a Princípios Elementares edição dos Processos Químicos

Princípios Elementares dos Processos Químicos

4a

edição

Richard M. FelderDepartamento de Engenharia Química e BiomolecularNorth Carolina State UniversityRaleigh, North Carolina

Ronald W. RousseauFaculdade de Engenharia Química e BiomolecularGeorgia Institute of TechnologyAtlanta, Georgia

Lisa G. BullardDepartamento de Engenharia Química e BiomolecularNorth Carolina State UniversityRaleigh, North Carolina

Tradução:Luiz Eduardo Pizarro BorgesProfessor da Seção de Engenharia QuímicaInstituto Militar de Engenharia, IME

ZeroFelder.indd 3 24/11/17sexta-feira 14:13

Os autores e a editora empenharam-se para citar adequadamente e dar o devido crédito a todos os detentores dos direitos autorais de qualquer material utilizado neste livro, dispondo-se a possíveis acertos caso, inadvertidamente, a identificação de algum deles tenha sido omitida.

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ELEMENTARY PRINCIPLES OF CHEMICAL PROCESSES, Fourth EditionCopyright © 2016, John Wiley & Sons, Inc.All Rights Reserved. This translation published under license with the original publi-sher John Wiley & Sons Inc.ISBN 978-0-470-61629-1

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Editoração Eletrônica:

CIP-BRASIL. CATALOGAÇÃO NA PUBLICAÇÃOSINDICATO NACIONAL DOS EDITORES DE LIVROS, RJ

F341p 4. ed.Felder, Richard M.Princípios elementares dos processos químicos / Richard M. Felder, Ronald W. Rousseau, Lisa G. Bullard ; tradução Luiz Eduardo Pizarro Borges. - 4. ed. - Rio de Janeiro : LTC, 2018. 28 cm.

Tradução de: Elementary principles of chemical processesInclui bibliografia e índice

ISBN 978-85-216-3491-1

1. Engenharia química. I. Rousseau, Ronald W. II. Bullard, Lisa G. III. Borges, Luiz Eduardo Pizarro. II. Título.

17-46055. CDD: 660.2 CDU: 661


Material Suplementar

Este livro conta com os seguintes materiais suplementares:

JJ Análise de Processos com Excel: arquivo em formato (.pdf) com instruções para instalação do APEx (acesso livre);

JJ APEx Tutorial Workbook: planilhas em formato (.xls) (acesso livre);JJ APEx - Aplicativo do Excel de análise de processos: Auxilia os estudantes na solução de sistemas

de equações algébricas usando a ferramenta Solver do Excel, em inglês (acesso livre);JJ APEx: Suplemento do Microsoft Excel (add-in) em inglês (acesso livre);JJ Estudos de Caso: arquivo em formato (.pdf) (acesso livre);JJ Ilustrações da obra em formato de apresentação em (.pdf) (restrito a docentes);JJ Notes to the Instructor: Notas didáticas para o professor em formato (.pdf) em inglês (restrito a docentes);JJ Notes with Gaps - Instructor Version: Notas de aulas e exercícios realizados com respostas. Arquivo

em formato (.pdf) em inglês (restrito a docentes);JJ Sample Responses to a Creativity Exercise: Amostra de resposta para um Exercício de Criatividade

em formato (.pdf) em inglês (Seção do livro-texto) (restrito a docentes);JJ Solutions Manual: Manual de Soluções em formato (.pdf) em inglês (restrito a docentes);JJ Tips for Student Success: Ensaios com dicas para o êxito do aluno em formato (.pdf) em inglês

(acesso livre).

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Um curso introdutório de balanço de massa e energia pos-sui tradicionalmente grande relevância no currículo da engenharia química. No nível mais óbvio, ele prepara o estudante para formular e resolver balanços de massa e energia de sistemas de processos químicos e estabelece as bases para cursos subsequentes em termodinâmica, fe-nômenos de transporte, processos de separação, cinética e projeto dos reatores e dinâmica e controle do proces-so. Mais fundamentalmente, ele introduz a abordagem de engenharia para resolver problemas relacionados com processos: dividir um processo em seus componentes, es-tabelecer as relações entre as variáveis conhecidas e des-conhecidas do processo, reunir as informações necessárias para resolver as incógnitas usando uma combinação de experimentação, empirismo e aplicação das leis naturais, e, finalmente, colocar essas partes juntas para obter a so-lução desejada do problema.

Tentamos neste livro realizar cada um desses propósi-tos. Além disso, ao reconhecer que o curso de balanço de massa e energia é muitas vezes o primeiro encontro real dos estudantes com o que eles acham que pode ser a profis-são escolhida por eles, procuramos fornecer no texto uma introdução realista, informativa e positiva para a prática da engenharia química. No primeiro capítulo examina-mos áreas em que recém-formados de engenharia química ingressaram e descrevemos a variedade de problemas de pesquisa, projeto e produção que eles poderiam enfrentar. No restante do livro, desenvolvemos sistematicamente a estrutura da análise elementar de processos: definições, medição e cálculo das variáveis de processo, leis de conser-vação e relações termodinâmicas que governam o desem-penho dos processos e propriedades físicas dos materiais de processo que devem ser determinadas a fim de se projetar um novo processo ou analisar e melhorar um já existente.

O processo químico constitui a moldura para a apre-sentação de todo o material do texto. Quando trazemos conceitos da físico-química, tais como pressão de vapor, so-lubilidade e capacidade calorífica, os apresentamos como quantidades cujos valores são necessários para determinar variáveis de processo ou para executar cálculos de balan-ço de massa e energia em um processo. Quando discuti-mos planilhas e técnicas computacionais, as apresentamos nessa mesma medida de necessidade de conhecimento no contexto da análise do processo.

Não muito aconteceu com as leis de conservação de massa e energia ou os princípios básicos da físico-química desde que a edição mais recente de Princípios Elementares apareceu há uma década, então os professores que usaram a terceira edição do livro vão notar algumas mudanças nos textos dos capítulos, embora estas não sejam dramá-ticas. A maior diferença está nos problemas, que refletem a expansão do escopo da engenharia química durante a existência deste livro, partindo das aplicações quase ex-

clusivamente em química industrial e petroquímica para a inclusão até as de biomédica, bioquímica, biomolecular, ambiental, energia, materiais e segurança. Existem cerca de 350 problemas novos e revisados nos finais dos capí-tulos nesta edição, muitos dos quais abordam essas áreas diversas. Adicionalmente, foi incorporado todo um novo conjunto de recursos para estudantes e professores, in-cluindo uma ferramenta baseada em planilha eletrônica que elimina grande parte do trabalho penoso de cálculos de rotina que exigem grandes gastos de tempo e têm pou-co valor instrutivo.

Os dois autores das três primeiras edições reconhecem com gratidão as contribuições de colegas e estudantes des-de que começaram a trabalhar no livro. Nossos agradeci-mentos vão para Dick Seagrave e os falecidos Professores John Stevens e David Marsland, que leram o primeiro ras-cunho da primeira edição e fizeram muitas sugestões para o seu aperfeiçoamento; o nosso chefe de departamento, o falecido Jim Ferrell, que nos deu incentivo inestimável quando nós impetuosamente (alguns podem dizer, tola-mente) nos lançamos no livro em nosso terceiro ano como membros do corpo docente; e os nossos colegas ao redor do mundo que nos ajudaram a preparar problemas e estudos de caso e sugeriram melhorias para cada edição sucessiva. Celebramos a disponibilidade dos estudantes da disciplina CHE 205, ministrada no outono de 1973 na North Caro-lina State University, que tiveram a má sorte de utilizar o rascunho do livro como texto do curso. Agradecemos também aos estudantes de graduação e pós-graduação da North Carolina State University que ajudaram a preparar os manuais de solução, e aos muitos alunos tanto da North Carolina State University como da Georgia Tech cujo tra-balho foi apontar erros no texto. Sabemos que eles o fize-ram devido ao senso de responsabilidade profissional, em vez de por uma motivação financeira.

Os três autores desta edição agradecem aos nossos cole-gas que contribuíram com ideias para problemas de final de capítulo em áreas de expertise distantes das nossas, cujos nomes estão indicados em notas de rodapé. Somos parti-cularmente gratos a Stephanie Farrell, Mariano Savelski e Stewart Slater, da Rowan University, por contribuírem com vários problemas excelentes extraídos de uma biblioteca de problemas de engenharia farmacêutica (veja <www.PharmaHUB.org>). O apoio ao desenvolvimento da biblio-teca foi fornecido por uma concessão da National Scien-ce Foundation por meio do Engineering Research Center for Structured Organic Particulate Systems, ECC0540855.

O apoio ao desenvolvimento dos problemas sobre es-calar o Kilimanjaro foi fornecido por concessões do Na-tional Science Foundation por intermédio da Division of Undergraduate Education, conceções números 0088437 e 1140631. Estes problemas foram contribuições de Stepha-nie Farrell, da Rowan University.

Prefácio da Quarta Edição

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Prefácio da Quarta Edição ix

Nossos sinceros agradecimentos vão também para Em-ma Barber, Michael Burroughs, Andrew Drake, David Hur-relbrink, Samuel Jasper, Michael Jones, William Kappler, Katie Kirkley, Manami Kudoh, George Marshall, Jonathan Mihu, Adam Mullis, Kaitlyn Nilsen, Cailean Pritchard, Jordan Shack, Gitanjali Talreja e Kristen Twidt, que contri-buíram para o desenvolvimento e teste do conteúdo online e do manual de solução da quarta edição, e especialmente para Karen Uffalussy, que meticulosamente leu cada frase e equação no manuscrito e pegou um número assustador de erros, alguns dos quais remonta à primeira edição.

Finalmente, agradecemos aos nossos colegas da Wiley, Dan Sayre e Jenny Welter, por sua ajuda em trazer esta e as edições anteriores à existência; Rebecca, Sandra e Michael por muitos anos de encorajamento e apoio infalíveis; e à falecida magnífica Mary Wade, que sem reclamar e com grande bom humor digitou revisão após revisão da primei-ra edição, até que os autores, incapazes de suportar mais, declaram o livro pronto.

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Posfácio:Introdução a um Autor

Muitos dos professores e estudantes que usaram este livro não conseguem informar o título dele sem consultar a capa. Isso porque desde a publicação da primeira edição, em 1978, a re-ferência a ele tem sido como o livro de “Felder e Rousseau”. É comum usar o sobrenome dos autores para se referir a livros didáticos e isso se tornou tão corriqueiro para este livro que um dos autores costuma ocasionalmente em apresentações informar ao público que seu primeiro nome é Ronald, não Felderand. Então, sabendo ou não o título, se você já fez uso dele antes, deve ter provavelmente notado que a lista de autores se metamorfoseou nesta edição para Fel-dereRousseaueBullard.

Quem é Bullard, você pode estar se perguntando. Antes de apresentarmos formalmente Li-sa, vamos contar-lhe uma historinha. Começamos a produzir este livro quando éramos jovens professores-assistentes não efetivos. Isso foi em 1972. No momento em que iniciamos a produ-ção da quarta edição, já não éramos mais professores não efetivos tampouco assistentes, e você pode fazer a conta para o quão “jovens” estamos. Concordamos que nossas carreiras e interes-ses seguiram direções distintas, e que se houver edições posteriores a esta, alguém teria de de-sempenhar um papel mais importante na sua elaboração. Fazia sentido trazer essa pessoa para trabalhar conosco e ajudar-nos a garantir uma transição suave nas futuras edições.

Rapidamente rascunhamos uma lista de atributos desejáveis para o nosso futuro coautor. Queríamos encontrar um excelente professor com uma grande experiência no ensino de balan-ços de massa e energia; um engenheiro experiente, com conhecimento sólido tanto na ciência como na arte prática de engenharia química; e um bom escritor, que pudesse continuar o tra-balho por muito tempo após os autores originais decidirem se dedicar integralmente aos filhos, netos, bons livros, peças de teatro, óperas, comidas e vinhos excelentes, e estadias ocasionais em hotéis cinco estrelas nos lugares paradisíacos mundo afora. (Preste a atenção, você tem as suas fantasias, nós temos as nossas.)

Encontramos alguns excelentes candidatos, e então chegamos a Lisa Bullard e encerramos nossa busca. Lisa reunia todos esses atributos, assim como era a melhor orientadora acadêmi-ca que seu coautor da North Carolina State University tinha visto ou ouvido falar; autora de artigos e apresentadora de seminários e workshops nacionais e internacionais sobre o ensino e orientação eficazes. E, assim, a convidamos para integrar nossa equipe, e ela aceitou. Sorte a nossa. E a sua também.

Felder & Rousseau

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As variáveis listadas serão expressas em unidades SI para fins ilustrativos, mas podem ser igualmente expressas em quaisquer unidades dimensionalmente consistentes.

a, b, c, d Constantes arbitrárias ou coeficientes de uma expressão polinomial para a ca-pacidade calorífica, como aquelas listadas no Apêndice B.2.

Cp[kJ/(mol K)], Cv [kJ/(mol K)] Capacidades caloríficas a pressão constante e volume constante, respectivamente.

Ek (kJ), E· k (kJ/s) Energia cinética, taxa de transporte de energia cinética por uma corrente de processo.

Ep (kJ), E· p (kJ/s) Energia potencial, taxa de transporte de energia potencial por uma corrente de processo.

f Conversão fracionária.

F (kJ/mol) Perda por atrito.

g(m/s2) Aceleração da gravidade, igual a 9,8066 m/s2 ou 32,174 ft/s2 ao nível do mar.

H(kJ), H· (kJ/s), H (kJ/mol) Entalpia de um sistema (H), taxa de transporte de entalpia por uma corrente de processo (H· ), entalpia específica (H). H 5 U 1 PV , todas elas determinadas em relação a um estado de referência especificado.

m(kg), m· (kg/s) Massa (m) ou vazão mássica (m· ) de uma corrente de processo ou de um com-ponente de uma corrente.

M(g/mol) Peso molecular de uma espécie.

n(mol), n· (mol/s) Número de mols (n) ou vazão molar (n· ) de uma corrente de processo ou de um componente de uma corrente.

pA(atm) Pressão parcial da espécie A em uma mistura de espécies gasosas, 5 yAP.

pA*(T)(atm) Pressão de vapor da espécie A à temperatura T.

P(atm) Pressão total de um sistema. A não ser que seja explicitamente dito o contrário, admita que P é a pressão absoluta e não relativa.

Pc(atm) Pressão crítica. Os valores desta propriedade são listados na Tabela B.1.

Pr Pressão reduzida. Razão entre a pressão do sistema e a pressão crítica, P/Pc.

Q(kJ), Q· (kJ/s) Calor total transferido a ou de um sistema (Q), taxa de transporte de calor a ou de um sistema (Q· ). Q é definido como positivo se o calor é transferido ao sistema.

R[kJ/(mol K)] Constante dos gases, dada em diferentes unidades na capa interna traseira deste livro, (GA).

MCNH, LNH, PCNH Abreviações para metros cúbicos normais por hora [m3(CNTP)/h], litros normais por hora [L(CNTP)/h] e pés cúbicos normais por hora [ft3(CNTP)/h], respecti-vamente; a vazão volumétrica de uma corrente gasosa se a corrente é trazida da sua temperatura e pressão reais às condições normais de temperatura e pressão (CNTP) (0°C e 1 atm).

DR Densidade relativa, ou a razão entre a massa específica de uma espécie e a mas-sa específica de uma espécie de referência. A abreviação é usada sempre para líquidos e sólidos neste texto, e usualmente refere-se às espécies para as quais a densidade relativa aparece listada na Tabela B.1.

t(s) Tempo.

Nomenclatura

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Nomenclatura xiii

T(K) Temperatura.

Tm, Tb, Tc(K) Temperatura do ponto de fusão, temperatura do ponto de ebulição e temperatura crítica, respectivamente. Os pontos de ebulição e de fusão normais são os valores dessas propriedades à pressão de uma atmosfera. Os valores destas propriedades aparecem listados na Tabela B.1.

Tr Temperatura reduzida. Razão entre a temperatura do sistema e a temperatura crítica, T/Tc.

u(m/s) Velocidade.

U(kJ), U· (kJ/s), U(kJ/mol) Energia interna de um sistema (U), taxa de transporte de energia interna por uma corrente de processo (U· ), energia interna específica (U), todas elas relativas a um estado de referência especificado.

vA (m3) Volume do componente puro da espécie A em uma mistura de espécies gasosas, = yAV.

V(m3), V· (m3/s), V(m3/mol) Volume (V) de um fluido ou de uma unidade de processo, vazão volumétrica (V· ) de uma corrente de processo, volume específico (V ) de um material do processo.

W(kJ), W·s(kJ/s) Trabalho transferido a ou de um sistema (W), taxa de transporte de trabalho de

eixo a ou de um sistema de processo contínuo (W·s). W é definido como positivo

(neste texto) se o trabalho é transferido de um sistema para as suas vizinhanças.

x, y, z Fração mássica ou fração molar de uma espécie em uma mistura (normalmente usam-se subscritos para identificar a espécie). Em sistemas líquido-vapor, x nor-malmente representa a fração no líquido e y representa a fração na fase vapor. z pode também significar o fator de compressibilidade de um gás.

Letras gregas

Em sistemas fechados (batelada) X representa a diferença Xfinal Xinicial, em que X é qualquer propriedade do sistema. Em sistemas abertos (contínuos), X· representa a diferença X· saída X· entrada.

DHc°(kJ/mol) Calor padrão de combustão, a variação de entalpia quando um g-mol de uma espécie a 25°C e 1 atm sofre combustão completa e os produtos estão à mesma temperatura e pressão. Calores padrão de combustão estão listados na Tabela B.1.

DHf°(kJ/mol) Calor padrão de formação, a variação de entalpia quando um g-mol de uma espécie a 25°C e 1 atm é formada a partir dos seus elementos nos seus estados em que ocorrem naturalmente (por exemplo, H2, O2). Calores padrão de formação estão listados na Tabela B.1.

DHm(T, P) (kJ/mol) Calor de fusão à temperatura T e pressão P, a variação de entalpia quando um g-mol de uma espécie passa de sólido para líquido, a temperatura e pressão constantes. Calores de fusão a 1 atm e o ponto de fusão normal são listados na Tabela B.1.

DHv(T, P) (kJ/mol) Calor de vaporização a temperatura T e pressão P, a variação de entalpia quando um g-mol de uma espécie passa de líquido para vapor, a temperatura e pressão constantes. Calores de vaporização a 1 atm e o ponto de ebulição normal estão listados na Tabela B.1.

DHr(T) (kJ) Calor de reação, a variação de entalpia quando quantidades estequiométricas de reagentes a uma temperatura T reagem completamente a temperatura constante.

A(mol), ·A(mol/s) Coeficiente estequiométrico da espécie A em uma reação química, definido como positivo para produtos e negativo para reagentes. Para N2 1 3H2 2NH3, N2

5 1 mol, H2 5 3 mols, NH3

5 2 mols.


xiv Nomenclatura

Extensão da reação. Se nA0(mols) da espécie reativa A estão inicialmente presentes em um reator e nA(mols) estão presentes algum tempo após, então a extensão da reação neste momento é 5 (nA0 nA)/A, em que A (mol A) é o coeficiente estequiométrico de A na reação. Se A é um produto cujo coeficiente estequiomé-trico é 2, então nA na equação para x será 2 mols de A; se A é um reagente, então nA será 2 mols de A. Em um sistema contínuo, nA e nA seriam substituídos por n· A (mol A/s) e n·A (mol A/s). O valor de é o mesmo, independentemente de qual reagente ou produto é escolhido como espécie A.

(kg/m3) Massa específica.

OutrOs símbOLOs· (por exemplo, m· ) Vazão, como vazão mássica.

ˆ (por exemplo, U) Propriedade específica, como energia interna específica.

( ) Parênteses são usados para expressar uma dependência funcional, como p*(T), que significa uma pressão de vapor que depende da temperatura, e também para indicar as unidades das variáveis, como m(g), que significa uma massa em gramas. Cada um dos usos pode normalmente distinguir-se facilmente pelo contexto.


Absorção Um processo no qual uma mistura gasosa é posta em contato com um solvente líquido e um componente (ou vários) do gás se dissolve no líquido. Em uma coluna de absorção ou torre de absorção (ou simplesmente ab-sorvedor), o solvente entra pelo topo da coluna, escoa para baixo e sai pelo fundo, enquanto o gás entra pelo fundo, escoa para cima (em contato com o líquido) e sai pelo topo.

Adiabático Termo aplicado a um processo no qual nenhum calor é transferido entre o sistema do processo e as suas vizinhanças.

Adsorção Um processo no qual uma mistura líquida ou gasosa entra em contato com um sólido (o adsorvente) e um componente da mistura (o adsorbato) adere à superfície do sólido.

Barômetro Um dispositivo que mede a pressão atmosférica.Bomba Um dispositivo usado para impulsionar um líquido ou uma lama de um local para outro, normalmente atra-

vés de uma tubulação.Caldeira Uma unidade de processo na qual tubos passam através de uma fornalha de combustão. A água de alimen-

tação circula pelos tubos e o calor transferido dos produtos quentes da combustão através das paredes dos tubos converte a água de alimentação em vapor.

Calibração (de um instrumento para a medição de uma variável de processo) É um procedimento no qual um instru-mento é usado para medir vários valores independentes de variáveis de processo, e é traçada uma curva de calibração dos valores conhecidos das variáveis versus a leitura correspondente do instrumento. Uma vez que o instrumento esteja calibrado, as leituras obtidas com ele podem ser convertidas em valores equivalentes da variável de processo diretamente da curva de calibração.

Calor Energia transferida entre um sistema e as suas vizinhanças como consequência de uma diferença de tempera-tura. O calor flui sempre da temperatura maior para a menor. É definido convencionalmente como positivo quando flui para um sistema a partir de suas vizinhanças.

Catalisador Uma substância que aumenta significativamente a taxa de uma reação química, embora não seja nem um reagente nem um produto.

Compressor Um dispositivo que aumenta a pressão de um gás.Condensação Um processo no qual um gás é resfriado e/ou comprimido, provocando a liquefação de um ou mais dos

seus componentes. Os gases não condensados e o condensado líquido deixam o condensador como correntes separadas.Cristalização Um processo no qual uma solução líquida é resfriada ou o solvente é evaporado até que se formem

cristais sólidos de soluto. Os cristais na lama (suspensão de sólidos em um líquido) que sai do cristalizador podem subsequentemente ser separados do líquido em um filtro ou em uma centrífuga.

Decantador Um dispositivo no qual duas fases líquidas ou uma fase líquida e uma fase sólida são separadas por gravidade.

Destilação Um processo no qual uma mistura de duas ou mais espécies químicas alimenta uma coluna vertical, que pode conter uma série de pratos horizontais espaçados verticalmente ou um recheio sólido através do qual o flui-do pode escoar. Misturas líquidas dos componentes da alimentação escoam para baixo, enquanto misturas gasosas escoam para cima. Através da coluna acontecem o contato entre as fases, a condensação parcial do vapor e a vapo-rização parcial do líquido. O vapor fluindo para cima se torna progressivamente mais rico nos componentes mais voláteis da alimentação, enquanto o líquido fluindo para baixo se torna mais rico nos componentes menos voláteis. O vapor que sai pelo topo da coluna é condensado: parte dele é retirado como produto de topo e o resto é reciclado para a coluna como refluxo, constituindo-se na corrente líquida que flui para baixo. O líquido que sai pelo fundo da coluna é parcialmente vaporizado: o vapor é reciclado para a coluna como boilup, constituindo-se na corrente de vapor que flui para cima, e o líquido residual é retirado como produto de fundo.

Energia interna (U) A energia total das moléculas individuais em um sistema (diferente das energias cinética e potencial do sistema como um todo). U é uma função forte da temperatura, da fase e da estrutura molecular, e uma função fraca da pressão (é independente da pressão para gases ideais). O seu valor absoluto não pode ser determi-nado, de forma que é sempre expresso em relação a um estado de referência no qual é definido como zero.

Entalpia (H) Propriedade de um sistema definida como H 5 U 1 PV, em que U 5 energia interna, P 5 pressão absoluta e V 5 volume do sistema.

Evaporação (vaporização) Um processo no qual um líquido puro, uma mistura líquida ou um solvente em uma so-lução evapora.

Extração (extração líquida) Um processo no qual uma mistura líquida de duas espécies (o soluto e o solvente da ali-mentação) é posta em contato, em um misturador, com um terceiro líquido (o solvente) que é imiscível ou quase imiscível com o solvente da alimentação. Quando os líquidos são misturados, o soluto se transfere do solvente da

Glossário de Termos de Processos Químicos

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xvi Glossário de Termos de Processos Químicos

alimentação para o solvente. A mistura final é deixada em repouso, formando duas fases que são logo separadas por gravidade em um decantador.

Fator de compressibilidade, z z 5 PV/nRT para um gás. Se z 5 1, então PV 5 nRT (a equação de estado do gás ideal) e o gás se comporta de forma ideal.

Filtração Um processo no qual uma lama de partículas sólidas (muitas vezes cristais) suspensas em um líquido pas-sa através de um meio poroso. A maior parte do líquido passa através do meio (por exemplo, um filtro) para formar o filtrado, e os sólidos e algum líquido são retidos no filtro, formando a torta de filtro. A filtração pode também ser usada para separar sólidos ou líquidos de gases.

Gás de chaminé O produto gasoso que sai de uma fornalha de combustão.Graus de liberdade Quando aplicado a um processo geral, refere-se à diferença entre o número de variáveis do pro-

cesso desconhecidas e o número de equações que relacionam estas variáveis; o número de variáveis desconhecidas cujos valores devem ser especificados antes que os valores restantes possam ser calculados. Quando aplicado a um sistema em equilíbrio, refere-se ao número de variáveis intensivas do sistema cujos valores devem ser especificados antes que os valores restantes possam ser calculados. Os graus de liberdade neste segundo sentido são determinados usando a Regra das Fases de Gibbs.

Lavador de gases (scrubber) Uma coluna de absorção projetada para remover um componente indesejável de uma corrente gasosa.

Membrana Uma fina película líquida ou sólida através da qual uma ou mais espécies em uma corrente de processo podem permear.

Percentagem em volume (%v/v) Para misturas líquidas, a percentagem do volume total ocupada por um compo-nente em particular; para gases ideais, o mesmo que percentagem molar. Para gases não ideais, a percentagem em volume não tem nenhum significado físico importante.

Ponto de bolha (de uma mistura de líquidos a uma pressão dada) A temperatura na qual aparece a primeira bolha de vapor quando a mistura é aquecida.

Ponto de ebulição (a uma pressão dada) Para uma espécie pura, é a temperatura na qual o líquido e o vapor podem coexistir em equilíbrio à pressão dada. Quando aplicado ao aquecimento de uma mistura de líquidos exposta a um gás à pressão dada, é a temperatura na qual a mistura começa a ferver.

Ponto de orvalho (de uma mistura gasosa a uma pressão dada) A temperatura na qual aparece a primeira gota de líquido quando a mistura é resfriada a pressão constante.

Pressão crítica, Pc A pressão mais elevada na qual podem coexistir as fases líquida e vapor para uma espécie química.Pressão de vapor A pressão na qual um líquido puro A pode coexistir com seu vapor a uma temperatura dada. Neste

livro, as pressões de vapor podem ser determinadas a partir de dados tabelados (Tabelas B.3 e B.5 a B.7 para água), da equação de Antoine (Tabela B.4).

Produto de fundo O produto que sai pelo fundo de uma coluna de destilação. O produto de fundo é relativamente rico nos componentes menos voláteis da alimentação da coluna.

Produto de topo O produto que sai pelo topo de uma coluna de destilação. O produto de topo é relativamente rico nos componentes mais voláteis da alimentação da coluna.

Retificação (stripping) Um processo no qual um líquido contendo um gás dissolvido flui para baixo em uma colu-na e um gás (gás de retificação) flui para cima em condições tais que o gás dissolvido deixa a solução e é carregado pelo gás de retificação.

Secagem Um processo no qual um sólido molhado é aquecido ou posto em contato com uma corrente de gás quente, causando a evaporação de parte ou de todo o líquido que molha o sólido. O vapor e o gás no qual o primeiro evapora saem do secador como uma única corrente gasosa, e o sólido e o líquido residual saem como uma segunda corrente.

Temperatura crítica, Tc A temperatura mais elevada na qual as fases líquida e vapor podem coexistir para uma es-pécie química. A temperatura e pressão críticas, coletivamente denominadas como constantes críticas, estão listadas para várias espécies na Tabela B.1.

Trabalho Energia transferida entre um sistema e as suas vizinhanças como consequência do movimento contra uma força resistiva, eletricidade ou radiação, ou qualquer outra força motriz, exceto uma diferença de temperatura. Neste livro, trabalho é definido como positivo se ele flui para um sistema a partir de suas vizinhanças.

Trabalho do eixo Todo o trabalho transferido entre um sistema contínuo e as suas vizinhanças fora aquele feito por ou sobre o fluido na entrada e na saída do sistema.

Trocador de calor Uma unidade de processo através da qual duas correntes fluidas a diferentes temperaturas escoam pelos lados opostos de uma barreira metálica (por exemplo, um feixe de tubos metálicos). O calor é transferido da corrente de maior temperatura através da barreira para a corrente de menor temperatura.

Vaporização flash Um processo no qual uma alimentação líquida a alta pressão é exposta subitamente a uma pressão menor, provocando uma vaporização parcial. O vapor produzido é rico nos componentes mais voláteis e o líquido residual é rico nos componentes menos voláteis.


Sobre os Autores viiPrefácio da Quarta edição viiiNotas aos Professores xPosfácio: introdução a um Autor xiNomenclatura xiiGlossário de Termos de Processos Químicos xv

PARTe 1 Análise de Problemas de engenharia 1CAPíTuLo 1 o que Alguns engenheiros Químicos Fazem da Vida 3

CAPíTuLo 2 introdução a Cálculos de engenharia 52.0 Objetivos de Aprendizagem 52.1 Unidades e Dimensões 62.2 Conversão de Unidades 72.3 Sistemas de Unidades 82.4 Força e Peso 102.5 Estimação e Cálculos Numéricos 112.6 Homogeneidade Dimensional e Quantidades

Adimensionais 182.7 Representação e Análise de Dados de Processos 202.8 Resumo 28Problemas 28

CAPíTuLo 3 Processos e Variáveis de Processo 413.0 Objetivos de Aprendizagem 413.1 Massa e Volume 423.2 Vazão 443.3 Composição Química 463.4 Pressão 523.5 Temperatura 583.6 Resumo 61Problemas 62

PARTe 2 BALANçoS de MASSA 81CAPíTuLo 4 Fundamentos de Balanços de Massa 834.0 Objetivos de Aprendizagem 834.1 Classificação de Processos 844.2 Balanços 844.3 Cálculos de Balanço de Massa 894.4 Balanços em Processos de Múltiplas

Unidades 1064.5 Reciclo e Desvio 111

4.6 Estequiometria das Reações Químicas 1184.7 Balanços em Processos Reativos 1284.8 Reações de Combustão 1464.9 Algumas Considerações Adicionais Acerca de

Processos Químicos 1544.10 Resumo 157Problemas 158

CAPíTuLo 5 Sistemas Monofásicos 1965.0 Objetivos de Aprendizagem 1975.1 Massas Específicas de Líquidos e Sólidos 1975.2 Gases Ideais 1995.3 Equações de Estado para Gases Não Ideais 2075.4 A Equação de Estado do Fator de

Compressibilidade 2145.5 Resumo 220Problemas 221

CAPíTuLo 6 Sistemas Multifásicos 2496.0 Objetivos de Aprendizagem 2506.1 Equilíbrio de Fases de um Componente Puro 2526.2 A Regra das Fases de Gibbs 2576.3 Sistemas Gás-Líquido: Um Componente

Condensável 2596.4 Sistemas Gás-Líquido Multicomponentes 2656.5 Soluções de Sólidos em Líquidos 2736.6 Equilíbrio entre Duas Fases Líquidas 2806.7 Adsorção sobre Superfícies Sólidas 2846.8 Resumo 287Problemas 289

PARTe 3 Balanços de energia 323CAPíTuLo 7 energia e Balanços de energia 3257.0 Objetivos de Aprendizagem 3267.1 Formas de Energia: A Primeira Lei da

Termodinâmica 3277.2 Energias Cinética e Potencial 3287.3 Balanços de Energia em Sistemas Fechados 3307.4 Balanços de Energia em Sistemas Abertos no

Estado Estacionário 3327.5 Tabelas de Dados Termodinâmicos 3377.6 Procedimentos de Balanço de Energia 3417.7 Balanços de Energia Mecânica 3447.8 Resumo 348Problemas 350

Sumário

xvii


xviii Sumário

CAPíTuLo 8 Balanços em Processos Não Reativos 3698.0 Objetivos de Aprendizagem 3698.1 Elementos dos Cálculos de Balanços de

Energia 3708.2 Mudanças na Pressão a Temperatura

Constante 3778.3 Mudanças na Temperatura 3788.4 Operações de Mudança de Fase 3908.5 Mistura e Solução 4088.6 Resumo 418Problemas 420

CAPíTuLo 9 Balanços em Processos Reativos 4549.0 Objetivos de Aprendizagem 4559.1 Calores de Reação 4559.2 Medição e Cálculo de Calores de Reação:

Lei de Hess 4609.3 Reações de Formação e Calores de Formação 4619.4 Calores de Combustão 4639.5 Balanços de Energia em Processos Reativos 4649.6 Combustíveis e Combustão 4799.7 Resumo 488Problemas 490

CAPíTuLo 10 Balanços em Processos Transientes 52510.0 Objetivos de Aprendizagem 52510.1 A Equação Geral do Balanço… de Novo 52510.2 Balanços de Massa 52910.3 Balanços de Energia em Processos Monofásicos

Não Reativos 535

10.4 Balanços Transientes Simultâneos 54010.5 Resumo 544Problemas 544

APêNdiCe A Técnicas Computacionais 559A.1 O Método dos Mínimos Quadrados 559A.2 Solução Iterativa de Equações Algébricas

Não Lineares 561A.3 Integração Numérica 573

APêNdiCe B Tabelas de Propriedades Físicas 578B.1 Propriedades Físicas Selecionadas 579B.2 Capacidades Caloríficas 585B.3 Pressão de Vapor da Água 588B.4 Constantes da Equação de Antoine 590B.5 Propriedades do Vapor Saturado:

Tabela da Temperatura 592B.6 Propriedades do Vapor Saturado:

Tabela da Pressão 593B.7 Propriedades do Vapor Superaquecido 596B.8 Entalpias Específicas de Gases Selecionados:

Unidades SI 598B.9 Entalpias Específicas de Gases Selecionados:

Unidades Americanas de Engenharia 598B.10 Capacidades Caloríficas Atômicas para a

Regra de Kopp 599B.11 Calores Integrais de Solução e de Mistura

a 25°C 599

Respostas dos Testes 600

Respostas de Problemas Selecionados 608

índice 612


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