Aula 01 - Introdução a Cálculos de Engenharia

Prévia do material em texto

Introdução ao Cálculo de Processo
Aula 01 - Introdução aos Cálculos de Engenharia
Prof. Dr. João Guilherme Pereira Vicente
email: joao.vicente@facens.br
• operação de unidades industriais (plano de produção, programação, 
custos, treinamento, qualidade)
• análise de processos industriais (avaliação da performance, melhorias, 
modelagem)
• análise econômica e planejamento da produção (balanços de massa e 
energia, inventários)
• projeto de processos industriais e de engenharia (dimensionamento, 
etapas, equipamentos)
• controle e otimização da produção (automação, malhas de controle)
• mercado (comercial, aplicações)
• segurança e meio-ambiente (riscos, planos de emergência, melhorias)
Atividades dos Engenheiros de Químicos
2
Processos Químicos
- Operação ou conjunto de operações coordenadas que causam uma
transformação química ou física em um material ou mistura.
- $$$$: sistema que converte insumos de baixo valor agregados em
produtos de maior valor agregado (ex. minério em metal; madeira em
celulose; ar em nitrogênio, oxigênio, argônio; craqueamento (ou destilação)
do petróleo; nitrogênio em amônia; Amônia em fertilizantes, etc)
- nas indústrias químicas, ocorrem:
→ transformações físicas e químicas
→ mesmo quando a conversão química é essencial, operações
físicas preliminares são necessárias 3
Funções Básicas dos Processos Químicos
1) Reação Química
- conversão química de matérias-primas em produtos finais
2) Mistura:
- insumos devem ser misturados antes da reação
3) Separação
- idealmente, as reações ocorrem com 100% de rendimento
- na prática... O material gerado num processo químico reúne,
além do produto final:
• matéria-prima não-reagida (vale a pena desperdiçar??)
• subprodutos (será que eles não têm utilidade???)
• impurezas (como lidar com elas??)
- esta mistura deve ser separada em seus vários constituintes
4
4) Transferência de material
- Um processo é constituído de vários tipos de equipamentos:
o material processado deve entrar e sair de cada um deles
5) Transferência de energia (calor)
- utilização da energia do sistema ($$$) deve ser maximizada
através de vaporação, troca de calor, etc
Funções Básicas dos Processos Químicos
5
O conceito de OPERAÇÕES UNITÁRIAS
- Artur D. Little e Warren K. Lewis (1960) demonstraram que as unidades
que constituem um processamento apresentam técnicas comuns,
baseadas nos mesmo princípios científicos, independente da matéria-
prima ou do produto final.
- Exemplo: a destilação do ácido acético apresenta características comuns
à destilação de acetaldeído, anidrido acético, etc.
- O caso de reações químicas é menos direto, pois cada sistema
reacional apresenta características muito peculiares (temperatura,
pressão, tempo de residência, equilíbrio, etc).
6
Fluxogramas
- Organização da informação de um processo químico adequada
para realização de cálculos posteriores
- Blocos ou símbolos indicam unidades de processo (reatores,
filtros, moinhos, etc) e linhas indicam o fluxo sequencial das
matérias primas ou produtos
- Fluxograma de obtenção de ácido fosfórico
7
8
Produção de Biodiesel
Separação de 
Fases
(óleo ou Gordura)Matéria-prima
Preparação 
Matéria-prima
Reação 
Transesterificação
Desidratação do 
Álcool
Recuperação do 
Álcool da Glicerina 
Desidratação da 
Glicerina 
Recuperação do 
Álcool dos Ésteres
Purificação dos 
Ésteres
Catalisador:
(NaOH)
Fase Pesada
Metanol 
ou Etanol
Glicerina Bruta
Biodiesel
Resíduo GlicéricoGlicerina Destilada
Excesso de 
Álcool
Recuperado
Fase 
Leve
Catálise 
Homogênea
Catálise 
Heterogênea
Acetato de 
Etila ou 
Metila
Triacetato
Glicerina
Aditivo para 
combustíveis
Produção de Biodiesel - Fluxograma
9
Análise de processos químicos – BM e BE
CALCULAR:
QUANTIDADES E PROPRIEDADES DE PRODUTO 
PARTINDO DAS
⇄
QUANTIDADES E PROPRIEDADE DE MATÉRIA-PRIMA
OU VICE-VERSA
- Variáveis de Processo
- Conservação de massa
- Conservação de energia
- Termodinâmica
abordagem sistemática
- Solução dos problemas (aqui e no dia-a-dia)
10
Unidades e Grandezas
1. Grandezas ou Dimensões são nossos conceitos básicos de medidas como 
comprimento, tempo, massa, temperatura ...
2. Unidades são meios para expressão destas grandezas, pois
11
Em outras palavras:
✓ Uma dimensão é a medida pela qual uma variável física é expressa
quantitativamente.
✓ Uma unidade é um modo particular de ligar um número à dimensão
quantitativa.
COMPRIMENTO é uma dimensão associado com variáveis como
distância, largura, altura, etc. Enquanto, centímetros, polegadas, etc,
são unidades numéricas para expressar comprimento.
Unidades e Grandezas – Operações Numéricas
MEDIR É COMPARAR
→ Adição e subtração: podem ser realizadas somente se as unidades são 
iguais
8g + 5g →
8g + 5m →
8g + 5 kg →
é possível!
não é possível, pois são grandezas diferentes
é possível, após a devida conversão de unidades
→ Multiplicação e divisão: é possível mesmo com grandezas e
unidades diferentes
Ex: m/s; mol/L; m/s2
12
Sistema de unidades
1. Unidades Básicas (ex: s)
2. Unidades Múltiplas: múltiplos ou frações das unidades básicas 
(ex: m/s, h, min)
3. Unidades Derivadas: definidas em termos das 7 unidades básicas
→ O Sistema Internacional (SI) é o mais utilizado, mas também 
iremos trabalhar como o
• Sistema CGS
• Sistema MKS* (ou MKS técnico)
• Sistema Imperial Britânico, Inglês ou Americano de Engenharia
13
Sistema Internacional (SI)
- Estabelecido em 1960 na 11a Conferência Geral de Pesos e Medidas.
- 22 de junho 1979: depósito de 2 padrões de platina representando o
metro e quilograma nos Archives de La Republique, em Paris.
14
15
SISTEMA INTERNACIONAL (SI)
Dimensões Básicas (unidades básicas):
Massa (kg)
Comprimento (m)
Tempo (s)
Temperatura (K)
A força é uma unidade derivada das unidades básicas:
N1
s
m
1kg1maF
2
===
Sistema de unidades
16
SISTEMA INGLÊS (TÉCNICO)
Dimensões Básicas (unidades básicas):
Força (lbf)
Comprimento (ft)
Tempo (s)
Temperatura (R)
A massa é uma unidade derivada das unidades básicas:
slug1
s/ft1
lbf1
a
F
mmaF
2
====
Sistema Inglês
Técnico
Sistema de unidades
17
SISTEMA INGLÊS (ENGENHARIA)
Dimensões Básicas (unidades básicas):
Força (lbf)
Massa (lbm)
Comprimento (ft)
Tempo (s)
Temperatura (R)
Sistema de unidades
Unidades Derivadas do SI
18
Exemplos de unidades derivadas do SI com nomes e
símbolos especiais.
19
Conversão de unidades
- Uso de fatores de conversão (valores equivalentes de diferentes unidades)
Exemplo: unidades de comprimento
20
Conversão de unidades
Exemplo: 1100 ft/s em mi/h
h
mi
h
s
ft
mi
s
ft
750
1
3600
5280
1
1100 =












Exemplo: 100 m em ft
ft
m
ft
m 1,328
3048,0
1
100 =






21
Conversão de unidades
Exemplo: 400 in3/dia em cm3/h
=












h
dia
in
cm
dia
in
24
1
1
54,2
400
33
h
cm33 1,273
24
1
54,2400 =
22
23
Vamos praticar !!!!!!! Agora é com vocês......
e.Converter: 100 cm/s² em km/ano²
c.Converter: 2 km em milhas
d.Converter: 400 in³/dia em cm³/min
b.Converter: 1,8 nm em in
a.Converter: 1,8 nm em dm
R: 9,95 x 1011 km/ano²
R: 1,24 mi
R: 4,55 cm³/min
R: 7,1 x 10-8 in
R: 1,8 x 10-8 dm