1 Introdução à Engenharia Química Professor: Francisco Moura/Roberto Carvalho/Cecília Vilani...
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Introdução à Engenharia QuímicaIntrodução à Engenharia Química
Professor:Professor: Francisco Moura/Roberto Carvalho/Cecília VilaniFrancisco Moura/Roberto Carvalho/Cecília VilaniBibliografia:Bibliografia: Himmelblau, David M. e Riggs, James B.; Engenharia Himmelblau, David M. e Riggs, James B.; Engenharia Química - Princípios e Cálculos, 7Química - Princípios e Cálculos, 7aa edição, Editora LTC, 2006. edição, Editora LTC, 2006.
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iaRelembrandoRelembrando
A Engenharia de Química lida também com CÁLCULOS envolvendo
processos ou operações de uma indústria química
OBJETIVO: a transformação de matérias-primas em produtos.
Estes CÁLCULOS permitem relacionar parâmetros que descrevem a
quantidade e a qualidade de uma matéria-prima (entrada no processo)
com a quantidade e a qualidade do produto formado (saída do processo).
CÁLCULOS envolvem dados relativos às correntes de processo (elos de
ligação entre equipamentos e pontos de entrada e saída de substâncias
no processo) e aos equipamentos (tamanho, forma, tipo e condições de
operação). Assim, antes de mais nada, precisamos de saber como
representar de forma correta e coerente estes dados. Aparecem então os
conceitos de dimensão e unidades.
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iaRelembrando - Unidades e dimensõesRelembrando - Unidades e dimensões
▌Dimensões: São os nossos conceitos básicos de medida, tais como: comprimento, tempo, massa, temperatura, etc..
▌Unidades: São os meios de expressar as dimensões, tais como: metro (m) ou pé (ft) para comprimento, horas (h) ou segundos (s) para tempo, etc.
▌Sistema de unidades
tera (T) 1012 centi (c) 10-2
giga (G) 109 mili (m) 10-3
mega (M) 106 micro () 10-6
quilo (k) 103 nano (n) 10-9
Unidades múltiplas
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Dimensão Unidade Símbolo
comprimento metro (SI)centímetro (CGS)pé (Sist. Inglês)
mcmft
massa quilograma (SI)grama (CGS)libra (Sist. Inglês)
kgglb
moles grama-mol (SI)libra-mol (Sist. Inglês)
mol ou g-mollb-mol
tempo segundo (SI) s
temperatura Kelvin (SI)Celsius Rankine (Sist. Inglês)Fahrenheit
K
oCoR
oF
corrente elétrica Ampère A
intensidade de luz Candela cd
Unidades básicas
Unidades e dimensões - cont.Unidades e dimensões - cont.
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Dimensão Unidade Símbolo Equivalente em termos de unidades básicas
Volume litro L ou l 0,001 m3
1000 cm3
Força Newton (SI)dina (CGS)
N 1kg.m.s-2
1g.cm. s-2
Pressão Pascal (SI) Pa N.m-2 = 1kg.m.s-2.m-2 = 1kg.m-1.s-2
Energia e trabalho
Joule (SI)erg (CGS)caloria
Jergcal
1N.m = 1kg.m.s-2.m = 1kg.m2.s-2
1g.cm2.s-2
4,184 J = 4,184 kg.m2.s-2
Potência Watt W 1 J.s-1 = 1kg.m2.s-3
2s
cm1
2ano
km
Unidades derivadas
Unidades e dimensões - cont.Unidades e dimensões - cont.
Conversão de unidades: Converter em
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2
2
2
2
2
2
2 ano
km1095,9
m1000
km1
cm100
m1
)ano1(
)dias365(
)dia1(
)h24(
)h1(
)s3600(
s
cm1
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ia
mollb05,0lb40
mollb1lb2
mol7,22mollb1
mol454
lb40
mollb1lb2
Mol é a quantidade de uma substância que contém tantas espécies elementares quanto existem de átomos em 12 gramas do 12C.
Em termos de mol (ou g-mol):
Unidade molar
Ex.: Um recipiente contém 2 lb de NaOH (PM=23+16+1=40).
Em termos de lb-mol:
No SI e CGS: 1 mol (ou 1g-mol) = 6,02.1023 moléculas ou átomos.
No Sist. Inglês: 1 lb-mol = 454.6,02.1023 moléculas ou átomos.
Convenções em métodos de análises e medidasConvenções em métodos de análises e medidas
Se uma amostra contém N espécies, então o mol será =AN
Nn
.
Se a massa de uma amostra é m, então o seu mol será =M
mn
.
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iaConvenções em métodos de análises e medidasConvenções em métodos de análises e medidas
Densidade: É a razão da massa por unidade de volume (kg/m3, g/cm3 ou lb/ft3)
Obs.: Para sólidos e líquidos puros, a densidade é essencialmente independente da pressão e varia ligeiramente com a temperatura.
Água(l) 0oC 3,98oC 100oC
(g/cm3) 0,999868 1,00000 0,9838
Obs.: Muitas vezes se encontra o termo "densidade verdadeira ou absoluta", quando a medida é feita no vácuo, portanto eliminando o efeito do empuxo do ar, e "densidade aparente" quando é feita no ar. A diferença é desprezível.
Obs.: Cuidado com o termo "densidade aparente“! Se uma certa massa de areia é colocada em uma proveta, a relação entre esta massa e o volume lido também é chamada de densidade aparente. Não é a densidade real da substância areia, pois se conta no volume o ar contido nos espaços vazios entre os grãos de areia.
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Gravidade específica ou densidade relativa: É a relação entre a massa da substância e a massa de igual volume de uma substância de referência a uma temperatura padrão.
Convenções em métodos de análises e medidasConvenções em métodos de análises e medidas
6,0d204
3
3
3
ftlbm
m
kg
cm
g
43,62
1000
000,1
Para sólidos e líquidos: a densidade de referência a
da água a temperatura de 4oC
Para gases: costuma-se tomar como referência o ar a 0o C e a 1 atm de pressão.
Ex.:
ref
T4d
È a densidade relativa da substância a 20oC com relação a água a 4oC.
Volume específico: É o inverso da densidade (m3/kg, cm3/g ou ft3/lb).
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Obs: Quando trabalhamos com misturas o conceito de concentração torna-se importante.
Concentração molar ou molaridade é o número moles do soluto “A” por litro de solução.
3
31 dmmol
dm
molLmol
L
mol
)L(V
nM A
Molalidade é o número de moles do soluto “A” por kg de solvente.
kg
mol
m
nm
kg,solv
AA
Convenções em métodos de análises e medidasConvenções em métodos de análises e medidas
Fração molar: É a razão estabelecida entre o número de moles da espécie j (nj) e o número de moles da solução (n).
n
nY j
j
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iaConvenções em métodos de análises e medidasConvenções em métodos de análises e medidas
Ex: a composição química do ar é 21% de oxigênio e 79% de nitrogênio (incluindo Ar, CO2, Kr, Ne, etc.) em base molar ou volumétrica. Determinar a fração em massa.
Componente moles Peso molecular (g/mol)
g % em peso
Oxigênio (O2) 21 32 672 23,3
Nitrogênio (N2) 79 28 2212 76,7
Total 100 - 2884 100
Base de cálculo é uma referência escolhida que facilita os cálculos de um determinado problema.
Assim, a base de cálculo escolhida é igual a 100 moles de ar.
Fração mássica: É a razão estabelecida entre a massa da espécie j (mj) e a massa da solução (m).
m
mX j
j
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iaConvenções em métodos de análises e medidasConvenções em métodos de análises e medidas
Partes por milhão (ppm) e partes por bilhão (ppb) é uma forma de expressar concentrações de soluções extremamente diluídas (traços de espécies).
ppm ou ppb se refere a razão em massa (usual para sólidos e líquidos) ou molar (usual para gases) e significa tantas partes (gramas ou mols) da espécie j por milhão ou bilhão de partes (gramas ou mols) da mistura.
Assim, 6jj 10Yppm
9jj 10Yppb
Onde Yj é a fração molar.
Ex: 15 ppm de SO2: são 15 mols (usual para gás) de SO2 por milhão de mols de ar.
Em termos de fração molar: 6SO 1015Y
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iaConvenções em métodos de análises e medidasConvenções em métodos de análises e medidas
TemperaturaA temperatura de uma substância em um estado particular de agregação (sólido, líquido e gasoso) é uma medida da energia cinética média das espécies que a compõe. A temperatura é medida indiretamente através da propriedade física de uma substância que de alguma forma conhecida depende da temperatura.
Medindo a temperatura
Termômetro de mercúrio: Variação da densidade do mercúrio com a temperatura.
Termopar: A voltagem produzida pela junção de dois condutores diferentes varia com a temperatura.
Pirômetro: Espectro da radiação emitida pelo corpo quente.
32CT8,1FT
KT8,1RT
67,459FTRT
15,273CTKT
oo
o
oo
o
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iaConvenções em métodos de análises e medidasConvenções em métodos de análises e medidas
PressãoA força exercida por um gás sobre uma superfície é devido a seqüência incessante de colisões das partículas que o constituem sobre esta superfície.
Muitas colisões Fconstante pconstante
Medindo a pressão
Barômetro: Instrumento utilizado para medir a pressão atmosférica. É um tubo cheio de mercúrio (Hg), selado numa extremidade, mergulhado com a outra extremidade aberta numa cuba cheia de Hg. (Torricelli, discípulo de Galileu).
2m
N1Pa1
A
Fp
(equilíbrio mecânico)atmcolunadabase pp
bar01325,1)C4(OftH91,33)C0(inHg921,29
)psi(7,14)C0)(torr(mmHg760Pa101325atm1o
2o
in
lbo2f
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Manômetros: Instrumento utilizado para medir a pressão de uma amostra de gás no interior de um recipiente (vaso).
hgpabs atmabs phgp
Manômetro de tubo aberto
Manômetro de tubo fechado
Manômetro de tubo em U Manômetro de Bourdon
Convenções em métodos de análises e medidasConvenções em métodos de análises e medidas
Ex: O manômetro marca 87psi e a pressão barométrica local é de 28 inHg. Qual é a
pressão absoluta.
psia,,p
psia,inHg,
psi,inHgp
abs
atm
78100781387
78139229
71428
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iaConvenções em métodos de análises e medidasConvenções em métodos de análises e medidas
Vazão mássica (massa/tempo) e volumétrica (volume/tempo)Os medidores de vazão se classificam de acordo com o método de
medição:- Diferença da pressão: Placa de orifício, Tubo de Venturi, etc.- Medidores de área variável: Rotâmetros - Deslocamento positivo: palhetas rotativas, engrenagem, disco, etc.- Velocidade: vórtice, eletromagnéticos, ultra-sônicos, etc.- Medidores de massa: Coriolis, térmicos
Obs.: A densidade pode ser usada para converter vazão mássica em volumétrica e vice-versa.
Placa de orifício Rotâmetro
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lurg
iaConvenções em métodos de análises e medidasConvenções em métodos de análises e medidas
Equação química e estequiometria
C7H16 + 11O2 = 7CO2 + 8H2O
Heptano Reage com
Oxigênio Para formar
dióxido de carbono
e água
1 molécula de C7H16
11 moléculas de O2 7 moléculas de CO2 8 moléculas de água
1 mol de C7H16 11 moles de O2 7 moles de CO2 8 moles de água
1 Nm3 de C7H16 11 *Nm3 de O2 7 Nm3 de CO2 8 Nm3 de água
6.1023 moléculas de C7H16
11. 6.1023 moléculas de O2
7. 6.1023 moléculas de
CO2 8. 6.1023 moléculas de água
(7.12+16.1) = 100 gramas de C7H16
11.(2.16) = 352 gramas de O2
7.(12+2.16) = 308 gramas de CO2
8.(2.1+16) = 144 gramas de água
452 gramas 452 gramas
452 kg 452 kg
452 libras 452 libras
452 toneladas 452 toneladas
*medidos na CNTP
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J. H. Perry, Chemical Engineer´Handbook, McGraw-Hill
N. A. Lange, Handbook of Chemistry, McGraw-Hill
R. C. Reid e J. K. Sherwood, The Properties of Gases and Liquids
HSC Chemistry® programa de Cálculos Termodinâmicos da Outotec Research.
NIST - National Institute of Standards and Technology (http://www.nist.gov)
Propriedades Físico-químicas de CompostosPropriedades Físico-químicas de Compostos