Conceitos Básicos - Webnode
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
102201 – PRINCÍPIOS BÁSICOS DA INDÚSTRIA QUÍMICA
Aula 01 - Princípios Básicos da Indústria Química – Prof. Rogério Luz Pagano
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Conceitos Básicos
1. Operação Contínua e Descontínua
Na maior parte das operações de
processsamento é economicamente
vantajoso manter o equipamento em
operação contínua e permanente,
principalmente nos equipamentos em
grande escala. Neste tipo de operação, o
tempo não é uma variável na análise do
processo, exceto durante o período de
partida do processo, desde o momento da
introdução da carga (matéria-prima) até a
completa estabilização do processo, ou no
período de parada, que é a situação
inversa. Estas duas últimas situações, na
qual o tempo é uma variável a ser
considerada, é denominada operação
transiente.
Em operações de pequena escala
(produção de pequenas quantidades de
produtos), ou onde o processo corrosivo é
muito acentuado, ou por alguma outra
razão em particular, nem sempre é
conveniente manter o processo em
operação contínua. Nestes casos, o
equipamento é carregado com toda a
carga (matéria-prima) necessária, o
processamento é efetuado e, por fim, os
produtos são removidos. Esta é uma
operação denominada descontínua, ou em
“batelada”.
Em uma operação contínua, na qual as
condições operacionais não variam com o
tempo, é dita estar em regime
permantente, ou em estado estacionário.
Em contraste, a operação descontínua é
dita estar em regime transiente (ou não-
permanente) ou em estado não
estacionário.
2. Escoamento paralelo e contracorrente
Em muitas operações de transferência de
massa ou de energia é necessário colocar
em contato duas correntes de fluido, seja
diretamente – no caso de transferência de
massa – ou indiretamente, através de uma
superfície de contato – no caso de
transferência de energia – para que possa
ocorrer a modificação desejada. A
transferência pode ser realizada com as
duas correntes escoando na mesma
direção ou em direções contrárias. Quando
o escoamento ocorre com os fluidos na
mesma direção este é classificado como
escoamento em paralelo, e quando ocorre
em direções contrárias o chamamos de
contracorrente.
3. Operações Unitárias e Processos
Unitários
O processamento químico industrial, em
geral, envolve processos unitários e
operações unitárias.
Com raras exceções, a parte principal de
qualquer unidade de produção é o reator
químico, onde ocorre a transformação de
dos reagentes em produtos. As reações
químicas podem ser classificadas como
reações de hidrogenação, nitração,
sulfonação, oxidação, etc. Esses grupos de
reações estudadassob o mesmo enfoque
são conhecidos como processos unitários (
ou conversão química).
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Alguns processos unitários:
Acilação Combustão Neutralização
Alcoolise Desidratação Nitração
Alquilação Eletrólise Oxidação
Aromatização Esterificação Pirólise
Calcinação Fermentação Polimerização
Carboxilação Hidrogenação Redução
Caustificação Halogenação Saponificação
Em geral, em todos os equipamentos
usados antes e após o reator promovem
apenas mudanças físicas no material, tais
como: elevação da pressão (bombas e
compressores), aquecimento ou
resfriamento (trocadores de calor), etc.
Bomba centrífuga
Trocador de calor casco-tubo
Vaso agitador
Estas várias operações que envolvem
mudanças físicas no material,
independente do material que está sendo
processado, são chamadas de operações
unitárias e podem ser agrupadas em cinco
grandes divisões:
i. Mecânica dos Fluidos;
ii. Transferência de Calor;
iii. Operações de Separação e
Transferência de Massa;
iv. Operações de manuseio de sólidos;
v. Operações de agitação e mistura.
Torre de Absorção
Torre de Adsorção
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Torre de Destilação
Coluna de Extração
Filtro de Areia
Secador
Evaporador de triplo efeito
Processo de produção da Amônia
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Introdução a Cálculos de Engenharia
1. Unidades e Dimensões
Uma quantidade medida ou contada tem
um valor numérico e uma unidade.
Ex.: 2 metros, 0.5 segundos, 5 reais
Uma dimensão é uma propriedade que
pode ser medida (como comprimento (L),
tempo (t), massa (M) ou temperatura (T))
ou calculada (como velocidade (L t-1
),
volume (L3), massa específica (M L
-3), ...).
As unidades podem ser tratadas como
sendo variáveis algébricas quando as
quantidades são somadas, subtraídas,
multiplicadas ou divididas:
(i). Os valores numéricos de duas
quantidades podem ser somados ou
subtraídos apenas se tiverem as mesmas
unidades.
Ex.: 4 kg – 1 kg = 3 kg
4 kg – 1 g (ou 10 s) = ?
(ii). Os valores numéricos e suas unidades
correspondentes podem ser combinados
por multiplicação ou divisão.
Ex.: �,� ���,� � = 2,5 � /ℎ
3 × 4 = 12 �
(5,0 �� �⁄ ) (0,20 �� �⁄ )⁄ = 25 �/ℎ
2. Conversão de Unidades
Uma velocidade pode ser expressa em ft/s,
milhas/h, cm/ano ou qualquer outra razão
entre uma unidade de comprimento e uma
unidade de tempo. A equivalência entre
duas expressões da mesma quantidade
pode ser definida em termos de uma razão
(conhecida como fator de conversão):
� � ���� ��� ou ��� ��� �� � também
��� ��� �� �� = ���� ���� ��� �
Para converter uma quantidade expressa
em termos de uma unidade ao seu
equivalente em termos de outra unidade,
multiplique a unidade dada pelo fator de
conversão
� !"#$#% !&'$ !"#$#% '%(�$�
Ou seja,
36 � × * 1 �1000 �* = 0,036 �
Exemplo 1. Converta uma aceleração de 10
m/s2 em seu equivalente em km/ano
2.
3. Sistemas de Unidades
Um sistema de unidades é composto por:
a. Unidades Básicas para massa,
comprimento, tempo, temperatura,
corrente elétrica e intensidade da luz.
b. Unidades Múltiplas definidas como
múltiplos ou frações de unidades
básicas (mg, g, kg).
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c. Unidades Derivadas que são obtidas de
duas maneiras:
(i) Multiplicando ou dividindo
unidades básicas ou múltiplos
(cm2, ft/min, kg m/s
2, etc).
(ii) Definindo equivalentes de
unidades compostas (1 erg = 1 g
cm/s2, 1 +,- = 32,174 +,� ft/s
2)
VER TABELAS
4. Força e Peso
A força é definida como sendo proporcional
ao produto da massa (M) pela aceleração
(L/t2). As unidades naturais de força são,
portanto, kg m/s2 (SI), g cm/s
2 (CGS) e lbm
ft/s2 (SAE). No entanto, foram definidas
unidades derivadas para força:
1 newton (N) ≡ 1 kg m/s2
1 dina ≡ 1 g cm/s2
Mas no SAE, a unidade para força
denominada libra-força (lbf) é definida
como sendo o produto de uma unidade de
massa (lbm) pela aceleração da gravidade
que vale 32,174 ft/s2, assim:
1 +,- ≡32,174 +,� .//��
Por exemplo,
a força em Newton para acelerar 4,0 kg a
9,0 m/s2 será:
0 = 4,0 �� * 9,0 ��* 1 21 kg m/�� = 36 2
a força em libra-força necessária para
acelerar 4,0 +,� a uma taxa de 9,0 ft/s2
será:
0 = 4,0 +,� * 9,0 ./ ��* 1 +,-32,174 +,� .//s�= 1,12 +,-
Esse fator de conversão é conhecido como
�� = 32,174 +,� .//s�1 +,- = 1 kg m/��
1 2
Deste modo, podemos escrever o peso de
um objeto como sendo 8 = �99: , em que g =
9,8066 m/s2 = 980,66 cm/s
2 = 32,174 ft/s
2.
Exemplo 3. A água tem uma massa
específica de 62,4 +,� ./�⁄ . Qual o valor do
peso de 2 ./� de água ao nível do mar?
5. Homogeinidade Dimensional e
Quantidades Adimensionais
Cada equação válida deve ser
dimensionalmente homogênea: isto é,
todos os termos aditivos nos dois lados da
equação devem ter a mesma dimensão. Por
exemplo, a equação
;( �⁄ ) = ;�( �⁄ ) + �( /��)
não é dimensionalmente homogênea, mas a
equação
;( �⁄ ) = ;�( �⁄ ) + �( ��⁄ )/(�)
é ao mesmo tempo dimensionalmente
homogênea e consistente nas suas
unidades.
No caso de se desejar expressar o tempo t
em minutos, deveríamos ajustar os termos:
;( �⁄ ) = ;�( �⁄ ) + �( ��⁄ )/( =>) ? @� A� �"!?
; = ;� + 60�/
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Exemplo 4. Considere a equação
B(./) = 3/(�) + 4
(a) Se a equação é válida, quais são as
dimensões das constantes 3 e 4?
(b) Se a equação é válida, quais são as
unidades das constantes 3 e 4?
(c) Deduza uma equação para a distância
em metros em termos do tempo em
minutos.
Uma quantidade adimensional pode ser um
número ou uma combinação de variáveis
que tenha dimensão
C(9)CD(9) E(��) �:FG �H( I:FJ)
K� I:F G�
As quantidades acima também são
chamadas grupos adimensionais. Alguns
exemplos conhecidos são:
Número de Reinolds: HE K
Número de Prandtl: LMK
�
Obs.: expoentes (como 2 em N�), funções
transcendentais (como log(N), exp(N), sen(N)) e argumentos de funções
transcendentais (como N em �U>(N))
sempre devem ser quantidades
adimensionais. Por exemplo, 102 ft faz
sentido, mas 102 ft
NÃO tem sentido algum!
Exemplo 5. De acordo com a lei de
Arrhenius, uma quantidade k depende da
temperatura da seguinte forma:
� V W+X � �Y = 1,2 × 10� exp V− 20.0001,987 ]Y
As unidades da quantidade 20.000 são
cal/mol e T está em K. Quais são as
unidades das constantes 1,2 × 10� e 1,987?
Exemplo 6. Sem integrar, selecione uma
resposta adequada para:
^ _NN� + `� =abbcbbd
` arctan (`N)` arctan �N�
V1Y arctan �N�V1Y arctan (`N)
i
em que x tem unidades de comprimento e a
é uma constante.
Fontes:
FELDER, Richard M. e ROUSSEAU, Ronald W., Elementary Principles of Chemical Processes, John Wiley & Sons, Inc., 3a Edição, Nova Iorque, 2000. BRASIL, Nilo Indío do. Introdução à Engenharia Química. Editora Interciência, Rio de Janeiro, 1999. PERRY, R.H.; GREEN, D.W. Perry’s Chemical Engineers Handbook. 7. ed. McGraw-hill, 1997. Resumo do Sistema Internacional de Unidades – SI, Tradução da publicação do BIPM, INMETRO.
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