Operacoes Unitarias de processos quimicos Aula 01

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Operações Unitárias de processos químicos
Aula 01 – Apresentação da disciplina
Revolução Industrial
Século XVIII/XIX - Inglaterra
Como surgiu a Indústria?
James Watt, engenheiro escocês, iniciou suas experiências em 1763, Watt estudou-a detalhadamente e a concluiu que ocorre transformação da energia térmica em energia mecânica através da expansão do vapor de água. 
Máquina a vapor
Obedece :
Princípio da conservação da energia.
“Na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma”. Lavoisier
Processos Químicos
Processos Químicos: é um conjunto de operações ordenadas em que se procede a transformação de substâncias em produtos finais diferentes.
Mão-de-obra
Resíduos
Utilidades
Menor valor agregado
Maior valor agregado
Processos Industriais
Matéria-prima: substância utilizada para a obtenção de produtos intermediários ou finais. Esta matéria-prima pode ter as mais diversas origens (mineral, animal ou vegetal).
Produtos: é o resultado da produção, ou seja, aquilo que é produzido para um determinado fim. 
 Então insumo é um tipo de matéria-prima?
Insumos: São todos os recursos utilizados para a produção de um bem, de um produto. 
- Mão de obra (operadores de produção), 
- Capital financeiro (dinheiro), 
Equipamentos (máquinas de produção),
Estrutura (prédio, energia elétrica, água, sistema de informação).
Utilidades: é o termo técnico utilizado para toda a produção de energia que é gerada em uma indústria. 
Vapor de água a alta pressão que movimenta motores e geradores), 
Elétrica,
Condicionamento de ar e refrigeração.
Insumos e utilidades
Operações Unitárias
Operações Unitárias: são sequencias de operações físicas necessárias à viabilização econômica de um processo químico.
Parada e partida: Início e interrupção da operação de uma unidade, processo ou
equipamento.
Limite de bateria: com respeito a entrada e saída de matérias-primas e produtos.
Operações Unitárias
Limite de Bateria 
Classificação dos processos químicos
Os processos químicos podem ser classificados quanto ao tipo de fluxo e à variação de suas propriedades com o tempo:
Classificação dos processos químicos
Processos em regime permanente (estacionário): 
Processos em regime transiente: 
Os valores de todas as variáveis
(T, P, V, vazões, etc) não variam com o tempo;
Os valores de uma ou mais das variáveis
(T, P, V, vazões, etc) variam com o tempo.
Exercício:
Classifique os processos a seguir como batelada, contínuo ou semicontínuo, e como em regime permanente ou transiente:
a) Um balão é enchido com ar a uma vazão constante de 2g/min;
b) Um frasco de leite é retirado da geladeira e colocado sobre a mesa da cozinha;
c) Água fervida em um recipiente aberto;
d) CO e vapor são alimentados a um reator tubular a vazão e composição constantes e reagem para formar CO2 e H2O efluente do reator contém os produtos e os reagentes não convertidos. Antes de sua entrada em operação o reator contém ar. O reator opera a uma temperatura constante. Classifique o processo durante a partida do reator e após um longo período de operação.
Fenômenos de Transporte 
OPERAÇÕES UNITÁRIAS MECÂNICAS: São as operações de transporte e separação de fluídos.
OPERAÇÕES UNITÁRIAS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR: São as operações de trocas térmicas entre fluídos.
OPERAÇÕES UNITÁRIAS DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA: São as operações de fluídos miscíveis.
Operações Unitárias Mecânicas
CONCEITOS DE MECÂNICAS DOS FLUÍDOS
Características dos fluídos mais importante para dimensionamento de equipamentos e processos: Viscosidade e pressão.
Transporte e armazenamento de Fluídos
Bombas;
Válvulas;
Tubulações;
Medidores de vazão;
Vasos Pressurizados;
Mistura e agitação.
Operações Unitárias em fluidos
SEPARAÇÕES MECÂNICAS EM FLUÍDOS
Centrifugação. 
Filtração.
OPERAÇÕES MECÂNICAS ENVOLVENDO SISTEMAS DE SÓLIDOS GRANULARES
Fragmentação 
Transporte 
Peneiramento 
Mistura 
Armazenamento
Principais Operações Unitárias
PROCESSAMENTO FÍSICO / FÍSICO-QUÍMICO
Transporte e armazenamento de fluidos e sólidos;
Geração e transporte de calor;
Processos de separação: filtração, cristalização, sublimação;
Sistemas líquido-sólido: filtros e centrífugas, misturadores, agitadores; 
Sistemas sólido-sólido: peneiramento;
Separações: destilação, absorção, adsorção.
Operações UNITÁRIAS
Transferência de Calor
• Caldeira;
• Torre de resfriamento;
• Trocador de calor;
• Condensador;
• Forno.
Reação química
Batelada;
Semi-batelada;
Mistura (CSTR);
Leito fixo;
Leito fluidizado;
Tubular.
Separação Físico-química
Clarificador;
Centrífuga;
Peneira;
Purgador;
Filtro.
Análise e Medição
Pressão;
Temperatura;
Vazão;
Composição.
Dimensões e unidades
Dimensão: conceito básico de medida, como comprimento (L), tempo (t), massa (M) e temperatura (T). 
Unidades: valores específicos, definidos por convenção (arbitrariamente), que permitem quantificar as dimensões. 
Exemplos são: 
metro, polegada e pé para comprimento; quilograma (kg), grama (g), libra (lb) e slug para massa; kelvin (K) e grau Celsius (°C) para temperatura; e segundo (s) e hora (h) para o tempo.
Vazão mássica (M/t) e algumas unidades que podem ser utilizadas para expressá-la são: kg/s; kg/min; lb/s; slug/min; etc.
Consistência dimensional
“Toda equação que representa um sistema físico só é válida se for dimensionalmente consistente (homogênea), isto é, se todos os seus termos que são somados, subtraídos ou igualados, tiverem as mesmas dimensões e estiverem representados na mesma unidade.”
Expoentes e argumentos de funções: 
Os argumentos e expoentes de funções exponenciais, logarítmicas ou trigonométricas devem sempre ser adimensionais, ou seja, devem possuir representação dimensional unitária e não ter unidades.
CONSISTÊNCIA DIMENSIONAL
Exemplos:
Considere a equação D (ft) = 3 t (s) + 4 . 
Se a equação é válida, quais são as unidades das constantes 3 e 4?
Obtenha uma equação equivalente na qual a distância percorrida seja calculada em metros e o tempo seja introduzido em minutos.
Resolver lista de exercícios de Análise dimensional.
Equação Geral de Balanço
balanços em
processos químicos
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As equações de balanço traduzem restrições impostas pela natureza  Princípio da Conservação
“Massa (Energia) não pode ser criada ou destruída”
Qualquer projeto ou análise de processo só estará completo
quando todas as entradas e saídas de cada unidade obedecerem
às equações de balanço do processo.
balanços em
processos químicos
m2
m3
m4
m1
m5
SISTEMA
As equações de balanço quantificam os fluxos de matéria e energia através das fronteiras do processo + as variações internas no processo:
O número máximo de equações independentes que podem ser escritas
para o balanço de um sistema sem reação é igual ao número de espécies químicas presentes.
Deve-se escrever as equações de balanço (global e por componente) ao redor das fronteiras da envoltória (volume de controle) selecionado.
balanços em
processos químicos
Simplificações da equação geral de balanço
Processo no estado-estacionário, ou seja, não existe acúmulo.
Processos sem reação: Consumo = Geração = 0
Aplicável apenas para:
Massa total ou número total de moles sem reação;
Massa ou número de moles de substância inerte;
Massa ou número de moles de espécie atômica.
Análise de Graus de Liberdade
O balanço de um processo só poderá ser resolvido se o número de variáveis desconhecidas (NVD) do sistema for igual ao número de equações independentes (NEI), ou seja, se o número de graus de liberdade (NGL) for igual a “zero”.
balanços em
processos químicos
Se a resposta for negativa, cuidado:
O fluxograma está completo?
Faltou considerar alguma relação?
Todas as equações são linearmente independentes, ou seja, não são combinações de outras equações?
Escolheu-se uma base de cálculo?
	NGL = NVD – NEI
A análise de graus de liberdade pode levar a três situações:
 Se NGL=0:
O sistema está especificado  solução única;
Se NGL> 0:
O sistema está sub-especificado  soluções múltiplas.
Deve-se especificar variáveis ou verificar a existência de outras equações de modo a fazer NGL = 0;
Se NGL< 0:
O sistema está super-especificado  soluções múltiplas. Verificar ausência de variáveis ou equações redundantes ou inconsistentes, de modo a fazer NGL = 0.
balanços em
processos químicos
Balanço de Massa
1000 kg/h de uma mistura de benzeno e tolueno, que contém 50% de benzeno em massa, são separados por destilação em 2 frações. A vazão mássica na corrente de topo contém 450 kg/h de benzeno e na corrente de fundo há 475 kg/h de tolueno. Calcule as vazões dos componentes, as vazões totais de cada corrente e as frações mássicas e molares dos componentes nas correntes.
Exemplo
Considere que a fração mássica de sal na água do mar seja igual a 0,035. Determine a quantidade de água do mar necessária para produzir 1.000 lb/h de água dessalinizada. Em função de problemas relacionados à corrosão dos equipamentos envolvidos no processo, a fração mássica na salmora descartada está limitada a 0,07.
exercícios
Análise o fluxograma a seguir, no qual apenas o valor de D é conhecido. Qual o número mínimo de outras medidas que precisa ser feito para se determinar todos os demais valores de vazões e composições? Que variáveis deveriam ser medidas?
exercícios
.4)	Uma corrente de ar úmido é alimentada a um condensador, no qual 95% do vapor d’água presente no ar são condensados. A vazão deste condensado é de 225 L/h. Faça a análise de graus de liberdade do sistema e, caso seja possível, calcule a vazão de gás que deixa o condensador e as frações molares de O2,N2 e H2O nesta corrente.
3.5)	Mil kg/h de uma mistura equimássica de benzeno e tolueno são separados em uma coluna de destilação. A vazão de benzeno no destilado é de 450 kg/h e a vazão de tolueno no produto de fundo é de 475 kg/h. Considerando que o sistema está no estado-estacionário, escreva os balanços materiais necessários para calcular todas as vazões desconhecidas.
3.6)	Três correntes são alimentadas a uma câmara de evaporação em um experimento para determinação da taxa de crescimento de certos organismos em ambiente de ar úmido e rico em O2: a) água líquida, com uma vazão de
20 cm3/min; b) ar; c) O2 puro, com uma vazão molar equivalente a 20% da corrente b. A corrente de saída contém 1,5 % de água. Esquematize o fluxograma do processo e calcule todas as variáveis desconhecidas