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Introdução a Quimica Tecnologia

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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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