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Variáveis básicas (massa, volume, vazões + medidores, composição, pressão + medidores, temperatura) Massa Quantidade de matéria contida num corpo Unidade: kg (SI) Medida por balanças Volume Quantidade de espaço ocupado por um corpo Unidades: m3, L, mL, cm3, dm3, mm3 Medido por: provetas, pipetas e buretas Densidade Relação entre massa e volume Vazão Volumétrica: quantidade de volume por unidade de tempo Mássica: quantidade de massa por unidade de tempo Escoamento de um fluido: Importante no tratamento de efluentes Medidores de vazão: Medidor eletromagnético Baseado na lei de Faraday: uma fora eletromotriz é induzida ao variar o fluxo magnético que atravessa uma espira Utilizado com fluidos condutores Independe de temperatura, pressão e viscosidade Medidor Ultrassônico Medidor Termal Medidor por diferença de pressão Temperatura Grau de agitação das partículas em um corpo característica do estado térmico ↑ agitação ↑temperatura Medição é feita por termômetros Escalas de temperatura: Kelvin (K) água congela a 273 K e ferve a 373 K escala absoluta Celsius (°C) Água congela a 0 graus e ferve a 100 graus Fahrenheit (°F) Água congela a 32 °F e ferve a 212 °F Conversão de escalas: Controle de temperatura: importante nos processos industriais para garantia da qualidade do produto processado, evitar interrupção da linha de produção e acidentes Pressão Intensidade da força aplicada sobre uma superfície por unidade de área Unidade: Pascal (Pa) (SI), bar (100000 Pa) e mmHg (133,322 Pa) Pressão estática (P): Pressão absoluta (Pabs): diferença de pressão entre o ponto medido e a pressão do vácuo Pressão diferencial: diferença de pressão entre dois pontos. Pressão manométrica: pressão medida em relação a atmosfera Variável muito utilizada no controle de processos Permite determinar outras variáveis de processo, como nível, volume, vazão e densidade Medidores de pressão: Manômetro: utilizado para leituras locais de pressão Transmissor de pressão Introdução a Processos Químicos Industriais Processo químico Conjunto de etapas que provocam modificação química no material para a formação de um produto Dividido em: Preparação das matérias primas Reações químicas Purificação do produto Embalagem Exemplos Produção de ácido fórmico (ácido sulfúrico + formato de sódio) Leite em pó (evaporação e secagem) Vinho (envolve processo de fermentação, prensagem, decantação e filtração) Hakkon (envolve processo de fermentação de mandioca e arroz orgânico e destilação) Operações unitárias Etapa de um processo químico Operações unitárias de Transferência de Quantidade de Movimento Ocorre pelo contato entre duas espécies com velocidades diferentes Exemplos: Fluidização: a passagem de um líquido ou de um gás promove uma característica de fluido a um leito com partículas sólidas Transporte Pneumático: movimento de sólidos particulados através de ar ou gás inerte Filtração: Separação entre uma fase sólida e uma fase líquida através de um elemento poroso (filtro) Operações unitárias de Transferência de Massa Difusão de um ou mais componentes em uma mistura Exemplos Destilação: separação dos componentes baseado na diferença de volatilidade Absorção: um dos componentes é absorvido por um líquido adequado Extração: dissolução de um componente de uma mistura por um solvente seletivo Operações unitárias de Transferência de Calor Controladas por gradientes de temperatura Exemplos: Desidratação: remoção de água nos alimentos Evaporação: vaporização do líquido de uma mistura Trocadores de Calor: dispositivos que promovem a troca térmica entre as correntes de processo Operações Unitárias Simultâneas Classificação das operações de acordo com a finalidade Operações preliminares: limpeza, seleção, classificação, eliminação, etc Operações de conservação: esterilização, pasteurização, congelamento, refrigeração, evaporação, secagem, etc. Operações de transformação: Moagem, mistura, extrusão, etc Operações de separação: filtração, cristalização, sedimentação, centrifugação, etc. Modos de Operação Contínuo: entrada e saída constantes de reagentes e produtos. Risco de contaminação Custo elevado Semi continuo: Entrada continua de reagentes sem a saída de produtos ou saída constante de produtos sem a entrada de reagentes Utilizado para produção em pequenos volumes Reator pode operar por longos períodos Batelada: Não há a entrada e nem a saída de produtos e reagentes Operações unitárias de transferência de massa Transferência de massa Transferência de um componente presente em uma mistura de uma fase para outra A transferência ocorre até que o equilíbrio seja atingido Operações entre fases: Gás-Líquido: destilação, absorção e evaporação Líquido-Líquido: extração Líquido-Sólido: adsorção, troca iônica, cristalização Gás-Sólido: adsorção, secagem Destilação Ocorre a distribuição desigual dos componentes entres as fases de líquido e vapor que são formadas Baseado no equilíbrio líquido-vapor e na volatilidade relativa Ao passar por um refervedor ou uma caldeira, o líquido é vaporizado no ponto de bolha, gerando a corrente de vapor Não ocorre transferência de calor Destilação simples A solução é aquecida, gerando vapor, que é condensado e recolhido em outro recipiente Destilação fracionada Durante o processo, ocorre o equilíbrio líquido-vapor em cada estágio Refluxo: parte do vapor condensado no topo da coluna é devolvido para a coluna Aumenta o contato entre as fases maior eficiência Garante que a coluna não seque Balanço global: Balanço específico: Cálculo do NPT McCabe-Thiele Considera a igualdade entre a quantidade de matéria evaporada e aquela condensada em cada estágio de equilíbrio Calores latentes iguais e diferenças mínimas de calor sensível Ponchón-Savarit A quantidade de material evaporado não necessariamente é igual à quantidade de matéria que se condensou Análise inclui os dados de entalpia e os balanços materiais Destilação Flash Ocorre em um único estágio Vaporização parcial da mistura ↑ diferença de volatilidade ↑ separação Extração Equilíbrio líquido-líquido em estágios As fases presentes são imiscíveis separação é feita de acordo com as propriedades químicas e físicas Principal diferença entre a extração e a destilação Equilíbrio de um sistema ternário: Balanço de fluxo cruzado: Absorção Operação gás-líquido Contato entre uma fase gasosa com uma mistura líquida a fim de que um ou mais componentes sejam transferidos para o gás A velocidade de difusão depende do gradiente de concentração entre as espécies químicas Desabsorção Um líquido é utilizado para purificar uma corrente gasosa Balanço global de massa: Balanço por componente: Linha de operação: Também é utilizado o método de McCabe-Thiele Seleção do solvente: solubilidade, natureza química, baixa volatilidade, baixa viscosidade, não tóxico, estável, não inflamável, não corrosivo, barato e acessível Equipamentos: Coluna de pratos: O contato ocorre de forma descontínua Coluna empacotada: O contato ocorre de forma contínua em contracorrente Coluna tipo spray: Líquido pulverizado em gostas muito finas; gás ascendente; Coluna de bolhas: gás disperso em forma de bolhas Coluna de paredes molhadas: filme líquido que desce pela parte interna de um tubo vertical Aplicações: Carbonatação de bebidas Remoção de odor em ETEs Troca iônica Operação fluido-sólido Duas fases independentes: solução e resina trocadora de íons Passagem de um ou mais íons da fase fluida para o sólido ou deslocamento da mesma carga ocorre em quantidades estequiométricas Reação reversível Troca catiônica: troca de cátions no processo Troca aniônica: troca de ânions no processo Operação em batelada: Tanques de mistura, estudos cinéticos Operação contínua: Uso de colunas de leito fixo Ciclos de regeneração Importância da vazão volumétrica Regime não é estacionário Resinas de troca iônica Cadeias de hidrocarbonetos com grupos iônicos livres Estrutura interna porosa Sólidos insolúveis Formato de grânulos esféricos Mecanismos: Transferência de íons do centro para a superfície Difusão Troca iônica Difusão Transferência da superfície para o meio da solução Curva de ruptura Capacidade da resina: Área sobre a curva de ruptura: método do 1/3 de Simpson Aplicações: Purificação de produtos farmacêuticos Separação e purificação na indústria alimentícia Amaciamento de águas Tratamento de efluentes (remoção de íons de metais pesados Operações unitárias Transferência de calor Troca térmica entre os fluídos Mecanismos: Condução, convecção e radiação Trocadores de calor Aquecimento ou resfriamento de um fluido Disposição das correntes: Correntes paralelas Contracorrentes Corrente cruzada Multipasses Tipo de construção: Trocadores de calor tubulares Trocadores de casco-tubo Um ou múltiplos passes depende da economia do projeto Equação fundamental Condensadores Promover a mudança de fase vapor para líquido Uso de um fluido resfriador Condensação goticular ou pelicular Configurações: Horizontal com condensação na carcaça e fluido refrigerante nos tubos Horizontal com condensação nos tubos Vertica com condensação na carcaça Vertical com condensação nos tubos Equação fundamental Fornos Utilizados quando é necessário um grande fluxo de calor Aplicações: fusão de metais, reatores de chama direta, reboilers de colunas de destilação fracionada, pré-aquecimento de correntes Arquitetura: Seção de queima dos combustíveis Seção convectiva Exaustão Paredes refratárias Equações de projeto: Transferência de massa e calor simultâneas Secagem Reduzir a quantidade de líquido em um material sólido remoção da umidade A umidade de arrastada por uma corrente de gás Uso de evaporação ou sublimação Preserva os produtos durante o armazenamento e transporte Transferência de calor entre a superfície externa para o líquido presente no sólido Transferência de massa no transporte do líquido do interior para a superfície do sólido e no transporte do vapor da superfície para o ambiente Curva típica de secagem: Modo de operação: Contínuo ou em batelada Fontes de calor: direto ou indireto Condições operacionais: Pressão atmosférica ou vácuo Fluxo de gás: nenhum, contracorrente ou concorrente Meio de transporte: estacionário, mecânico, arraste, combinado Mistura do sólido: sem mistura, agitação, rolo ou arraste Secadores de primeira geração: De bandejas: Batelada pequenas escalas Fundo inteiriço ou telado Meio secante: vapor de água, gás ou ar aquecido ↑ custo de energia De túnel: Material é colocado em carretas que entram no túnel Corrente paralela ou em contracorrente De rolos: Material é asperso sobre rolos giratórios aquecidos Forma-se uma película seca retirada por um raspador Aplicado na fabricação de leite em pó Secadores de segunda geração: atomizadores Secadores de terceira geração: liofilização Secadores de última geração: secadores com alto-vácuo, ultra-temperatura, extrusão, leito fluidizado, micro-ondas ou radiofrequência Cristalização Ocorre a formação de cristais em uma solução homogênea saturada diminuição da solubilidade ↑ saturação ↑ taxa de nucleação Produto deve seguir os pré-requisitos como pureza, composição, granulometria, etc. Cristais Sólidos com rede tridimensional regular Suas características dependem de temperatura, pressão, velocidade de agitação condições de crescimento dos cristais Etapas da cristalização: Nucleação: formação de um cristal que não é solubilizado diferença de concentração entre a solução e a superfície do sólido Crescimento: aumento do tamanho do cristal Solução supersaturada: Redução da temperatura Evaporação do solvente Adição de um terceiro componente que mude o equilíbrio do sistema Pureza dos cristais Relacionada com a multiplicidade da cristalização Cristalização simples Recristalização Cristalização fracionada Fusão por zonas ou congelamento Cristalização em coluna Cristalização contínua Vantagens Desvantagens Menor custo de operação Formação de incrustações Menor demanda de operadores Maior complexidade e maior chance de falha Lavagem e cristalização mais eficientes Mão de obra qualificada Menor espaço Projeção correta da saída da suspensão Características constantes do produto Cristalização em batelada Vantagens Desvantagens Equipamento mais simples Qualidade do produto não uniforme Remoção de incrustações Maior tempo de funcionamento Cristais maiores e mais uniformes Maior demanda de mão de obra Custo de manutenção e mão de obra mais baratos Maior volume ocupado Aplicações industriais: setor alimentício, farmacêutico, químico, mineral e metalúrgico Evaporação Concentração de uma solução que apresenta um soluto não volátil e um solvente volátil Equipamento: trocador de calor + dispositivo para a separação da fase vapor da fase líquida Alto gasto energético Múltiplos efeitos: maior eficiência energética Associação de vários evaporadores O vapor evaporado de um efeito é utilizado como fluido de aquecimento no próximo efeito economia de energia Aplicações: dessalinização, concentração de suco de frutas, produção de açúcar, produção de café solúvel e leite em pó, concentração de licor negro (indústria de papel e celulose) Diferença entre evaporação e secagem: na evaporação, é obtido um líquido concentrado, enquanto na secagem tem-se um produto sólido Diferença entre evaporação e cristalização: a única diferença é que na cristalização o líquido é concentrado até que a solução atinja o ponto de saturação, enquanto na evaporação este ponto não é atingido. Transferência de quantidade de movimento Contato entre duas espécies com velocidades diferentes transferência de energia cinética Operações unitárias de transporte ou separação Sistemas sólidos granulares: transporte ou fragmentação Sistema sólido-fluido: baseados na diferença de densidade, forças gravitacional e centrífuga Decantação Flotação Floculação Centrifugação Filtração Sistema sólido-sólido: separação Sistemas de fluidos: Centrifugação Decantação Bombeamento de líquidos Mistura e agitação Análise dimensional e Mudança de escala Método de Rayleigh; Teoria da semelhança e Números adimensionais Análise dimensional Reduz o número de experimentos e facilita a interpretação de resultados Baseia-se nas leis de semelhança para estudar o comportamento de fluidos em movimento Grandezas básicas Método de Rayleigh Obter equações que envolvem as quantidades que desempenharam um papel importante no estudo As equações devem apresentar as mesmas dimensões nos dois lados da igualdade Mudança de escala Importante para o estudo de uma planta industrial em funcionamento mostra os efeitos de mudança de forma e na operação Teoria da semelhança Semelhança Total: expressão se cumpre para todas as variáveis Parcial: só se cumpre para algumas variáveis Geométrica semelhança na forma: razão entre comprimentos é uma constante fator de escala Semelhança Dinâmica: semelhança de forças Razão entre forças em diferentes pontos do sistema é fixa Semelhança Térmica: Relação constante entre as diferenças de temperatura entre 2 pontos Semelhança de Concentrações: Relação constante entre as diferenças de concentração entre 2 pontos Semelhança Química Números adimensionais Estabelecem similaridades nas escalas Exemplos: Reynolds, Euler, Nusselt, Sherwood, Prandtl, Schmidt, Lewis Diagramas de Equilíbrio Energia livre: função que relaciona energia interna e entropia Sistema em equilíbrio energia livre se encontra em um valor mínimo sistema estável Equilíbrio de fases Sistemas polifásicos que estão em equilíbrio composição constante ao longo do tempo Diagramas de equilíbrio Gráficos que relacionam as fases presentes no sistema com o seu ambiente Indicam o número de fases presentes, suas composições e porcentagem de cada fase Regra das fases de Gibbs P: número de fases C: número mínimo de componentes F: graus de liberdade número de variáveis independentes (não altera o número de fases em equilíbrio) Interpretação de um diagrama de fases Determinar as fases presentes marcar ponto temperatura-composição que será analisado e observar o campo em que o ponto está localizado Determinar quantidade de fases pode ser determinada pela regra da alavanca Exemplo: Leis cinéticas transporte molecular - Fourier/Fick/Newton; generalização; transporte turbulento Condução de calor Transferência de energia de uma partícula para as partículas vizinhas adjacentes menos energéticas Em líquidos e gases: a condução ocorre por colisões e difusões Em sólidos: a condução ocorre pela vibração das moléculas em rede a energia é transportada por elétrons livres Lei de Fourier: A taxa de condução depende da geometria, da espessura, do material e da diferença de temperatura Sinal negativo: o calor é conduzido no sentido da diminuição de temperatura Para coordenadas retangulares: Equação de Fourier-Biot Sob condições específicas: Para coordenadas cilíndricas: Para coordenadas esféricas: Obs: ger é um fenômeno volumétrico ocorre por todo o corpo ou meio Para se resolver os problemas de calor, deve-se fornecer condições de contorno para cada direção Condução de calor em uma parede plana Viscosidade Viscosidade é a resistência ao escoamento é uma medida de resistência do fluido ao cisalhamento Lei de newton da viscosidade: Onde µ é a viscosidade Para gases de baixa densidade: ↑T ↑μ O momento é transportado pelas moléculas livres maior energia, maior numero de colisões Para líquidos: ↑T ↓μ O momento é transportado devido as forças intermoleculares Teoria molecular da viscosidade de líquidos O fluxo viscoso é uma série de transições entre estados de equilíbrio, onde cada transição requer ultrapassar uma barreira de energia Lei de Fick A taxa de difusão é proporcional ao gradiente de concentração dessa espécie O sinal negativo indica a diminuição da concentração da espécie com o sentido do fluxo Difusão em sólidos cristalinos Difusão em sólidos porosos Difusão em estado transiente Reatores químicos desenho, fatores de influência - cinética, fases presentes, tipo de operação, etc Reator é o recipiente onde ocorre uma reação química para se obter o produto de interesse Fatores que influenciam no desenho de um reator Cinética Química Velocidade da reação Depende de T, P, [ ], catalisador, superfície de contato, luz e energia A influência da temperatura na velocidade de reação é descrita pela lei de Arrhenius Conversão da reação: Grau de idealidade A taxa de conversão (velocidade da reação) define os parâmetros do reator A correção do modelo ideal para o modelo real pode ser feita no reator ou no modelo Uma espécie traçadora pode ser inserida para determinar o tempo de residência Fases Presentes Sistema homogêneo Sistema heterogêneo Agitação propicia a homogeneidade do sistema Propulsores Pás Turbinas Vórtices aumento da turbidez do sistema melhor mistura maior homogeneidade Impelidores descentralizados Impelidores laterais chicanas Regime Térmico Isotérmico: mantem-se o valor da temperatura constante Reação exotérmica retirar calor Reação endotérmica fornecer calor Adiabático: minimiza-se as transferências de calor isolando o reator Deve-se ter um controle rigoroso de temperatura risco de explosão Nem isotérmico e nem adiabático: A temperatura e a conversão variam ao longo do reator Múltiplos estados estacionários É possível e a mesma reação apresente múltiplos estados estacionário qualquer distúrbio no sistema altera o equilíbrio Tomar cuidado com as temperaturas de ignição e extinção alta instabilidade do sistema aumenta-se ou diminui-se abruptamente a temperatura do sistema explosão Trocadores de calor utilizados: Serpentina Jaqueta Classificação primária dos reatores Reatores termoquímicos: a forma de energia utilizada é o calor Reatores eletroquímicos: a energia provém da passagem de corrente elétrica na mistura Reatores fotoquímicos: a reação ocorre devido a emissão de fótons Reatores bioquímicos: a energia é proveniente do catabolismo celular Estabilidade Modo de Operação Batelada Não há entrada e nem saída de componentes Agitação eficiente mistura perfeita Manutenção da temperatura em um valor constante Vantagens: Conversões elevadas Versáteis Fácil de limpar Melhor controle de processo para reações viscosas Desvantagens: Variação dos produtos em cada batelada Dificuldade de implementação em larga escala Difícil controle de temperatura Contínuo Regime permanente Não há acumulo CSTR Mistura perfeita T, v e [ ] independem do tempo e da posição Utilizados em série, paralelo ou sozinhos Bom controle de temperatura PFR Variação da concentração e temperatura ao longo do reator (assume-se que não há variação radial) Alta conversão por volume de reator Difícil controle de temperatura Leito fixo e fluidizado Reações heterogêneas reação ocorre na superfície do reator Velocidade de fluidização: velocidade do fluido que confere as partículas a aparência de um fluido as partículas ficam suspensas Velocidade de arraste: velocidade do fluido em que as partículas começam a ser arrastadas perda da funcionalidade do reator Semicontínuo Entrada de reagente sem saída de produto ou saída de produto sem entrada de reagente minimização das reações indesejadas e melhor controle de temperatura quando comparado ao reator em batelada Variação da composição ao longo do tempo Elevada conversão por unidade de volume Boa seletividade Produções em pequena escala Reatores ideais Batelada, PFR, CSTR e associações de reatores Definições importantes Conversão Tempo de residência Tempo médio em que as espécies químicas permanecem no reator tempo médio de duração da reação Depende do tipo de fluxo e das condições de operação Reator ideal Reatores que são descritos por um modelo matemático Reator não ideal Reatores que desviam do modelo matemático idealizado Reator em batelada A descarga é feita quando a conversão desejada é alcançada Tanques agitados Produto homogêneo, porém em cada operação T e [ ] não variam com a posição IDEALIZAÇÃO Troca de calor eficiente PFR Reator de escoamento empistonado A mistura passa por um tubo vazio ou recheado reagentes são consumidos de forma progressiva até a saída Reator ideal: não há dispersão radial e frente de reação não se mistura nem com a anterior e nem com a posterior Composição varia ao longo do reator, mas se mantem constante no mesmo ponto Formação de hot spots CSTR Boa mistura propriedades uniformes Condições de saída são iguais as condições no interior do tante A corrente de alimentação alcança instantaneamente as propriedades de mistura desejadas Controle preciso da temperatura Para a mesma conversão, demanda um volume maior pois ele trabalha em condições finais Associação de reatores Em série O volume total é igual ao somatório dos volumes de cada reator Reatores podem possuir diferentes volumes Em paralelo O volume total do reator só é a soma dos volumes de cada reator se os tempos de residência forem iguais Reatores Balanço de energia, comparação e critério de seletividade Quadro comparativo entre reatores Balanço de energia Reator em batelada No caso isotérmico: No caso adiabático: Reator CSTR Reator PFR Comparação entre reatores Reator em batelada Reator semibatelada Reator CSTR Reator PFR CSTR vs PFR Custos Seletividade de reatores Como um produto é favorecido em relação a outro em uma reação múltipla Quantificar a formação de D com respeito a U Minimiza-se as reações paralelas otimização da planta Importante na seleção de reatores Reações múltiplas Reações paralelas São reações competitivas Os reagentes são consumidos por duas rotas distintas reações desejadas e indesejadas aumentar a seletividade do reator Custo: Tipos de seletividade Instantânea em termos das velocidades específicas de formação Global em termos das vazões de saída do reator Batelada em termos do número de mols Para reações competitivas: Maximizando o produto desejado 1) α1 > α2 [A] deve ser alta Usar reator PFR 2) α2 > α1 [A] deve ser baixa usar CSTR com corrente de alimentação diluída 3) α1 = α2 No caso de dois reagentes: Reatores: Tubular com reciclo e CSTR com reciclo: reações altamente exotérmicas PFR: reações em fase gasosa CSTR: reações em fase líquida Reator com membrana e destilação reativa: reações limitadas termodinamicamente Reações em série Aplicações: Reator com membrana Micro reator Processo de hidrogenação do CO2 a metanol Balanço de massa em sistemas com uma unidade 1ª lei da termodinâmica Principio da conservação da energia A variação da energia interna ΔU é expressa pela diferença entre a quantidade de calor trocada com o ambiente Q e o trabalho realizado W durante o processo Sistema Lugar onde o processo ocorre Vizinhança é tudo que é externo ao sistema Sistema aberto Sistema fechado não há troca de matéria, mas pode haver troca de energia com a vizinhança Sistema isolado não há qualquer tipo de troca com a vizinhança Fronteira Superfície real ou imaginária que separa o sistema da vizinhança Fronteira adiabática não permite a passaagem entre o sistema e a vizinhança Fronteira diatérmica permite a passagem de calor entre o sistema e a vizinhança Fronteira permeável permite a passagem de massa e calor entre o sistema e a vizinhança Balanço de massa Lei da conservação da massa Nada se cria, nada se perde, tudo se transforma Processo É uma operação ou uma sequência de operações que promovem mudanças em uma substância ou mistura Operação Reação química, transporte de matéria, redução de tamanho, transporte ou geração de calor, destilação, etc. Classificação dos processos Quanto a alimentação Processo descontínuo Processo contínuo Processo semicontínuo Quanto a variação no tempo Regime permanente Regime transiente Equação geral do balanço de massa Para um sistema permanente e sem reação: não há acúmulo, geração ou de massa ENTRADA = SAÍDA Para um sistema permanente com reação: não há acúmulo E – S + G – C = 0 Para um sistema transiente sem reação: não há as parcelas de geração e consumo de massa A=E – S Para um sistema com reação: devem ser consideradas todas as parcelas do balanço de massa Múltiplas unidades Uma unidade Elevada conversão Menor conversão Maior tempo de operação Menor tempo de operação Corrente de saída de uma unidade é a corrente de entrada da próxima Única unidade Maior custo Menor custo Equações de balanço Balanços materiais em unidades múltiplas Unidades múltiplas equipamentos interligados por meio de correntes de processo Análise dos graus de liberdade Ngl=0 problema tem solução direta Ngl>1 problema subespecificado Ngl<1 problema superespecificado Aplicação na indústria Evaporador de triplo efeito Processos contínuos de separação Peneiramento Sedimentação gravitacional Centrifugação Ciclones Filtração Destilação Destilação por múltiplos efeitos Correntes em um processo multifásico Reciclo Parte da corrente de saída retorna ao sistema Não há acumulo no sistema não tem efeito sobre o balanço de massa global Bypass Parte da alimentação é desviada se unindo a outra corrente mais à frente São originadas em um divisor de correntes e terminam em um misturador Balanço de espécies em sistemas com reação química Velocidades relativas de reação Ordem de reação e lei de velocidade Para ordem 0: Para ordem 1: Para ordem 2: Para ordem 3: As leis de velocidade são exclusivas da reação química não dependem do tipo de reator onde ocorre a reação Constante de velocidade de reação Balanço material Equação de taxa Reação em fase líquida: Reação interfacial Reação sólido fluido Reação gás-liquido Conversão e reagente limitante Normalmente utiliza-se a conversão do reagente limitante como base de cálculo Reações irreversíveis: XMAX=1 Reações reversíveis: XMAX=Xe (conversão de equilíbrio) Concentração em função da conversão Reator em batelada Fluxo contínuo Estequiometria Relação entre as concentrações das diferentes espécies Graus de liberdade Indica de o sistema é passível ou não de resolução matemática Número de equações deve ser igual ou maior que o número de incógnitas Equações são obtidas a partir dos balanços de massa e energia Rendimento e seletividade Reações paralelas Reações consecutivas Rendimento instantâneo Rendimento global Seletividade instantânea Seletividade global Introdução aos fenômenos de transporte (DINÂMICA DOS FLUIDOS, CALOR E MASSA Matéria e energia são transportadas de um ponto a outro desde que exista um gradiente Transferência de quantidade de movimento: diferença de pressão Transferência de calor: diferença de temperatura Transferência de massa: diferença de concentração Transferência de Quantidade de movimento Fluido: substância líquida ou gasosa São facilmente deformados Fluidos são normalmente considerados como incompressíveis Gases são compressíveis Propriedades dos fluidos: Massa específica Peso específico Para líquidos: Para gases: Peso específico relativo Volume específico Elasticidade ↑V ↓P Viscosidade Resistência de um fluido ao fluxo É influenciada pela temperatura Fluidos gasosos:↑T ↑viscosidade Fluidos líquidos: ↑T ↓ viscosidade Viscosidade dinâmica (μ) Força requerida para mover uma unidade de área a uma unidade de distância Viscosidade cinemática (ν) Pressão e tensão Força exercida por unidade de área Tensão de cisalhamento Gerada por forças aplicadas em sentidos opostos em direções semelhantes Segunda lei de Newton da viscosidade Tipos de fluido Reversíveis ou elásticos Não escoam Deformação reversível obedece a lei de Hooke Irreversíveis ou viscosos Escoam Deformação é irreversível obedece a lei de Newton da viscosidade Fluidos Newtonianos Viscosidade constante Fluidos não newtonianos Viscosidade não é contante Escoamento dos fluidos Permanente ou não permanente Uniforme ou não uniforme Laminar ou turbulento Uni, bi ou tridimensional Rotacional ou irrotacional Tipos de escoamento Permanente ou transiente Uni, bi ou tridimensional Regime Escoamento laminar Escoamento de transição Escoamento turbulento Número de Reynolds Escoamento laminar: Re<2000 Escoamento de transição: 2000<Re<3000 Escoamento turbulento: Re>3000 Fenômenos de transporte de calor Temperatura Relaciona-se com a energia cinética das moléculas de um material Calor Transferência de energia de um corpo ou sistema para outro devido a diferença (gradiente) de temperatura Força motriz Movimento no sentido do equilíbrio e é causado por uma diferença de potencial Transferência de calor Energia em trânsito devido a uma diferença de temperatura Tipos de transferência de calor Condução A energia se propaga devido a agitação molecular Ocorre em sólidos Maior eficiência em materiais metálicos Lei de Fourier: Convecção A energia se propaga pelo movimento da massa aquecia ou resfriada Ocorre em líquidos e gases Lei de Newton da convecção: Radiação A energia se propaga em virtude da radiação eletromagnética Todo corpo com temperatura maior de 0K emite radiação térmica Ocorre em sólidos, líquidos e gases Lei de Wien Lei de Stefan-Boltzmann Fator forma Trocadores de calor Transferir calor de um fluido para outro em temperaturas diferentes Aquecedor solar Equipamento constituído por placas coletoras que absorvem radiação solar o calor captado é transferido para a água Forno Equipamento que atinge altas temperaturas Fonte de combustível: gás natural e madeira Caldeira Produção de vapor a partir do aquecimento da água O vapor é utilizado em máquinas térmicas, cozimento de alimentos, calefação, entre outros Transferência de massa Transporte de um componente de uma região de alta concentração para outra de baixa concentração Difusão molecular Lei de Fick: Convecção Fluido em movimento Pode estar associado com a difusão molecular Tipo de escoamento é determinante Convecção + difusão
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