Introdução à Engenharia Química

Apresentação em tema: "Introdução à Engenharia Química"— Transcrição da apresentação:

1 Introdução à Engenharia Química
Introdução à Engenharia Química Professor: Francisco Moura/Roberto Carvalho/Cecília Vilani Bibliografia: Himmelblau, David M. e Riggs, James B.; Engenharia Química - Princípios e Cálculos, 7a edição, Editora LTC, 2006.

2 Relembrando 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.

3 Relembrando - Unidades e dimensões
Relembrando - 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  Unidades múltiplas tera (T) 1012 centi (c) 10-2 giga (G) 109 mili (m) 10-3 mega (M) 106 micro (m) 10-6 quilo (k) 103 nano (n) 10-9

4 Unidades e dimensões - cont.
Unidades e dimensões - cont.  Unidades básicas Dimensão Unidade Símbolo comprimento metro (SI) centímetro (CGS) pé (Sist. Inglês) m cm ft massa quilograma (SI) grama (CGS) libra (Sist. Inglês) kg g lb moles grama-mol (SI) libra-mol (Sist. Inglês) mol ou g-mol lb-mol tempo segundo (SI) s temperatura Kelvin (SI) Celsius Rankine (Sist. Inglês) Fahrenheit K oC oR oF corrente elétrica Ampère A intensidade de luz Candela cd

5 Unidades e dimensões - cont.
Unidades e dimensões - cont.  Unidades derivadas 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 J erg cal 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  Conversão de unidades: Converter em

6 Convenções em métodos de análises e medidas
Convenções em métodos de análises e medidas  Unidade molar Mol é a quantidade de uma substância que contém tantas espécies elementares quanto existem de átomos em 12 gramas do 12C. No SI e CGS: 1 mol (ou 1g-mol) = 6, moléculas ou átomos. No Sist. Inglês: 1 lb-mol = 454.6, moléculas ou átomos. Se uma amostra contém N espécies, então o mol será = . . Se a massa de uma amostra é m, então o seu mol será = Ex.: Um recipiente contém 2 lb de NaOH (PM= =40). Em termos de lb-mol: Em termos de mol (ou g-mol):

7 Convenções em métodos de análises e medidas
Convenções 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 r (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.

8 Convenções em métodos de análises e medidas
Convenções em métodos de análises e medidas  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. Para sólidos e líquidos: a densidade de referência a da água a temperatura de 4oC Ex.: È a densidade relativa da substância a 20oC com relação a água a 4oC. Para gases: costuma-se tomar como referência o ar a 0o C e a 1 atm de pressão.  Volume específico: É o inverso da densidade (m3/kg, cm3/g ou ft3/lb).

9 Convenções em métodos de análises e medidas
Convenções em métodos de análises e medidas 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.  Molalidade é o número de moles do soluto “A” por kg de solvente.  Fração molar: É a razão estabelecida entre o número de moles da espécie j (nj) e o número de moles da solução (n).

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Convenções em métodos de análises e medidas  Fração mássica: É a razão estabelecida entre a massa da espécie j (mj) e a massa da solução (m). 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.  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. 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

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Convenções 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, 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:

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Convenções em métodos de análises e medidas  Temperatura A 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.

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Convenções em métodos de análises e medidas  Pressão A 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  Fconstante  pconstante  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). (equilíbrio mecânico)

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Convenções em métodos de análises e medidas Manômetros: Instrumento utilizado para medir a pressão de uma amostra de gás no interior de um recipiente (vaso). Manômetro de tubo em U Manômetro de Bourdon Ex: O manômetro marca 87psi e a pressão barométrica local é de 28 inHg. Qual é a pressão absoluta. Manômetro de tubo fechado Manômetro de tubo aberto

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Convenções 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

16 Convenções em métodos de análises e medidas
Convenções 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 moléculas de C7H16 moléculas de O2 moléculas de CO2 moléculas de água ( ) = 100 gramas de C7H16 11.(2.16) = 352 gramas de O2 7.( ) = 308 gramas de CO2 8.(2.1+16) = 144 gramas de água 452 gramas 452 kg 452 libras 452 toneladas *medidos na CNTP

17 Propriedades Físico-químicas de Compostos
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 (