Conceitos Básicos - Webnode

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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