Principios de Processos Químicos 1

Princpios de Processos Qumicos

Este material destinado como APOIO aos livros-textos utilizados pela disciplina de Princpios de Processos

Qumicos/UFSJ e aos alunos que cursam a disciplina durante o 1 Semestre de 2013.

Conforme explicado durante as aulas, essa verso contm

pequenos erros que sero corrigidos futuramente, portanto, importante reforar que o contedo da disciplina dever

ser estudada pelos livros-textos.

proibida a divulgao e distribuio deste material a terceiros.


Converso de Unidades


Dimenses: so as grandezas bsicas como comprimento, tempo, massa, temperatura.

Unidades: so os meios de expressar as dimenses como centmetros ou ps (ft) para comprimento, horas ou segundos para tempo.

Sistema de Unidades Sistema Internacional (SI)

Sistema Americano de Unidade de Engenharia (AE)


SI AE Comprimento m ft (p)

Massa kg lb ou lbm (libra massa)

Tempo s s, min, h, dia

Temperatura K R (Rankine), F (Fahrenheit)

Quantidade Molar

mol lbmol (libra mol)

Fora N (kg.m/s2) lbf (libra fora)

Energia J (kg.m2/s2) BTU (British Thermal Unit) = ft. lbf

Potncia W (kg.m2/s3) hp (horse power)

Prefixo das Unidades Mltiplas

Exerccios de Converso de Unidades (usar as tabelas)

a) 2 km para milhas (mi);

b) 1 cm/s2 para km/ano2;

c) 5 ton/h para kg/s;

d) 20 L/min para m3/s;

e) 1 g/cm3 para kg/m3;

f) 1 g/cm3 para lb/ft3.

a) 1,24 mi

b) 9,95.109 km/ano2;

c) 1,39 kg/s;

d) 3,33.10-4m3/s;

e) 1000 kg/m3;

f) 62,30 lb/ft3.

Princpios de Processo Qumicos

Processos e Variveis de Processos


PROCESSO: qualquer operao ou srie de operaes atravs das quais um objetivo particular atingido

Alimentao (input)

Sada Produto (output)

Correntes de Processo

Unidades de Processo


O Engenheiro Qumico capaz de PROJETAR ou OPERAR o processo.

Projeto: inclui a formulao do fluxograma de processos e as especificaes de cada unidade (reatores, trocadores de calor, separadores) e as variveis de operao.

O Engenheiro Qumico deve ser capaz de medir ou calcular as quantidades, composies e condies dos materiais das correntes de processo e das unidades, ou seja, avaliar as

variveis que influenciam no processo.


1. Massa e Volume

- A massa especfica ou densidade () de uma substncia a massa por unidade de volume da substncia

kg/m3; g/cm3.

- O volume especfico de uma substncia o volume ocupado por uma unidade de massa da substncia; o inverso da massa especfica.


1. Massa e Volume

* As massas especficas de lquidos e slidos puros so essencialmente independentes da presso e variam pouco com a temperatura. Para gases e mistura de lquidos so estudados mtodos de estimao em Fisico-Qumica.

* As massas especficas de compostos puros, solues e misturas podem ser encontradas no Perrys.

PERRY, R.H.; GREEN, D.W. MALONEY, J.O. Perrys Chemical Engineers Handbook, 7 ed. McGraw-Hill, 1997.


1. Massa e Volume

Exemplo:

Sabendo que a massa especfica do tetracloreto de carbono (CCl4) 1,595 g/cm

3, calcule:

a) A massa de 20 cm3 de CCl4.

b) O volume de 6,20 lb de CCl4.


1. Massa e Volume

Densidade Relativa (DR)

massa especfica de uma substncia

massa especfica de uma substncia em uma condio referencia

A referncia para slidos e lquidos a gua a 4 C, pois o gua(4 C) = 1,000 g/cm

3.


1. Massa e Volume

Exemplo: Qual a densidade do cloreto de sdio (NaCl), em [g/cm3], [kg/m3] e [lb/ft3]?

= 2,163 g/cm3;

= 2,163 . 103 kg/m3;

= 2,163 . 62,3 lb/ft3.


1. Massa e Volume

Exemplo:

a) Calcule a massa especfica do mercrio (Hg) em [lb/ft3].

Resposta: 843,91 lb/ft3.

b) Calcule o volume em ft3 ocupado por 215 kg de mercrio (Hg).

Resposta: 0,56 ft3.


2. Vazo

A vazo a taxa qual o material transportado atravs de uma linha de processo.


2. Vazo

Sabendo-se q massa especfica do fludo possvel determinar vazo mssica (conhecida a vazo volumtrica) ou vice-versa.


2. Vazo

Exemplo:

a) Qual a vazo mssica de uma corrente de CCl4 (=1,595 g/cm3), que possui vazo volumtrica de 100 cm3/min?

Resposta: 159,5 g/min


2. Vazo

Equipamentos de medida de vazo:

Rotmetro

Medidor de Orifcio


3. Presso

Presso a razo entre a fora e a rea sobre

a qual a fora atua

Area (m2)

Fora (N)

Presso (N/m2) = Pa

Presso (lbf/in2) = psi

Medidor de Presso

Coluna de lquidos limite de deteco abaixo de 3 atm

Medidor de presso diferencial

Tubo de Boudon

Medidor com elementos elsticos Limite: perto do vcuo at 7000 atm


4. Temperatura

Medio

- Termmetro comum - massa fixa de um fluido.

- Termopar - tenso da unio de dois metais diferentes.

- Pirmetro - espectro da radiao infravermelho emitida.


4. Temperatura

Escalas de Temperatura

C K F R

100 373 212 672

0 273 32 492

-273 0 -460 0

180 100

Ponto de ebulio da gua a 1 atm

Ponto de congelamento da gua a 1 atm

Zero absoluto


4. Temperatura

Relaes entre as temperaturas de diferentes escalas T (K) = T(C) + 273,15;

T (R) = T(F) + 459,63;

T (R) = 1,8 T(K);

T (F) = 1,8 T(C) + 32;


4. Temperatura

Exerccio: Converta 200 C para : a) K

b) F

c) R

Respostas

a) 473,15 K

b) 392 F

c) 851,67 R


5. Composio Qumica A maior parte dos materiais encontrados na natureza e em processos qumicos uma mistura de vrias espcies.

1 - Substncia Pura a) Monxido de carbono CO

MMCO = 28 g/mol ou (g/gmol) MMCO = 28 lbm/lbmol; MMCO = 28 ton/ton-mol;


5. Composio Qumica

b) 34 kg amnia possui quantos mols (MMNH3=17)? c) Qual a massa de 4 lbmol de NH3?


5. Composio Qumica

Vazo mssica/molar

a) O CO2 (MM=44) flui por uma tubulao com taxa de

100 kg/h. Qual a vazo molar?

b) A corrente de sada de um reator contm CO2, fluindo a uma taxa de 850 lbmol/min. Qual a vazo mssica?


5. Composio Qumica 2 - Correntes Mullticomponentes. Geralmente as correntes so misturas de gases ou lquidos.

- frao mssica

- frao molar


5. Composio Qumica 2 - Correntes Mullticomponentes. Exemplo 1: Uma soluo contm 15% A em massa (xA = 0,15) e 20% B molar (yB = 0,20). a) Calcule a massa de A em 175 kg de soluo.

b) Qual a vazo mssica de A na corrente de soluo com vazo de 53 lb/h? c) Vazo molar de B em uma corrente com vazo de 1000 mol/min. d) Qual a vazo total da soluo que corresponde a uma vazo molar de 28 kmol de B/s? e) Qual a massa da soluo que contm 300 lb de A?


5. Composio Qumica

2 - Correntes Mullticomponentes. Massa molecular mdia de uma mistura


5. Composio Qumica 2 - Correntes Mullticomponentes. Massa molecular mdia de uma mistura Exemplo: Qual a massa molecular mdia do ar? *Sabendo que para os clculos da engenharia a composio do ar simplificada em 79% de nitrognio e 21% de oxignio.


Balano de Massas sem reao qumica

Prof. Dr. Demian P. Fabiano

Balano de Massas sem Reao Qumica

Conceitos de engenharia:

Sistema - uma parte do processo onde se quer fazer uma anlise.



Sistema aberto ou sistema com escoamento - o sistema no qual o material est cruzando as fronteiras.



Sistema fechado - No h entrada nem sada de material pelas fronteiras do sistema.


Conceitos de engenharia

Sistema estacionrio ou em estado estacionrio - as condies dentro do processo no variam com o tempo (processo contnuo).

100 L/min

100 L/min



Sistema no-estacionrio ou transiente - parte ou todas as variveis do processo e suas correntes de entrada e sada variam com o tempo.

100 L/min

80 L/min

Acumulo de 20 L/min



Sistema no-estacionrio ou transiente - parte ou todas as variveis do processo e suas correntes de entrada e sada variam com o tempo.

100 L/min

130 L/min

Acumulo negativo de 30 L/min



Sistema estacionrio ou em estado estacionrio - as condies dentro do processo no variam com o tempo (processo contnuo).

100 L/min

100 L/min

0


Processos qumicos

Processo batelada: a alimentao carregada no sistema no incio do processo e os produtos so retirados juntos depois de um tempo.

Processo carregado Processo descarregado Reage


Processos qumicos

Processos contnuos: a entrada e sada fluem continuamente.


Processos qumicos

Processos semi-batelada (ou semi-contnuo): no nem batelada e nem contnuo.

Exemplo: O processo alimentado e no h remoo do produto, por exemplo no enchimento de um cilindro de gs.

O processo apenas libera o material que est no sistema, como caso da gua em um evaporador.

Equao Geral do Balano de Massas

Reator Qumico

Massa ENTRA Massa

GERADA

Massa SAI

Massa CONSUMIDA

Massa ACUMULADA


Unidade de Processo

=

1. Balano em processo contnuo em Estado Estacionrio

0

Com reao qumica

Sem reao qumica

0 0

No E.E.


1. Balano em processo contnuo em Estado Estacionrio

Exemplo: Balano de massas em um Destilador

Destilador 1000 kg/h 50% benzeno 50% tolueno

450 kg B /h (kg T /h)

(kg B /h) 475 kg T /h


Estratgias para resolver balano de massas dados: correntes de entrada/sada deduo das equaes resoluo das equaes

1 - Ler atentamente o enunciado do problema; 2 - Esboce o diagrama do processo; 3 - Rotule o diagrama (smbolo, nmeros, unidades); * verificar as unidades


Estratgias para resolver balano de massas

3 - Rotule o diagrama (smbolo, nmeros, unidades);

* verificar as unidades

Misturador

gua 100 kg/min

NaOH 20 kg/h

Produto x (NaOH/gua)





100 kg-mol/min 0,6 kg-mol N2/min 0,4 kg-mol O2/min

60 kg-mol N2/min 40 kg-mol O2/min

ou





400 mol/h de uma soluo de gua/etanol x (molgua/molsoluo) (1-x) (moletanol/molsoluo)



4 - Obtenha os dados necessrios para resolver o problema que no tenha sido fornecido.

5 - Escolha uma base de clculos. Qual base escolher?

Soluo de NaOH/H2O XH2O = 0,6 XNaOH = 0,4

Processo

m = ???



6 - Faa a anlise do grau de liberdade (GL): - Conte quantas incgnitas; - Conte quantas equaes que as solucionam.

GL = 0 - o problema pode ser resolvido;

GL > 0 - (mais incgnitas) o problema no pode ser

resolvido;

GL < 0 - (mais equaes) o problema mal rotulado com relaes redundantes.


Estratgias para resolver balano de massas 7 - Resolva a equao;

8 - Se a quantidade demandada for diferente das calculadas

faa a escalonamento do processo.

Processo 1 kg de tolueno

1 kg de benzeno 2 kg mistura 0,5 benzeno 0,5 tolueno


1 kg de benzeno


10 kg de benzeno


300 kg de benzeno 600 kg mistura 0,5 benzeno 0,5 tolueno

2 kg mistura 0,5 benzeno 0,5 tolueno

20 kg mistura 0,5 benzeno 0,5 tolueno

x10

x30


Exemplo: Balano em uma unidade de mistura

Uma soluo aquosa de NaOH contm 20% em massa de NaOH. Deseja-se produzir uma soluo de 8% de NaOH diluindo a corrente original com gua pura.

Calcule as razes (litros de gua/kg da soluo original) e (kg soluo de produto/kg soluo original)

Balano de Massas sem Reao Qumica Balano em processos de mltiplas unidades

Os processos qumicos industriais so compostos de diversas unidades como misturados, colunas de destilao, reatores, trocadores de calor, separadores de produtos e reagentes no consumidos, removedores de poluentes perigosos ao meio-ambiente, entre outras .

Unidade 1 Unidade 2 A1

A2

A3 P1 P2

P3 M2 M3 M1

Balano Global Entradas: A1, A2, A3 Sadas: P1, P2, P3

Unidade 1 Unidade 2 A1

A2

A3 P1 P2

P3 M2 M3 M1

Ponto de Mistura Entradas: A1, A2 Sadas: M1

Unidade 1 Entradas: M1 Sadas: P1, M2

Ponto de Separao Entradas: M2 Sadas: P2, M3

Unidade 2 Entradas: M3, A3 Sadas: P3


Balano em processos de mltiplas unidades

O procedimento para resoluo para sistemas com

multiunidades o mesmo j apresentado, a diferena que deve

escrever o balano para os vrios subsistemas do processo, de

modo a obter equaes suficientes para resolver todas incgnitas.

Deve-se analisar o grau de liberdade de cada subsistemas

considerando apenas as correntes que cruzam suas fronteiras.

Balano em processos de mltiplas unidades Exemplo: Processo com duas unidades

Processo contnuo em Estado Estacionrio; Cada corrente possui dois componentes (A e B) em diferentes propores; Determine as corrente: , , x1, x2 e x3

Unidade 1 Unidade 2

100 kg/h 0,5 kg A/kg 0,5 kg B/kg




x1 (1-x1)

x2 (1-x2)

x3 (kg A/kg) (1-x3) (kg B/kg)


Em uma reao AB, realizada em um reator, quase sempre

alguma quantidade de A ser encontrada junto ao produto final.

Assim, para evitar desperdcio de reagente, uma corrente de A

no reagido reciclada corrente de alimentao.

REATOR SEPARADOR A

A

A

A + A A + B B

Reciclo em processos



REATOR SEPARADOR

A 70 kg/h

A 30 kg/h

A + A 100 kg/h

A + B 30 kg/h + 70 kg/h

B 70 kg/h

Converso do Processo: 100% de A em B. Converso do Reator: 70% de A em B.

A 30 kg/h

Reao: AB



Razes para realizar um reciclo no processo qumico:

1 - Recuperao e reutilizao de reagentes no-consumidos;

2 - Recuperao de catalisador (que geralmente so caros);

3 - Diluio de uma corrente de processo;

4 - Controle de uma varivel de processo;

Exemplo: a temperatura do reator pode ser controlada pela diluio da corrente de reagentes.

5 - Circulao de um fluido de trabalho;

Exemplo: o fluido de um refrigerador e ar condicionado, reciclando infinitamente.


Uma frao das corrente de alimentao de uma unidade de

processo desviada ao redor da unidade e combinada com a

corrente de sada da mesma. A vantagem poder variar a

composio e as propriedades dos produtos.

Unidade

Alimentao Produtos

Desvio ou Bypass em processos


Exemplo: Processo de cristalizao por evaporao

O diagrama de fluxo do processo est em Estado Estacionrio para recuperar o NaOH de uma soluo aquosa mostrado abaixo:

Evaporador

Cristalizador e

Filtro

10.000 lb/h 40% de NaOH

H2O

Filtrado (Reciclado)

45% de NaOH

50% de NaOH

Torta do filtro 95% de NaOH(slido)

e

5% de soluo NaOH (45% de NaOH)

Evaporador

Cristalizador e

Filtro

10.000 lb/h 40% de NaOH

H2O


45% de NaOH

50% de NaOH


e


X1 (1-x1)

a) Determine a taxa de escoamento da gua removida pelo evaporador;

b) Determine a taxa de reciclo desse processo;

c) Considerando a mesma taxa de produo de

NaOH(slido) porm com o processo sem reciclo.

Qual seria a taxa de alimentao de 40% de NaOH?

Evaporador

Cristalizador e

Filtro

10.000 lb/h 40% de NaOH


45% de NaOH

50% de NaOH


e


H2O

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