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Introdução ao Cálculo de Processo Aula 01 - Introdução a Cálculos de Engenharia Prof. Msc. 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 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 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 11 12 Em outras palavras: Sistema de Unidades 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. 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 14 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 15 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 16 SISTEMA INGLÊS (ENGENHARIA) Dimensões Básicas (unidades básicas): Força (lbf) Massa (lbm) Comprimento (ft) Tempo (s) Temperatura (R) Sistema de unidades 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. 17 Unidades Derivadas do SI 18 Exemplos de unidades derivadas do SI com nomes e símbolos especiais. 19 Outros Sistemas de Unidades Sistema CGS: Sistema coerente de 3 unidades (centímetro, grama, metro). Sistema MKS: Na mecânica clássica, qualquer grandeza pode ter a unidade representada pela combinação de Comprimento (m), massa (Kg) e tempo (s). Exemplos: velocidade em m/s, aceleração em m/s2, força em kg/(m.s2) Sistema MKS* (MKS técnico): Similar ao MKS, em que a força ao invés da massa é adotada como grandeza fundamental. 1 litro de água a 4o C MKS: massa 1 Kg peso 9,8 N MKS*: peso 1 Kgf 20 Outros Sistemas de Unidades Sistema Imperial Britânico, Inglês ou Americano de Engenharia 1 polegada = comprimento de 3 grãos de cevada alinhados 1 jarda = distância entre a ponta do nariz e o polegar, com o braço estendido, do rei Henrique I Unidade Símbolo Nome em Inglês Grandeza Definição polegada in Inch Comprimento 1 polegada =2,54 cm pé ft Foot/Feet Comprimento 1 pé = 12 polegada =30,48 cm jarda yd Yard Comprimento 1 jarda = 3 pés = 91,44 cm galão gal Gallon Volume 1 galão = 3,785 L libra lb Pound Massa 1 libra = 453,6 grama onça ozOunce Massa 1 onça = 28,35 milha mi mile Comprimento 1milha = 1609 m 21 Conversão de unidades - Uso de fatores de conversão (valores equivalentes de diferentes unidades) Exemplo: unidades de comprimento 22 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 23 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 24 Peso e massa – Um caso especial Massa: kg (SI); lb ou lbm(Sistema Inglês) Força: N (SI) F = m x g F = kg x m/s2 = (kg.m) x s-2 = N 1 kgf (1 kilograma-força) é a força exercida pela massa de 1kg na gravidade terrestre 1kgf = 1kg x 9,81m/s 2= 9,81 kg.m.s-2= 9,81 N Analogamente, para lbf (libra-força) 1lbf = 1lbm x 32,174ft/s 2=32,174 lbm.ft.s -2 Massa: quantidade de matéria Peso: é a força exercida sobre um objeto pela ação da gravidade. 25 𝑤 = 𝑚.𝑔 - O que são processos químicos (transformação físico-química; agregar valor) - Funções básicas dos processo químicos (reação química, mistura, separação, transferência de massa e de energia) - O conceito de operações unitárias (unidades de processamento com técnicas em comum) - Fluxogramas: diagramas de processo - Análise de processos (calcular quantidades e propriedades de matérias primas e produtos) - Trabalhar com unidades e grandezas (operações básicas; conversão) - Sistemas de unidades: SI, CGS, MKS, Inglês O que vimos hoje? 26 27 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
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