistemas de irrigação para fins agrícolas, nas redes de abastecimento público, assim como nos sistemas de tratamento de resíduos, os sistemas de transporte de fluidos são fundamentais, fazendo- se necessário o conhecimento de conceitos e princípios que para um melhor entendimento da operação em questão e para o projeto/dimensionamento/operação/otimização do equipamento. Em um sistema com escoamento de um fluido é normalmente necessário adicionar energia ao fluido para mantê-lo em escoamento. A energia é fornecida por um equipamento motriz como uma bomba (escoamento de líquidos) ou compressores, ventiladores e sopradores (escoamento de gases). Esta energia adicionada ao fluido pode compensar as perdas por atrito ou contribuir para um aumento de velocidade, pressão ou altura do fluido. Bombas são máquinas geratrizes, cuja finalidade é efetuar o deslocamento de um fluido por escoamento. Sendo uma máquina geratriz, ela transforma o trabalho mecânico do rotor da bomba em energia, a qual é comunicada ao líquido sob a forma de energia hidráulica, permitindo um aumento da pressão e/ou da velocidade do líquido. As bombas podem ser classificadas em: bombas de deslocamento positivo ou volumétricas bombas centrífugas (turbobombas) As bombas de deslocamento positivo impelem uma quantidade definida de fluido em cada golpe ou volta do dispositivo. As bombas centrífugas, ao contrário, impelem um volume que depende do sistema aonde o escoamento se processa. Na indústria, o transporte do fluido é feito através de tubulações, auxiliada pela gravidade (para líquidos) ou por meio de bombas ou compressores. A função do engenheiro vai, muitas vezes, 70 desde o dimensionamento da tubulação (diâmetro, comprimento, espessura da parede e material do tubo) até a escolha da bomba (ou compressor). O dimensionamento do diâmetro dos tubos é quase sempre um problema de hidráulica resolvido em função da vazão necessária do fluido, das diferenças de cotas existentes, das pressões disponíveis, das velocidades e perdas de carga admissíveis, da natureza do fluido, do tipo de material do tubo. Os tubos são fabricados em diversos tipos de materiais: metais, ligas metálicas, plásticos, cerâmicas, vidros etc., e devem ser levados em conta no seu dimensionamento (ou na sua escolha). A escolha do tipo da bomba para preencher os requisitos operacionais do sistema requer a análise das características de funcionamento de cada uma dessas máquinas geratrizes. Quando mais de um tipo preencher esses requisitos um estudo técnico-econômico se faz necessário. Para se determinar o tamanho da bomba e confirmar a escolha do tipo é necessário entrar com os valores de altura manométrica (H) ou pressão (P) e da vazão (Q) em catálogos fornecidos por fabricantes. As bombas de deslocamento positivo são selecionadas por meio de gráficos que fornecem entre outros dados, a pressão máxima e as vazões máximas alcançadas pelo modelo. A escolha de turbobombas é feita em catálogos que fornecem as principais características das bombas. Os catálogos apresentam, em geral, um gráfico de altura manométrica (H) em função da vazão (Q), que permite “enquadrar” a bomba em um modelo padronizado. Para calcular o trabalho de uma bomba aplica-se o balanço de energia mecânica entre dois pontos do sistema de escoamento. Geralmente se escolhem os pontos dos níveis de entrada e saída do fluido onde, na Figura 6.9.1, correspondem aos números 1 e 2, respectivamente. Figura 6.9.1 – Diagrama de um sistema de escoamento impulsionado por uma bomba. Considerando-se o sistema como sendo a bomba e realizando um balanço em torno do mesmo, tem-se: - + Trabalho Agregado = Energia final do Fluido Energia de Atrito Energia inicial do Fluido 71 Onde a energia cinética, a energia potencial e a entalpia são os três componentes de energia do fluido, e a energia de atrito é a liberação de calor da bomba devido ao atrito com o fluido. A energia de atrito é o somatório da energia interna e da quantidade de calor no sistema. Substituindo seus valores na equação, chega-se a: f E .P V m.g.z m.v - .P V m.g.z m.v W + | | . | \ | + + | | . | \ | + + = 1 1 1 2 1 2 2 2 2 2 2 2 (1) se dividirmos todos os termos pela aceleração da gravidade: g E gρ P z g v - gρ P z g v g W f + | | . | \ | + + | | . | \ | + + = 1 1 2 1 2 2 2 2 2 2 (2) onde: z i é a altura geométrica da sucção ou recalque (distância da superfície do líquido à linha de centro da bomba) (m) v i é a velocidade do líquido no tanque (m/s) P i é a pressão manométrica no tanque (Pa) g é a aceleração da gravidade (m/s 2 ) E f é a energia de atrito do fluido É comum cada um dos termos ser considerado como altura. Assim, P/ρg é a altura de pressão, v 2 /2g é a altura de velocidade, z é a altura de posição, -W/g é a altura total a ser fornecida pela bomba e E f /g é a altura de atrito. Para sistemas onde se deseja determinar qual a energia necessária para transportar um fluido de um local para outro, e qual bomba selecionar, deve-se calcular a altura manométrica (H m ), dada em metros, e é a forma de expressar a energia que a unidade de peso adquire em sua passagem pela bomba. Em balanço de energia para transporte de fluidos entre dois pontos, são necessárias algumas alterações na Equação 2, tendo: f g m h H g v P H + + A + A = 2 2 ¸ (3) onde: g · =µ ¸ é o peso específico do fluido; a b g Z Z Z H + = A = é a altura geométrica entre os pontos considerados; 72 D g L v f h h h D S f · · · = + = ¿ ÷ ÷ 2 2 2 1 são as perdas de energia no transporte do fluido; f é o fator de atrito (adimensional) que engloba os efeitos da parede e das condições de escoamento, ou seja, se é linear ou turbulento. Pode ser encontrado em determinados diagramas ou equações: | | D f c | Re, ; t A V A Q v . = = é a velocidade do fluido a ser escoado, que depende da vazão e da área do tubo; eq L L L + = ¿ são os comprimentos das tubulações somados com os comprimentos equivalentes de cada acessório posto no sistema como válvulas, joelho, curvas, etc. A equação global modificada para cálculo da altura manométrica, envolve sistemas transportados em tubulações, e dimensiona processos com bombas (sucção e descarga). Para escoamento laminar (Re < 2100), f é obtido através da equação de Hagen-Poiseuille, dependendo apenas do Re, tendo: Re 64 = f (4) Para escoamento turbulento (Re > 4000), f é obtido através do diagrama Universal de Moody, dependendo do número de Reynolds e da rugosidade relativa ( D / c ). Podendo ainda ser determinada pela expressão desenvolvida por Swamee e Jain, tendo: 2 9 , 0 Re 74 , 5 7 , 3 ln 325 , 1 ( ¸ ( ¸ | . | \ | + = D f c para 8 10 Re 5000 s s e 2 6 10 / 10 ÷ ÷ s s D c (5) A equação global modificada para cálculo da altura manométrica, envolve sistemas transportados em tubulações, e dimensiona processos com bombas (sucção e descarga). 6.9.3. METODOLOGIA É interessante se analisar como varia a altura de projeto, ou seja, o trabalho que deve ser fornecido ao fluido em função da vazão para diversos tipos de sistemas. Assim sendo, o experimento consta de dois sistemas distintos de bombeamento de fluido, representados pela Figuras 6.9.2a e 6.9.2b. O sistema é bastante simples e consta, basicamente, de dois béqueres de 1 litro, cada um em uma extremidade da bomba, mangueira flexível e bomba peristáltica. 73 Figura 6.9.2 – Esquema do procedimento experimental. O método experimental consiste em transferir o fluido de um béquer para o outro em diferentes níveis e alturas, fazendo-se três medições da vazão volumétrica, com o regime permanente, a cada 150 mL de líquido transferido. As bombas utilizadas são bombas peristálticas (alternativas). Para estimar o fator de atrito (f) existem inúmeras correlações propostas. Uma solução rápida e com relativa precisão para o cálculo do coeficiente de atrito é o uso de diagramas. Os mais difundidos são o diagrama de Moody e o diagrama de Hunter Rouse. No diagrama de Moody (log- log), entrando-se com o valor do número de Reynolds na abscissa e a rugosidade relativa (ε/D) na ordenada direita, obtêm-se o coeficiente de atrito na ordenada esquerda. Tabela 6.9.1 – Dados experimentais para a determinação da altura manométrica e do trabalho realizado pela bomba. Sistema Diâmetro do tubo (in) Distância do béquer até a bomba (m) Altura (m) Rotação da bomba Tempo para escoar 150 mL (s) Sucção Descarga Sucção Descarga a 1/8 2 5 8 b 2 5 8 74 6.9.4. ANÁLISES E DISCUSSÕES - Faça o balanço de massa e energia e calcule o trabalho realizado pela bomba. - Esboce os gráficos da altura x vazão volumétrica para cada sistema. 6.9.5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS FOUST, A. S.; CLUMP, C. W.; WENZEL, L. A. Princípio das operações unitárias. 2ª edição. Rio de Janeiro: Editora Guanabara Dois, 1980. GOMIDE, R., Fluidos na Indústria – Operações Unitárias (Vol. II), 1993. PERRY, R.H & GREEN, D. Chemical Engineers Handbook. 6ª edição. New York: McGraw Hill, 1984. 75 6.10. BOMBAS SIMPLES, COM SINGULARIDADES, EM SÉRIE E EM PARALELO 6.10.1. OBJETIVOS O experimento tem como finalidade mostrar ao aluno os diferenciais de pressão e vazão nos diversos sistemas de bombeamento, permitindo que, se desejado, possa determinar uma curva característica e avaliar o melhor tipo de sistema para o processo aplicado. 6.10.2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Uma bomba destina-se a elevar um volume de fluido a uma determinada altura, em um certo intervalo de tempo, consumindo energia para desenvolver este trabalho e para seu próprio movimento, implicando, pois, em um rendimento característico. As chamadas grandezas características das bombas são a vazão Q, a altura manométrica H, o rendimento η e a potência P. A curva característica de desempenho de uma bomba mostra a variação da altura manométrica com a vazão. São também, usualmente, apresentadas as curvas relativas ao rendimento, a potência de eixo, NPSH [(Net Positive Suction Head), carga total no bocal de sucção da bomba, menos a pressão de vapor do líquido à temperatura de bombeamento], a velocidade (rpm), e outras informações como o tamanho da bomba e o tipo, tamanho do impulsor, etc. As curvas são construídas para uma velocidade constante (rpm) e um determinado diâmetro de impulsor (ou série de diâmetros). A representação gráfica em um eixo cartesiano da variação das grandezas características é mostrada na Figura 6.10.1. Toda curva característica é feita para bombear água fria limpa e não se aplica necessariamente ao bombeamento de outros líquidos. No caso de líquidos viscosos, a localização da curva característica, assim como a curva de rendimento, sofre alterações. Figura 6.10.1 – Representação gráfica de uma curva característica de bomba. 76 A seleção é feita de modo que o funcionamento esteja próximo à situação de melhor rendimento. De uma forma geral, as curvas características servem para descrever as condições operacionais de uma bomba e permitem relacionar a variação de altura manométrica com a vazão a uma velocidade constante. As bombas cinéticas (centrífugas), para operarem satisfatoriamente, requerem líquidos livres de vapor na linha de sucção, à entrada do rotor. Se a pressão dentro da bomba cai abaixo da pressão de vapor do líquido, haverá a formação de bolhas de vapor nesse local. E, por causa do rápido aumento da pressão dentro da bomba, as bolhas se fundem em uma dada zona com ausência de líquido. Este fenômeno é chamado cavitação (de cavidades) e pode reduzir a eficiência da bomba causando ruído, vibrações, fratura do rotor, da carcaça, etc. Para evitar a cavitação as bombas necessitam de uma certa quantidade de energia no sistema de sucção, conhecido como NPSH. Dependendo da necessidade física ou da versatilidade desejada nas instalações elevatórias o projetista pode optar por conjuntos de bombas em série ou em paralelo. Quando o problema é de altura elevada, geralmente a solução é o emprego de bombas em série e, quando temos que trabalhar com maiores vazões, a associação em paralelo é a mais provável. Teoricamente, temos que bombas em série somam alturas e bombas em paralelo somam vazões. Na prática, nos sistemas de recalque, isto dependerá do comportamento da curva característica da bomba e da curva do encanamento, como estudaremos adiante. Para obtermos a curva característica de uma associação de bombas em série somamos as ordenadas de cada uma das curvas correspondentes. Exemplo: se quisermos a curva de duas bombas iguais dobram-se estas ordenadas correspondentes a mesma vazão. Quando a associação é em paralelo, somam-se as abcissas referentes à mesma altura manométrica. Nesta situação para duas bombas iguais dobram-se as vazões correspondentes. A Figura 6.10.2 apresenta a comparação entre as curvas mediante os diferentes tipos de aplicação de bombas. 77 Figura 6.10.2 – Curvas características de associação de bombas iguais. a) Bombas em paralelo É comum em sistemas de abastecimento de água, esgotamento ou serviços industriais, a instalação de bombas em paralelo, principalmente com capacidades idênticas, porém não exclusivas. Esta solução torna-se mais viável quando a vazão de projeto for muito elevada ou no caso em que a variação de vazão for perfeitamente predeterminada em função das necessidades de serviço. No primeiro caso, o emprego de bombas em paralelo permitirá a vantagem operacional de que, havendo falha no funcionamento em uma das bombas, não acontecerá a interrupção completa e, sim, apenas uma redução da vazão bombeada pelo sistema. No caso de apenas uma bomba aconteceria a interrupção total, ou pelo menos temporária, no fornecimento. Na segunda situação, a associação em paralelo possibilitará uma flexibilização operacional no sistema, pois como a vazão é variável poderemos retirar ou colocar bombas em funcionamento em função das necessidades e sem prejuízo da vazão requerida. A associação de bombas em paralelo, no entanto, requer precauções especiais por parte do projetista. Algumas "lembranças" são básicas para se ter uma boa análise da situação, como por exemplo, quando do emprego de bombas iguais com curvas estáveis: Vazão - uma bomba isolada sempre fornecerá mais vazão do que esta mesma bomba associada em paralelo com outra igual porque a variação na perda de carga no recalque é diferente (V. estudo de curvas do sistema); 78 NPSH r - este será maior com uma só bomba em funcionamento, pois neste caso a vazão de contribuição de cada bomba será maior que se a mesma estiver funcionando em paralelo; Potência consumida - este item dependerá do tipo de fluxo nas bombas, onde temos para o caso de fluxo radial potência maior com uma bomba, fluxo axial potência maior com a associação em completo funcionamento e, no caso de fluxo misto, será necessário calcularmos para as diversas situações para podermos indicar o motor mais adequado. Para outras situações, como nos casos de associação com bombas diferentes, sistemas com curvas variáveis, bombas com curva drooping, por exemplo, as análises tornam-se mais complexas, mas não muito difíceis de serem desenvolvidas. b )Bombas em série Quando a altura manométrica for muito elevada, devemos analisar a possibilidade do emprego de bombas em série, pois esta solução poderá ser mais viável, tanto em termos técnicos como econômicos. Como principal precaução neste tipo de associação, devemos verificar se cada bomba a jusante tem capacidade de suporte das pressões de montante na entrada e de jusante no interior da sua própria carcaça. Para melhor operacionalidade do sistema é aconselhável a associação de bombas idênticas, pois este procedimento flexibiliza a manutenção e reposição de peças. Diante de tudo que foi exposto, podemos concluir que: na associação em paralelo devemos trabalhar com bombas com características estáveis, que o diâmetro de recalque seja adequado para não gerar perdas de carga excessivas e que a altura manométrica final do sistema nunca ultrapasse a vazão zero de qualquer uma das bombas associadas; na associação em série selecionar bombas de acordo com as pressões envolvidas; e, no geral: selecionar bombas iguais para facilitar a manutenção; indicar motores com capacidade de atender todos pontos de trabalho do sistema; no caso de ampliações, conhecimento prévio das curvas das bombas e do sistema em funcionamento. Para projetos de elevatórias, recomenda-se que, no caso de associações em paralelo, o número fique limitado a três bombas com curvas iguais e estáveis. Se houver necessidade do 79 emprego de um número maior ou de conjuntos diferentes, devemos desenvolver um estudo dos pontos de operação, tanto nas sucções como no ponto (ou nos pontos!) de reunião no recalque, principalmente para que não ocorram desníveis manométricos que prejudiquem as hipóteses operacionais inicialmente previstas. 6.10.3. METODOLOGIA O estudo consiste na observação dos diferenciais de pressão e na determinação da vazão a partir do módulo ilustrado na Figura 6.10.3, em cada um dos sistemas abordados. Figura 6.10.3 – Módulo para estudo de diferentes sistemas de bombeamento. A Figura 6.10.4 apresenta mais detalhadamente as partições que proporcionam o estudo de bombas em série e em paralelo. Todos os pontos estão identificados com letras e números para facilitar a operação. A letra V indica uma válvula, a letra M um manômetro de pressão do tipo tubo em U, medindo diferenciais entre pontos antes e depois da bomba (B) ou entre pontos antes e depois de uma placa de orifício (O). Figura 6.10.4 – Detalhe das partições para os diferentes sistemas de bombeamento. 80 Vale salientar que há placa de orifício nos pontos O 1 e O 2 , sendo o ponto O 3 apenas uma união entre tubos. O procedimento para a determinação das variações de pressão e vazão nos diferentes sistemas é detalhado a seguir: a) Sistema simples verificar se todas as válvulas estão fechadas; abrir a válvula V 1 ; ligar a bomba B 2 ; abrir lentamente a válvula V 7 ; observar as leituras dos manômetros M 1 , M 2 e M 4 . Nesse mesmo instante, realizar uma determinação de vazão; fechar a válvula V 7 e desligar a bomba B 2 . b) Sistema simples com o desvio da singularidade fechado verificar se todas as válvulas estão fechadas; abrir a válvula V 3 ; ligar a bomba B 1 ; abrir lentamente a válvula V 8 ; observar as leituras dos manômetros M 1 , M 3 e M 5 . Nesse mesmo instante, realizar uma determinação de vazão; fechar a válvula V 8 e desligar a bomba B 1 . c) Sistema em série verificar se todas as válvulas estão fechadas; abrir a válvula V 1 ; ligar as bombas B 1 e B 2 ; abrir lentamente as válvulas V 6 e V 8 ; observar as leituras dos manômetros M 1 , M 2 , M 3 e M 5 . Nesse mesmo instante, realizar uma determinação de vazão; fechar as válvulas V 6 e V 8 e desligar as bombas B 1 e B 2 . 81 d) Sistema em paralelo com o desvio da singularidade fechado verificar se todas as válvulas estão fechadas; abrir as válvulas V 1 e V 3 ; ligar as bombas B 1 e B 2 ; abrir lentamente as válvulas V 7 e V 8 ; observar as leituras dos manômetros M 1 , M 2 , M 3 , M 4 e M 5 . Nesse mesmo instante, realizar uma determinação de vazão; fechar as válvulas V 7 e V 8 e desligar as bombas B 1 e B 2 . e) Sistema em série e em paralelo verificar se todas as válvulas estão fechadas; abrir as válvulas V 1 e V 3 ; ligar as bombas B 1 e B 2 ; abrir lentamente as válvulas V 6 , V 7 e V 8 ; observar as leituras dos manômetros M 1 , M 2 , M 3 , M 4 e M 5 . Nesse mesmo instante, realizar uma determinação de vazão; fechar as válvulas V 6 , V 7 e V 8 e desligar as bombas B 1 e B 2 . 6.10.4. ANÁLISES E DISCUSSÕES Avalie se ocorrem diferenças entre cada sistema abordado, de acordo com os dados coletados na Tabela 6.10.1. Tabela 6.10.1 – Dados experimentais da operacionalização de bombas. Sistema Medida de variação de pressão em manômetro tubo em U (mm Hg) Vazão (mL/s) M1 M2 M3 M4 M5 Simples Simples com desvio de singularidade Série Paralelo Série e paralelo 82 6.10.5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BLACK, P. O. Bombas. Rio de Janeiro: Ao Livro Técnico SA, 1979. MACINTYRE, A.J. Bombas e Instalações de Bombeamento, Rio de Janeiro: Editora Guanabara Dois, 1980. FOUST, A. S.; CLUMP, C. W.; WENZEL, L. A. Princípio das operações unitárias. 2ª edição. Rio de Janeiro: Editora Guanabara Dois, 1980. GOMIDE, R., Fluidos na Indústria – Operações Unitárias (Vol. II), 1993. PERRY, R.H & GREEN, D. Chemical Engineers Handbook. 6ª edição. New York: McGraw Hill, 1984. 83 6.11. ENSAIOS DE SEDIMENTAÇÃO 6.11.1. OBJETIVOS O experimento tem o objetivo medir e interpretar dados de um ensaio de sedimentação descontínuo em laboratório (teste de proveta) e utilizar os dados obtidos para dimensionar a área de um sedimentador contínuo. 6.11.2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA A decantação é um tipo de processo de separação que permite separar misturas heterogêneas de sólidos com líquidos. É bastante utilizada em sistemas bifásicos (areia e água), sólido-gás (poeira-gás), líquido-líquido (água e óleo) e líquido-gás (vapor d’água e ar). A etapa de separação sólido-líquido está entre as operações unitárias mais importantes que hoje são empregadas em indústrias químicas, têxteis, farmacêuticas, no beneficiamento de minério, bem como no processamento de alimentos, tratamento de água e resíduos, entre outras, pois muitos dos produtos industriais são suspensões de sólidos em líquidos. Existem dois critérios de classificação dos métodos de separação: a) Quanto ao movimento relativo das fases: Decantação, onde o sólido se move através do líquido em repouso, podendo ser subdividida de acordo com a concentração da suspensão. Filtração, uma operação na qual o líquido se move através da fase sólida estacionária. b) Quanto à força propulsora As operações são gravitacionais, centrífugas, por diferença de pressão ou eletromagnéticas. Assim, com a combinação destes critérios, tem-se a seguinte divisão: 1. Separação por decantação - Clarificação de líquidos suspensões diluídas - Espessamento de suspensões partindo de suspensões concentradas - Lavagem de sólidos passagem da fase sólida de um líquido para outro 2. Decantação invertida (Flotação) 3. Separação centrífuga 4. Filtração Muito embora um sólido possa decantar sob a ação de uma força centrífuga, a decantação deve ser entendida como o movimento de partículas do seio de uma fase fluida, provocado pela ação da gravidade onde geralmente as partículas são mais densas que o fluido. 84 Na clarificação de líquidos, utiliza-se uma suspensão de baixa concentração de sólidos para obter um líquido com um mínimo de sólidos. No espessamento de suspensões, parte-se de uma suspensão concentrada para obtenção de sólidos com a quantidade mínima possível de líquido. A lavagem de sólidos é a operação mais dispendiosa e visa a passagem da fase sólida de um líquido para outro, para lavá-la sem recorrem à filtração. Em tratamento de água, a finalidade da decantação (clarificação) é transformar as impurezas que se encontram em suspensão fina, em estado coloidal ou em solução; bactérias, protozoários e o plâncton, em partículas maiores (flocos) que possam ser removidas por decantação e filtração. A clarificação representa uma parte bastante delicada e importante do tratamento de água e, se ela for falha, pode-se ter problemas bastante sérios nas operações seguintes. Dentre as partículas que se encontram na água provocando turbidez e cor, as que causam maiores dificuldades de remoção são as partículas coloidais. O projeto de decantadores é baseado em ensaios de decantação realizados em laboratório devido ao desconhecimento das verdadeiras características das partículas. O tamanho dos flocos formados não é predito, sendo difícil até mesmo reproduzir com segurança as condições que conduzem a um determinado tipo de floculação. Nem a densidade das partículas é conhecida com certeza, uma vez que a forma dos flocos é indefinida e a quantidade de água retida é variável. Assim, pode-se dizer que os ensaios de laboratório são conduzidos de maneira diferente quando se trata de solução diluída ou concentrada, permitindo a obtenção das curvas de decantação da suspensão. Se uma amostra previamente homogeneizada da suspensão for colocada num tubo de vidro graduado de seção constante (proveta) e deixada em repouso, verifica-se que, depois de um certo tempo, as partículas mais grossas depositam-se no fundo do tubo e as mais finas continuam em suspensão. As partículas intermediárias ficam distribuídas em diversas alturas de acordo com a sua granulometria, ou seja, existe uma classificação espontânea das partículas ao longo da proveta. Cada partícula decanta com velocidade proporcional ao seu tamanho e a clarificação vai progredindo, mas não há uma linha nítida de separação entre a suspensão e o líquido clarificado. A única separação nítida é entre o sedimento sólido depositado no fundo e o resto da suspensão. Este comportamento é típico de soluções diluídas. O projeto de um decantador consiste no cálculo da área de decantação (S), obtida através da relação entre a vazão volumétrica da suspensão alimentada (Q A ) e a velocidade de decantação (v). Um coeficiente de segurança de 100% ou mais deve ser utilizado para atender a uma série de fatores imprevisíveis, como: escoamentos preferenciais, diferenças locais de temperatura que causam turbulência e, consequentemente, reciclagem dos sólidos, distúrbios causados por variações bruscas das condições de operação (alimentação ou retirada de lama ou o escorregamento de 85 grandes massas de lama) e algumas vezes até mesmo reações químicas e pequenas explosões decorrentes da decomposição de compostos. v Q S A = (1) onde: Q A = vazão volumétrica da suspensão alimentada (m 3 /h) v = velocidade de decantação (m/h) O experimento de decantação fornece os dados necessários para se traçar uma curva de decantação, que pode ser observada na Figura 6.11.1. Durante o ensaio, mede-se a altura (Z) dos sólidos depositados no fundo do recipiente graduado em diversos instantes de tempo (θ) e traça-se a curva Z versus θ. No instante θ a altura dos sólidos depositados é Z. Depois de certo tempo θ f , a turbidez da suspensão será bastante pequena, podendo considerar terminada a clarificação. A altura dos sólidos depositados até esse instante será Z f e a velocidade de decantação pode ser obtida pela equação abaixo: f f θ Z Z Z ÷ = 0 (2) onde: Z = altura da interface do sólido-suspensão no instante θ a partir do início da decantação Z 0 = altura inicial da suspensão na proveta Z f = altura dos sólidos depositados no fundo do recipiente após o término da decantação θ f = tempo no final da decantação O projeto do decantador é, então, feito com base nesta curva, determinando-se a velocidade de decantação. Figura 6.11.1 – Ensaio de decantação com o auxílio de uma proveta O emprego de floculantes provoca o aumento da velocidade, conduzindo a menores áreas de decantação e, ainda, pode aumentar a capacidade de um decantador existente, pois o uso faz com 86 que um menor espessamento da lama final seja obtido, além de melhorar a clarificação do líquido. Porém, o uso de algum agente floculante encarece a operação. A decisão da utilização ou não de um floculante só pode ser feita através de um balanço econômico devido ao maior custo operacional proporcionado pelo floculante. Durante um ensaio de decantação utilizando uma suspensão concentrada (superior a 50 g/L), mede-se a altura Z da superfície de separação entre o líquido clarificado e a suspensão. Quando a decantação tem início, a suspensão encontra-se a uma altura Z 0 e sua concentração é uniforme C 0 , como mostra a Figura 6.11.2. Figura 6.11.2 - Esquema de sedimentação e perfil de decantação de uma suspensão concentrada. Pouco tempo depois é possível distinguir cinco zonas distintas na proveta. A Líquido clarificado: no caso de suspensões que decantam muito rápido esta camada pode ficar turva durante certo tempo por causa das partículas finas que permanecem na suspensão. B Suspensão com a mesma concentração inicial C 0 . A linha que divide A e B é geralmente nítida. 87 C Zona de transição: a concentração da suspensão aumenta gradativamente de cima para baixo nesta zona, variando entre o valor inicial C 0 até a concentração da suspensão espessada. A interface BC é, de modo geral, nítida. D Suspensão espessada na zona de compressão: é a suspensão onde os sólidos decantados sob a forma de flocos se encontram dispostos uns sobre os outros, sem atingirem a máxima compactação, uma vez que ainda existe líquido entre os flocos. A separação entre as zonas C e D geralmente não é nítida e apresenta diversos canais através dos quais o líquido proveniente da zona em compressão escoa. A espessura desta zona vai aumentando durante a operação. E Sólido grosseiro: foram sólidos que decantaram logo no início do ensaio. A espessura desta zona praticamente não varia durante o ensaio. A Figura 6.11.2 mostra a evolução da decantação com o tempo. As zonas A e D tornam-se mais importantes, enquanto a zona B diminuiu e C e E permaneceram inalteradas. Ao final do processo B e C desapareceram, ficando apenas o líquido clarificado, a suspensão em compressão e o sedimento grosso. Este é também chamado ponto de compressão. A zona A aumenta enquanto que a zona D diminui lentamente até a superfície de separação das camadas A e D atingir o valor Z f . Este valor mínimo não corresponde necessariamente à concentração máxima da suspensão decantada, pois é possível, com agitação apropriada, reduzir ainda mais a altura da lama espessada. O dimensionamento de espessadores no decantador pode ser feito por diversos métodos: método de Kynch método de Talmadge e Fitch método de Roberts O método de Kynch consiste em realizar um ensaio que forneça a curva de decantação. De posse desta curva, tomam-se diversos pontos de θ, Z e Z i , como na Figura 6.11.3 abaixo. No instante θ 0 (inicial) a altura dos sólidos depositados é Z i . Depois de certo tempo θ, a turbidez da suspensão será bastante pequena podendo considerar terminada a clarificação. A altura dos sólidos depositados até esse instante será Z e a velocidade de decantação pode ser obtida pela equação abaixo: Figura 6.11.3 – Determinação gráfica de v e C pelo método de Kynch. 88 Com estes valores, calculam-se diversos pares de valores da concentração e da velocidade pelas fórmulas: v . 0 0 u Z Z Z C Z C i i ÷ = = (3) onde: C 0 = concentração inicial de sólidos da suspensão (kg/m 3 ) Z 0 = altura inicial da suspensão na proveta (m) Z = altura dos sólidos depositados no fundo da proveta após o término da decantação (m) θ = tempo no final da decantação (s) De posse de cada par de velocidade (v) e de concentração (C), calcula-se a área (S) v C C C Q S E A A | | . | \ | ÷ = 1 1 (4) onde: S = área de decantação (m 2 ) Q A = vazão volumétrica da suspensão (m 3 /s) C A = Concentração de sólidos na suspensão de alimentação (kg/m 3 ); C E = Concentração de sólidos na lama espessada (kg/m 3 ); C = Concentração da suspensão na zona limite (kg/m 3 ); v = Velocidade de sedimentação na zona limite (m/s). O maior valor obtido é a área mínima que o decantador poderá ter. O método de Roberts é um método gráfico que permite localizar com exatidão o ponto crítico (entrada em compressão), que às vezes é difícil de determinar pelo método anterior. Com os dados do ensaio de decantação, faz-se um gráfico de log (Z – Z f ) versus θ em papel mono-log, conforme indicado na Figura 6.11.4. A descontinuidade da curva obtida é o ponto crítico. Com ele se pode determinar com precisão o θ c e calcular, diretamente, a área mínima. ( ) c c ic c ic c θ -Z Z v Z C Z C = = 0 0 (5) c E c A A v C C C Q S | | . | \ | ÷ = 1 1 min (6) 89 Figura 6.11.4 – Construção gráfica do método de Roberts. O método de Talmadge e Fitch é outro um gráfico que permite calcular diretamente a área mínima do espessador quando se conhece o ponto crítico de compressão na curva de decantação. O ponto crítico é determinado traçando-se a curva de decantação, como mostra a Figura 6.11.5. Traça-se uma tangente na parte inicial da curva (esta parte representa a sedimentação livre, com velocidade quase constante) e uma tangente na parte final da curva (ponto onde as concentrações são elevadas e a velocidade também é quase constante). As duas tangentes são prolongadas até que se interceptem num ponto. Na interseção, traça-se a bissetriz do ângulo. Calcula Z S (altura correspondente à situação em que a zona de espessamento atinge o valor da lama espessada C E desejada no espessador contínuo e estima-se o instante θ S . Figura 6.11.5 – Construção gráfica do método de Talmadge e Fitch. A área mínima pode ser calculada a partir da equação 6, onde: ( ) C S S ic c ic c θ -Z Z v Z C Z C u ÷ = = 0 0 (7) Substituindo a equação 7 na equação 6, tem-se: 90 ( ) S ic S ic A A S S ic E ic A A -Z Z CS C Z Z C Z C Q θ -Z Z C Z C Z C Q S u | . | \ | ÷ = | | | | . | \ | ÷ = 0 0 0 0 0 0 min 1 1 (8) como E S C C Z Z 0 0 = , chega-se a: 0 0 min C Z C Q S E A A u = (9) 6.11.3. MATERIAL UTILIZADO Para o estudo sobre sedimentação foram utilizados os seguintes materiais e equipamentos proveta cronômetro soluções de concentração conhecida trena ou régua 6.11.4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Toma-se a solução de concentração definida e, após homogeneização, transfere-a para uma proveta. A partir daí, mede-se a variação de altura (Z) em função do tempo (θ). O tempo deve ser tomado aleatoriamente em intervalos pequenos, até que durante um período relativamente alto a variação em Z seja pequena ou constante. 6.11.5. PROBLEMA Visando uma análise de projeto, calcular o diâmetro e a altura de um espessador contínuo que opere com suspensão de carbonato de cálcio com concentração de alimentação a concentração de sua suspensão e vazão de 30 m 3 /h, sendo a concentração de lama espessada de 0,25 g/cm 3 . 6.11.6. RELATÓRIO traçar a curva altura versus tempo; utilizar os 3 métodos para calcular a área do sedimentador; comparar e comentar os resultados; estimar a altura do sedimentador. 91 6.11.7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS FOUST, A. S.; CLUMP, C. W.; WENZEL, L. A. Princípio das operações unitárias. 2ª edição. Rio de Janeiro: Editora Guanabara Dois, 1980. GOMIDE, R., Operações Unitárias: Separações Mecânicas (Vol. III), 1980. PERRY, R.H & GREEN, D. Chemical Engineers Handbook. 6ª edição. New York: McGraw Hill, 1984.