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Gustavo Meira - EQ • UEM Introdução à Engenharia Química Introdução à EQ Unidades e Dimensões Definições ● Dimensões \ propriedade que pode ser medida ; conceitos básicos de medida ○ comprimento, massa, tempo, volume, velocidade... ● Unidade \ meios utilizados para expressar as dimensões ○ centímetro, segundos, kelvin… Sistema de Unidades ● Unidades básicas \ podem ser medidas de forma independente e são suficientes para descrever as grandezas físicas (unidades fundamentais / primárias) Grandeza Dimensão Unidade (SI) Comprimento L metro (m) Massa M quilograma (Kg) Tempo T segundos (s) Temperatura Θ Kelvin (K) Corrente Elétrica I ampère (A) Intensidade Luminosa J candela (cd) Quantidade de matéria N mol (mol) ● Unidades de múltiplos \ múltiplos ou frações das unidades básicas ( prefixos ) Prefixo Símbolo Fat. Prefixo Símbol o Fat. deka da 10 1 deci d 10 -1 hecto h 10 2 centi c 10 -2 kilo k 10 3 milli m 10 -3 mega M 10 6 micro µ 10 -6 giga G 10 9 nano n 10 -9 tera T 10 12 pico p 10 -12 peta P 10 15 femto f 10 -15 exa E 10 18 atto a 10 -18 zetta Z 10 21 zepto z 10 -21 yotta Y 10 24 yocto y 10 -24 ● Unidades derivadas \ multiplicação e/ou divisão das unidades básicas ou de seus múltiplos ( secundárias ) Grandeza Dimensões Unidades Área L 2 m 2 Volume L 3 m 3 Velocidade L/T m/s Aceleração L/T 2 m/s 2 Força (M⋅L)/T 2 N = Kg⋅m/s 2 Pressão M/(L⋅T 2 ) Pa = Kg/(m⋅s 2 ) Energia (M⋅L 2 )/T 2 J = Kg⋅m 2 /s 2 Potência (M⋅L 2 )/T 3 W = Kg⋅m 2 /s 3 Massa Específica M/L 3 Kg/m 3 Viscosidade M/(L⋅T) Kg/(m⋅s) Calor Específico L 2 /(T 2 ⋅ ) Θ m 2 /(s 2 ⋅K) ou J/(kg ⋅K ) Definição de Sistema As unidades devem estar de acordo com um sistema, podendo ser ele o sistema internacional (SI), CGS, FPS, MK f S, BG, entre outros. Sistema Comp. Tempo Massa Força Sistemas Absolutos {L, T, M} SI m s Kg N CGS cm s g dina FPS ft s lb m poundal SIstemas Gravitacionais {L, T, F} 1 Gustavo Meira - EQ • UEM Introdução à Engenharia Química MK f S m s utm Kg f FP f S (BG) ft s slug lb f SIstemas de Engenharia {L, T, M, F} MKK f S m s Kg Kg f FPP f S (AE) ft s lb m lb f Conversão de Unidades Uma quantidade medida pode ser expressa em termos de qualquer unidade que tenha a dimensão apropriada . A conversão entre unidades da mesma grandeza é obtida com um fator de conversão . ● Equação dimensional \ método para trocar as unidades em que as unidades velhas se cancelam , dando espaço para as novas que foram obtidas pelo fator de conversão ● Escreva a equação \ insira os números e unidades \ obtenha os fatores de conversão \ multiplique os termos e cancele as unidades \ faça os cálculos Mols e Massa Molar mol (g-mol) é definido como a quantidade de matéria de um sistema que contém tantas unidades elementares. 12 g de 12 C = 1 mol de 12 C contêm 6,02214 x 10 23 átomos de carbono. ● 1 mol de 12 C M = 12 g/mol ● 1 Kmol de 12 C M = 12 Kg/Kmol ● 1 lb-mol de 12 C M = 12 lb m /lb-mol Força e Peso Com a segunda lei de Newton temos que F = ma , portanto, ( massa ⋅ comprimento / tempo 2 ). Porém a relação entre massa e força depende do sistema empregado: ● Absoluto \ 1 F = 1 m ⋅ 1 a ● Gravitacional \ 1 F = 1 m / 1 a ● Engenharia \ 1 F = 1 m Os cálculos envolvendo força no sistema de engenharia precisam de um fator de conversão g c , onde g é a aceleração da gravidade ao nível do mar em uma latitude de 45 o . 𝐹 = 𝑚 × 𝑎 𝑔 𝑐 → 𝑠𝑖𝑠𝑡 . 𝑒𝑛𝑔 . ● 1 newton (N) = 1 Kg⋅m/s 2 g c = 9,8066 m/s 2 ● 1 dina = 1 g⋅cm/s 2 g c = 980,66 cm/s 2 ● 1 lb f = 32,174 lb m ⋅ft/s 2 g c = 32,174 ft/s 2 Temperatura e Diferença de Temperatura A temperatura de alguma substância em determinado estado de agregação é uma medida de energia cinética média que possuem as moléculas das substâncias. Pode ser medida por alguma propriedade física que envolva temperatura (termômetro, termômetro de resistência, termopar, pirômetro, ou estado de ebulição e fusão). Grau é o comprimento do intervalo de temperatura. ● Escala Celsius (centígrado) \ Temperatura de fusão da água fixado em 0 o C e de ebulição fixado em 100 0 C. Zero absoluto em -273,15 o C ● Fahrenheit \ fusão fixado em 32 o F e ebulição fixado em 212 o F. Zero absoluto em -459,67 o F ● Zero absoluto \ temperatura mais baixa a ser atingida na natureza (teoricamente) ● Kelvin \ zero absoluto em 0 o com variação igual a escala Celsius ● Rankine \ zero absoluto em 0 o com variação igual a escala Fahrenheit 𝑇 ( 𝐾 ) = 𝑇 ( 𝐶 ) + 273 , 15 𝑇 ( 𝑅 ) = 𝑇 ( 𝐹 ) + 459 , 67 𝑇 ( 𝑅 ) = 1 , 8 𝑇 ( 𝐾 ) 𝑇 ( 𝐹 ) = 1 , 8 𝑇 ( 𝐶 ) + 32 1 , 8 𝐹 1 𝐶 = 1 , 8 𝑅 1 𝐾 = 1 𝐹 1 𝑅 = 1 𝐶 1 𝐾 Consistência Dimensional ● Homogeneidade dimensional \ as quantidades só podem ser somadas ou subtraídas somente quando estiverem com as mesmas unidades . Logo, uma equação dimensionalmente homogênea ocorre quando todos os termos aditivos nos dois lados da equação tem as mesmas dimensões . ● Mudar unidades das equações com mesmas dimensões ○ Defina novas variáveis ○ Escreva expressões para cada variável velha em termos da variável nova correspondente ( converta as unidades) ○ Substitua estas expressões na equação original e simplifique ● Grupo adimensional \ uma quantidade adimensional pode ser um número puro ou uma combinação de variáveis que não tenham dimensões. No grupo adimensional temos expoentes , funções transcendentais e argumentos de funções transcendentais 2 Gustavo Meira - EQ • UEM Introdução à Engenharia Química Notação Científica, Algarismos Significativos e Precisão ● Notação científica \ número expresso pelo produto de um outro número (usualmente entre 0,1 e 10) e uma potência de 10 ● Algarismos significativos \ quantidade de algarismos que serão representados em um termo e, consequentemente, o torna mais preciso (quanto mais algarismos significativos, mais preciso é o valor) ○ Número de dígitos a partir do primeiro não-zero da esquerda até: ○ Com separador decimal (,) \ último dígito à direita ○ Sem separador decimal (,) \ último dígito não-zero à direita ○ Multiplicação e divisão \ resultado deve ser igual ao da grandeza com o menor número de algarismos significativos 3,57 ( 3 ) x 4,286 ( 4 ) = 15,30102 (7) 15,3 ( 3 ) ○ Adição e subtração \ A posição do último algarismo significativo de cada número deve ser comparada em relação ao separador decimal , o que fica mais à esquerda define a posição do último algarismo significativo do resultado. 1,000 0 (4) + 0,03 6 (3) + 0,2 2 (2) = 1,2560 1,2 6 (2) 23, 25 8 (3) + 15 (0) − 1, 75 8 (3) = 36, 500 36 (0) ● Arredondamento \ deve ser somente aumentado ou mantido ○ Seguido de algarismo > 5 \ aumenta ○ Seguido de algarismo < 5 \ mantém ○ Seguido de algarismo = 5 ( seguido de zero ) \ o algarismo deve ser par ○ Seguido de algarismo = 5 (seguido de número diferente de zero ) \ aumenta Grandezas da Engenharia Química Massa e Volume ● Massa específica (densidade) \ ( ⍴ ) massa por unidade de volume (kg/m 3 , lbm/ft 3 ...). A massa específica independe da pressão e varia pouco com a temperatura. ⍴ = 𝑚 𝑉 ● Volume específico\ ( ) volume ocupado por uma unidade 𝑉 de massa, inverso da massa específica ou 𝑉 = 𝑉 𝑚 𝑉 = 1 ⍴ São também usados como fatores de conversão . ● Densidade relativa \ ( DR ) ou ( gravidade específica ( SG )) razão entre a massa específica ⍴ de uma substância por uma massa específica referência predefinida ( ⍴ ref ) 𝑆𝐺 = ⍴/ ⍴ 𝑟𝑒𝑓 A substância mais comumente usada é a água a 4,0ºC = 1,000 g/cm 3 ⍴ H2O(l) (4ºC) = 1000 kg/m 3 = 62,43 lb m /ft 3 Vazão É a taxa à qual o material é transportado através de uma linha de processo. A vazão de uma linha de processo pode ser expressa como vazão mássica [( ṁ = massa / tempo) a cada tempo, n de massa passa pela secção] ou vazão volumétrica [( V˙ = volume / tempo) a cada tempo, n de volume passa pela secção]. A relação de volume e massa está na massa específica do fluido (⍴) ⍴ = 𝑚 / 𝑉 = ṁ/ 𝑉 ̇ ● Rotâmetro \ é um tubo cônico vertical contendo um flutuador. Quanto mais alta a vazão, mais alto ele fica ● Medidor de orifício \ mede a queda de pressão através de um orifício em uma placa fina, restringindo o fluxo em um conduto. Quanto maior a vazão, maior a queda de pressão Composição Química As propriedades físicas de uma mistura dependem fortemente da sua composição. ● Peso atômico \ massa de um elemento em uma escala que atribui o 12 C uma massa de exatamente 12 ● Peso molecular \ é a soma dos pesos atômicos que constituem a molécula ● grama-mol \ (g-mol ou só mol no SI) é a quantidade de uma espécie cuja massa, em gramas, é numericamente igual ao seu peso molecular Logo, o peso molecular pode ser usado como um fator de conversão que relaciona a massa e o número de mols de uma quantidade de substância. Um mol de qualquer espécie contém aproximadamente 6,02×10 23 moléculas dessa espécie. O peso molecular também pode ser usado para relacionar a vazão mássica de uma corrente desta espécie à sua 3 Gustavo Meira - EQ • UEM Introdução à Engenharia Química correspondente vazão molar . O dalton ( Da ) é empregado com frequência em discussões envolvendo o peso molecular de espécies bioquímicas (1 Da = 1/12 peso do 12 C). As correntes de processo ocasionalmente podem conter somente uma substância, porém o comum é haver uma mistura de líquidos ou gases. Os termos abaixo podem definir a composição de uma mistura de substâncias que inclui uma espécie A: ● Fração mássica \ (x) 𝑥 𝐴 = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝐴 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ● Fração molar \ (y) 𝑦 𝐴 = 𝑚𝑜𝑙𝑠 𝑑𝑒 𝐴 𝑚𝑜𝑙𝑠 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 A porcentagem em massa de A é 100x A , e a porcentagem molar de A é 100y A . Um conjunto de frações mássicas pode ser convertido a um conjunto de frações molares equivalentes, admitindo como base de cálculo uma massa da mistura (ex: 100 kg), usando frações conhecidas para calcular a massa de cada componente nesta quantidade-base e convertendo essas massas em mols e dividindo a massa de cada componente pelo número total de mols. base: 100 g Compo- nente i Fração mássic a x i (g i /g) Massa m i = x i ⋅m total Peso molecu -lar M i (g/mol) Mols n i = m i / M i Fração molar y i = n i ⋅n total molécula - - - - - total 1,00 100 g - n total 1,00 ● Peso molecular médio \ ( ) é a razão entre a massa de 𝑀 uma amostra da mistura (m t ) e o número de mols de todas as espécies (n t ) na amostra 𝑀 = 1 𝑖 ∑ 𝑦 𝑖 𝑀 𝑖 Se x é a fração mássica do componente i, então: 1 𝑀 = 1 𝑖 ∑ 𝑥 𝑖 𝑀 𝑖 ● Concentração mássica \ massa de um componente pela unidade de volume da mistura ● Concentração molar \ número de mols de um componente pela unidade de volume da mistura ● Molaridade \ valor da concentração molar do soluto expressa em mols de soluto por litros de solução (ex: x molar de A contém x mol de A por litro de solução) ● Parte por milhão e bilhão \ expressam concentração em traços de espécie (espécies em quantidades muito pequenas) em misturas de gases ou líquidos. Podem se referir à razões mássicas (normalmente para líquidos ) e para razões molares (normalmente para gases ). (ex: x ppm de algum composto significa que em um milhão de mols de alguma mistura, x mols são desse composto) Pressão É a razão entre uma força e a área a qual esta força está sendo aplicada (N/m 2 , por exemplo, tal que N/m 2 = Pa (pascal) no SI). A pressão do fluido pode ser definida como a força necessária para um tampão se abrir sem atrito para impedir que um fluido escape. Suponhamos que uma coluna vertical de um líquido tem uma altura h (m) e uma secção transversal uniforme de área A (m 2 ), tal que o fluido tem uma massa específica ⍴ (kg/m 3 ) e que uma pressão P 0 (N/m 2 ) é exercida sobre a superfície superior da coluna. A pressão P na base da coluna ( pressão hidrostática do fluido) é a força F exercida sobre a base dividida pela área de base A . F é então a força sobre a superfície do topo da coluna mais o peso do fluido na coluna: 𝑃 = 𝑃 0 + ⍴ · 𝑔ℎ A pressão também pode ser expressa como uma carga de um fluido particular (como a altura de uma coluna hipotética onde a pressão exercida no topo fosse 0 ) Logo, a equivalência entre uma pressão P (força/área) e a correspondente carga P h ( altura de um fluido ) é dada por: 𝑃 𝐹 𝐴 ( ) = ⍴ 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 · 𝑔 𝑃 ℎ ( 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑜 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 ) ● Pressão atmosférica \ pressão na base de uma coluna de um fluido (ar) localizada no ponto de medição (ao nível do mar, por exemplo). Ao nível do mar , temos que: 760 mm Hg = 1 atm ● Pressão absoluta \ ( psia ) pressão zero corresponde ao vácuo perfeito ● Pressão manométrica \ ( gauge ) ( psig ) pressão relativa à pressão atmosférica, tal que quando o gauge indica 0 significa que ele corresponde à pressão atmosférica. Pressões manométricas negativas (pressão absoluta menor que a atmosférica) podem ser chamadas de x unidades de vácuo . 𝑃 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑎 = 𝑃 𝑎𝑡𝑚𝑜𝑠𝑓 é 𝑟𝑖𝑐𝑎 + 𝑃 𝑚𝑎𝑛𝑜𝑚 é 𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 ● Tubo de Bourbon \ tubo vazio fechado e dobrado na forma de c. Quando a pressão aumenta, o tubo tende a se endireitar causando a manometria do fluido 4 Gustavo Meira - EQ • UEM Introdução à Engenharia Química ● Manômetro de coluna líquida \ tubo em forma de u parcialmente cheio de líquido de massa específica conhecida (fluido manométrico). O nível do fluido cai no braço de alta pressão e sobe no braço de baixa pressão ● Equação geral do manômetro de coluna \ a pressão na altura da superfície inferior de um fluido manométrico é a mesma nos dois braços do manômetro 𝑃 1 + ⍴ 1 𝑔 𝑑 1 = 𝑃 2 + ⍴ 2 𝑔 𝑑 2 + ⍴ 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑔 𝑑 ● Equação do manômetro de coluna diferencial \ os fluidos 1 e dois são o mesmo fluido, então temos que ⍴ 1 = ⍴ 2 = ⍴ e reduzimos a equação para 𝑃 1 − 𝑃 2 = ( ⍴ 𝑓 − ⍴ ) 𝑔ℎ ● Fórmula do manômetro de coluna para gases \ se um dos fluidos é um gás de pressão moderada (extremo aberto), então o termo ⍴gd pode ser desprezado, ficando só com . E se as duas pressões são 𝑃 1 − 𝑃 2 = ⍴ 𝑓 𝑔ℎ expressas como carga do fluido manométrico, então: 𝑃 1 − 𝑃 2 = ℎ Balanços de Massa Classificação de Processos ● Tipos de sistemas ○ Aberto \ pode trocar energia e matéria com a vizinhança ○ Fechado \ permite somente a troca de energia , não de matéria ○ Isolado \ não permite trocade energia nem de matéria ● Tipos de processos ○ Batelada \ o sistema é alimentado com os reagentes no começo e os produtos são retirados todos juntos no final, sem que ocorra transferência de massa nos limites do sistema ○ Contínuo \ as entradas e saídas fluem continuamente durante o processo ○ Semi-batelada (semi-contínuo) \ qualquer processo que não se encaixa em contínuo ou em batelada ● Tipos de estados ○ Estacionário \ quanto todas as variáveis no processo são constantes com o tempo (ex: contínuos) ○ Transiente (não estacionário) \ qualquer variável muda conforme o tempo (ex: batelada, semi-batelada e contínuo) ● Tipos de escoamento ○ Paralelo \ as correntes escoam no mesmo sentido ○ Contracorrente \ as correntes escoam em sentido contrário ● Condições-Padrão ○ CNTP \ 273,15 K e 100000 Pa – atual ○ SC \ 60 °F e 14,7 psia (1 atm) ○ CNTP-BR \ 20 °C e 1 atm ● Tipos de fluxograma ○ Blocos \ Determinar as operações unitárias; Organizar a sequência das operações; Colocar as correntes de fluxos; fluxo de material deve ocorrer da esquerda para a direita (quando possível) ○ Processos \ Vasos, reatores, separadores e trocadores de calor; Bombas e tubulação do sistema; Símbolos dos principais equipamentos, nomes e números de identificação; Controles e válvulas; Principais rotas; Taxas e valores operacionais; Composição das correntes ○ Tubulação e instrumentação (P&ID) \ Contém dimensões e especificações de todas as linhas, todas as válvulas e todos os instrumentos; Principais equipamentos e também os menos importantes; Representa o aspecto mecânico da planta 5 Gustavo Meira - EQ • UEM Introdução à Engenharia Química Equação Geral Do Balanço Um balanço de uma quantidade conservada em um sistema possui a forma geral: 𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 + 𝐺𝑒𝑟𝑎 çã 𝑜 − 𝑆𝑎 í 𝑑𝑎 − 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑎 = 𝐴𝑐 ú 𝑚𝑢 ● Balanço diferencial \ indica o que está acontecendo em um sistema em um instante determinado de tempo. Cada termo é uma taxa dividida pelo tempo (usualmente em contínuos) ● Balanço integral \ descreve o que acontece entre dois instantes de tempo. Cada termo é uma porção da grandeza balanceada e tem suas unidades correspondentes (usualmente em batelada) ● Geração = Consumo = 0 ○ Se a quantidade balanceada é a massa total (exceto em reações nucleares) ou se é uma espécie não reativa ● Acúmulo = 0 ○ Se o sistema está em estado estacionário ● Balanços em processos contínuos em estado estacionário \ o acúmulo é igual a zero. Se não há reação, então: Entrada = Saída . (vazão) 𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 + 𝐺𝑒𝑟𝑎 çã 𝑜 = 𝑆𝑎 í 𝑑𝑎 + 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 ● Balanços integrais em processos de batelada \ a equação é idêntica a anterior porém cada termo representa a (quantidade inicial e final) das substâncias e não as vazões 𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 + 𝐺𝑒𝑟𝑎 çã 𝑜 = 𝑆𝑎 í 𝑑𝑎 + 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 ● Balanços integrais em processos semi contínuos \ consiste em escrever o balanço diferencial de um sistema e integrá-lo entre dois instantes de tempo Cálculos de Balanços de Massa ● Desenhe um fluxograma do processo completamente rotulado. As variáveis de interesse são: ○ Quantidade de componente \ batelada ○ Vazão \ contínuo ○ Vazão volumétrica \ escrever como vazão molar ou mássica ● Base de cálculo \ se as frações mássicas forem conhecidas, adote um valor para a massa total ou para a vazão mássica, o mesmo para molares. ○ Escalonamento \ mudar os valores de todas as quantidades ou vazões das correntes de forma proporcional ● O número máximo de equações independentes que podem ser deduzidas escrevendo balanços em um sistema não reativo é igual ao número de espécies químicas nas correntes de entrada e saída ● Escreva primeiro os balanços que envolvem o menor número de variáveis desconhecidas ● Análise do grau de liberdade \ dado pelo número de incógnitas menos o número de equações independentes 𝑛 𝑔𝑙 = ( 𝑛 𝑖𝑛𝑐 ó 𝑔𝑛𝑖𝑡𝑎𝑠 − 𝑛 𝑒𝑞 . 𝑖𝑛𝑑𝑒𝑝 . ) ○ n gl = 0 \ pode ser resolvido ○ n gl > 0 \ possui infinitas soluções ( subespecificado ) ○ n gl < 0 \ (super especificado) Balanços de Múltiplas unidades ● Sistema \ qualquer parte de um processo que pode ser incluído dentro de uma caixa hipotética ○ Balanço global \ balanços escritos para o sistema ○ Análise global \ a análise dos graus de liberdade leva em conta as fronteiras do sistema 6
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