PPQ Cap3 atualizado

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CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIAQUÍMICA
UNIVERSIDADE
FEDERAL DO CEARÁ
Variáveis de Processo
TF0314 - Princípio dos Processos Químicos
3
Estrutura do Curso 
TÓPICOS DO PROGRAMA HORAS
❶ Apresentação do plano de trabalho. Apresentação geral do conteúdo. 03
❷ Unidades de engenharia. Conversão de unidades. 03
❸ Variáveis de processo. 09
❹ Introdução aos balanços materiais. Estratégia para resolver problemas de balanço material.
Balanço material em unidades isoladas. Balanço material em unidades múltiplas. Balanço
material envolvendo reciclo, bypass e purga.
15
❺ Estequiometria das reações químicas. Balanço material para processos com reações
químicas. Reações de combustão.
06
❻ Sistemas monofásicos e comportamento PVT. Gás ideal e gás real. Introdução às equações
de estado (Equações do virial e cúbicas). Coordenadas generalizadas. Princípios dos estados
correspondentes.
09
❼ Introdução ao equilíbrio de fases. Regra das Fases de Gibbs. Lei de Raoult. Cálculos dos
pontos de bolha e orvalho. Lei de Henry. Sistemas gás-líquido (aplicações na evaporação,
secagem e umidificação). Soluções de sólidos em líquidos.
09
❽ Formas de energia. 1ª. Lei da Termodinâmica. Balanços de energia em sistemas fechados e
abertos. Calor sensível e latente. Balanços em sistemas envolvendo mudança de fase. Balanços
em processos não reativos.
18
❾ Calores de reação, formação e combustão. Balanços em processos reativos. 09
❿ Segunda Lei da Termodinâmica. Entropia. 06
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FEDERAL DOCEARÁ
IDENTIFICANDO E DESCREVENDO AS 
VARIÁVEIS DE UM PROCESSO
Capítulo 3| Variáveis de Processo
Você acaba de ser contratado para
estagio em uma planta de produção de
um determinado produto (P), obtido
pela reação entre duas substâncias A e
B. Especificamente, você foi destacado
para a unidade de Reação Química e
seu supervisor, em seu primeiro dia de
estágio o solicitou, como primeira
tarefa, um pequeno relatório contendo
a observação e o acompanhamento
das variáveis envolvidas nesta etapa
do processo.
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COMPORTAMENTO DE UMA 
VARIÁVEL NO PROCESSO
Capítulo 3| Variáveis de Processo
Comportamento da Variável 
PERMANENTE TRANSIENTE
𝜑 𝜑
Tempo Tempo
 𝜑
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PRINCIPAIS PARÂMETROS NA DESCRIÇÃO 
DAS CORRENTES DE PROCESSO
Capítulo 3| Variáveis de Processo
Massa Específica (r)
A densidade de um material é
definida como a relação entre a
sua massa e o volume por
ela ocupado.
Massa Específica (r)
𝜌𝐴(𝑃, 𝑇) =
𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎𝐴
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝐴
=
[𝑀]
[𝐿]3
𝑈𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠:
𝑘𝑔
𝑚3
;
𝑔
𝑐𝑚3
; 
𝑙𝑏𝑚
𝑓𝑡3
Volume Específico (VE)
Volume Específico (VE) é o
inverso da densidade de um
material.
Densidade Relativa (rr)
É a razão entre a densidade
(ρ) e a densidade de uma
substância de referência
em uma condição específica de
T e P (ρref).
),(Referência
),( 11
refrefref
A
PT
PTA
r
r


Seja uma substância A, sua
densidade relativa é definida por:
][
][
refref
A
rA
T
T1
r
r
r 
Pressão (P)
Razão entre a força (F), na
direção normal, e a área (A) sobre
a qual ela atua.
Manômetros com tubo Bourdon
Pressão (P)
𝑃 =
𝐹𝑜𝑟ç𝑎
Á𝑟𝑒𝑎
=
[𝑀]
[𝐿] × [𝜃]2
𝑈𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠:
𝑁
𝑚2
(𝑃𝑎);
𝑙𝑏𝑓
𝑖𝑛2
(𝑝𝑠𝑖)
Pressão Atmosférica e Manométrica
Pressão Atmosférica: É pressão
absoluta na superfície terrestre devida ao
peso da atmosfera. A pressão atmosférica é
também chamada de pressão barométrica.
Pressão Manométrica: É a pressão
medida com relação à pressão da
atmosfera. A pressão manométrica também
é chamada de pressão efetiva que é aquela
que adota como zero a pressão atmosférica
local (pressão barométrica).
𝑃𝑎𝑡𝑚 = 760𝑚𝑚𝐻𝑔 = 10,33 𝑚𝑚𝐻2𝑂 = 1,013 × 10
5 𝑁 𝑚2 = 1𝑎𝑡𝑚
Formas de Expressar a Pressão (P)
𝑃𝑎𝑏𝑠 = 𝑃𝑟𝑒𝑙 + 𝑃𝑎𝑡𝑚
Pressões Absolutas (Pabs):
Medidas em relação ao vácuo
absoluto, para o qual: Pabs = 0
Pressão 
Absoluta
Pressão Manométrica
Patm
P1
𝑃𝑎𝑏𝑠 = 𝑃𝑚𝑎𝑛 + 𝑃𝑎𝑡𝑚
P2
Vácuo
Coluna de Fluido
P
P0
h
r
Pressão na superfície do Fluido
Pressão no fundo do Tanque
Pressão exercida pela 
coluna de Líquido: 
𝑚á𝑔𝑢𝑎𝑔
𝐴
𝑉
𝑉
= 𝜌𝑔ℎ
𝑃0
𝑃 = 𝑃0 + 𝜌𝑔ℎ
Escoamento de Fluidos
Perda de Carga
Distribuída: São aquelas que
ocorrem em trechos retos de tubulações.
Localizada: São perdas de
pressão ocasionadas pelas peças e
singularidades ao longo da tubulação,
tais como curvas, válvulas, derivações,
reduções, expansões, etc.
Escoamento em Dutos Rugosos
DP em Escoamento de Fluidos em Dutos
Um manômetro diferencial (em
forma de “U”) foi instalado em uma
tubulação, por onde escoa água
(20oC), com a finalidade de
identificar a diferença de pressão
entre os pontos 1 e 2 (P1 P2) deste
escoamento.
Problema: Identifique esta
diferença de pressão (P1 P2)
sabendo que a densidade do fluido
manômétrico é 1100 kg/m3 e a
diferença de cota promovida pelo
desocamento do fluido é de 0,022m.
Representação do Problema
Dados Importantes
DP em Escoamento de Fluidos em Dutos
Representação do Problema
Dados Importantes
DP em Escoamento de Fluidos em Dutos
Representação do Problema
Equacionamento do Problema:
𝑃 𝑥′ = 𝑃1 + (𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎× 𝑔 × 𝑑)
𝑃 𝑥 = 𝑃2 + (𝜌𝑓× 𝑔 × 𝑑)
Unidades:
1𝑁
1𝑘𝑔 × 𝑚/𝑠2
𝑒
1 𝑃𝑎
1𝑁/𝑚2
Transporte de Fluidos
Transporte de Fluidos
Pressão em Sistemas Gás-Sólido
Temperatura (T)
“ A temperatura de um corpo é uma
medida de um estado térmico
considerado em referência ao seu
poder de transferir calor para outros
corpos.“
James C. Maxwell (1831- 1879) 
Temperatura (T)
∆(℃)
5
=
∆(𝐾)
5
=
∆(℉)
9
=
∆(°𝑅)
9
Escalas Termométricas
Temperatura (T)
∆(℃)
5
=
∆(𝐾)
5
=
∆(℉)
9
=
∆(°𝑅)
9
Unidade de Massa Atômica (u.m.a)
1 unidade de massa atômica
1/12 do átomo de ¹²C
Molécula-Grama (Mol)
É a quantidade de matéria
de um sistema contendo tantas
entidades elementares quantos
átomos existem em 0,012 kg de
carbono 12.
Um átomo-grama de um elemento contém um
número de átomos igual ao número de
Avogadro (6,02x1023 átomos)
Molécula-grama (mol): quantidade de substância cuja massa, medida em
gramas, é igual a sua massa molecular. Um mol de qualquer substância
contém 6,02x1023 moléculas.
Massa Atômica
Caracterização de Misturas
As correntes de processo contêm,
geralmente, mais de uma
substância (mais de um componente
ou espécie química: A, B, C, ...).
Quando isto ocorre elas são chamadas
de multicomponentes ou
multicompostas. Nesse caso, na
caracterização da corrente, além da
informação de que espécies estão
presentes, há a necessidade de se
informar a quantidade em que cada
uma está presente. Este tipo de
informação poder ser fornecido em
termos absolutos, através das
chamadas concentrações, ou em
termos relativos através das
chamadas frações.
Concentração
Mássica Molar
Volume
Massa
A A][ Volume
esMoldeNo
M
A
A
)(.

SoluçãodeVolume SoluçãodeVolume
Frações e Porcentagens
...;:  BAtotal
total
A
A nnn
n
n
zMolarFração
...;:/  BAtotal
total
A
A mmm
m
m
wPonderalMássicaFração
...;:  BAtotal
total
A
A VVV
V
V
vaVolumétricFração
1
111
 

n
i
i
n
i
i
n
i
i vmz 100fraçãomPorcentage:
Massa Molar Média



n
i
iiw MzM
1
Vazão Mássica, Molar e Volumétrica
Mássica Molar Volumétrica
tempo
Massa
m ii 
tempo
moles
M ii 

tempo
Volume
q ii 
Exemplificando
Nas plantas de ácido sulfúrico,
geralmente se produz um grau de
ácido e a partir desta composição o
ácido é diluído para produzir
concentrações diferentes para
comercialização. Uma planta de ácido
sulfúrico produz como composição
primária, ácido sulfúrico a 85% (em
mol). Num tanque de mistura deve-se
produzir ácido sulfúrico a 20% (em
mol). Para diluir o ácido sulfúrico
concentrado, a fábrica utiliza água
vinda de uma torre de lavagem de
gases oriundos de um reator, que
possui uma concentração de 5% (em
mol) de H2SO4. Calcule as vazões
mássicas e a carga de H2SO4 em
cada corrente.
 𝑁1 = 2390,2
𝑚𝑜𝑙
ℎ
 𝑁2 = 551,4
𝑚𝑜𝑙
ℎ
❶ ❷
❸
H2SO4 98
𝑔
𝑚𝑜𝑙
H2O 18
𝑔
𝑚𝑜𝑙
Exemplificando
❶ ❷
❸
Corrente 𝑁𝑖 (mol/h) 𝑚𝑖 (kg/h) H2SO4 (mol/h)
❶ 2390,2
❷ 551,4
❸ 100
H2SO4 98
𝑔
𝑚𝑜𝑙
H2O 18
𝑔
𝑚𝑜𝑙
Fluxo de Material
Mássica Molar Volumétrica
2]][[
][
;
L
M
Área
w
G

 2]][[
][
;
L
mol
Área
n
GM 

][
][
;

L
Área
q
u 
Viscosidade e Fluidos
Um fluido é uma substância que se
deforma continuamente quando submetida
a uma tensão de cisalhamento, não
importando o quão pequena possa ser essa
tensão. Um subconjunto das fases da matéria.
dy
dv
 Viscosidade: Newtonianos x Não-Newtonianos
Viscosidade
dy
dv
 
Viscosidade
dy
dv
 
Viscosidade Dinâmica e Cinemática
Viscosidade Dinâmica e Cinemática
Viscosidade, Temperatura e Escoamento
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DEPARTAMENTO DE ENGENHARIAQUÍMICA
UNIVERSIDADE
FEDERAL DOCEARÁ
REFERÊNCIAS PARA LEITURA
Capítulo 3| Variáveis de Processo
Referências
Engenharia Química-Princípios 
e Cálculos 
(8ª Ed. , 2014, LTC, Parte 1, 
Capítulos 1 e 2).
HIMMELBLAU & RIGGS
Princípios Elementares dos 
Processos Químicos
(3ª Edição , 2005, LTC, Parte 1, 
Capítulo 3).
FELDER & ROUSSEAU
Introdução à Engenharia 
Química 
(3ª Edição, Interciência, 2013, 
Capítulos 1, 2 e 3) 
Nilo Indio do Brasil