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Princípios dos Processos Químicos

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FTQ003 -
Prinćıpios dos
Processos
Qúımicos
Nazareno de
Pina Braga
FTQ003 - Prinćıpios dos Processos Qúımicos
Nazareno de Pina Braga
Universidade Federal do Amazonas
Faculdade de Tecnologia
Curso de Engenharia Qúımica
2021
FTQ003 -
Prinćıpios dos
Processos
Qúımicos
Nazareno de
Pina Braga
OBJETIVOS
A disciplina de PPQ – FTQ003 tem como objetivo principal
fazer com que o aluno adquira as habilidades necessárias para
realização dos cálculos fundamentais em Engenharia Qúımica.
A disciplina tem como ementa: Sendo assim, por abranger os
prinćıpios e cálculos fundamentais da Engenharia Qúımica, é
nesta disciplina que o estudante aprende a caracterizar e quan-
tificar correntes de processos, fornecendo uma base para as
demais disciplinas do curso.
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Prinćıpios dos
Processos
Qúımicos
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EMENTA
Introdução aos Cálculos da Engenharia Qúımica. Balanços de
Massa;
Primeira Lei da Termodinâmica e Balanços de Energia;
Propriedades Volumétricas de Fluidos Puros;
Efeitos Térmicos;
Balanços de Massa e de Energia Simultâneos em Regime Per-
manente e Não Estacionário;
Segunda Lei da Termodinâmica;
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CONTEÚDOS
Sistemas e Conversão de Unidades
Variáveis de Processos
Balanço Material em Unidades Simples
Balanço Material em Unidades Múltiplas
Balanço Material com Reciclo
Balanço Material com Desvio e Purga
Balanço de Material com Reação Qúımica
Balanço de Energia: conceitos fundamentais e primeira lei da
termodinâmica para sistemas fechados
Balanço de Energia: sistemas abertos
Balanço de Energia: dispositivos e equipamentos industriais.
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CONTEÚDOS
Balanços de energia com mudança de temperatura e mudança
de fase
Balanço de Energia com reação qúımica.
Balanços de massa e energia em regime transiente.
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SISTEMAS E CONVERSÃO DE UNIDADES
Introdução
Os engenheiros qúımicos, assim como os demais engenheiros,
costumam se reportar através de valores, unidades e dimensões.
Uma unidade corresponde a uma quantidade mensurável de
uma determinada dimensão. Por exemplo, quando um engen-
heiro fala: - Aquele reator tem por capacidade 20 L ou que
aquela tubulação tem 10 cm de comprimento, litros (L) corre-
sponde a unidade da dimensão volume, assim como cent́ımetros
(cm) corresponde a unidade da dimensão comprimento. Os en-
genheiros necessitam se reportar por meio de valores e unidades.
Um valor sem unidade não tem significado. A não ser que este-
jamos tratando de grupos adimensionais que veremos ao final
desta aula.
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SISTEMAS E CONVERSÃO DE UNIDADES
Introdução - cont.
Uma má verificação das equações ou a consistência das
unidades destas equações podem levar a erros drásticos no pro-
jeto causando prejúızo enormes como no exemplo a seguir:
https://www.bbc.com/portuguese/noticias/2014/05/140530 erros ciencia engenharia rb
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SISTEMAS E CONVERSÃO DE UNIDADES
Introdução - cont.
Selecionando um exemplo, temos:
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SISTEMAS E CONVERSÃO DE UNIDADES
Introdução - cont.
A partir deste exemplo percebe-se a dimensão da importância
deste assunto. Sendo assim, inicialmente nós vamos responder
duas perguntas:
1 O que são unidades e dimensões?
2 Como elas diferem?
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UNIDADES E DIMENSÕES
Dimensão
Então vejamos:
Uma dimensão é uma propriedade que pode ser medida.
Comprimento, tempo, massa e temperatura
Comprimento/Tempo (velocidade)
Comprimento3 (Volume)
Massa/Volume (Massa espećıfica)
Uma unidade são os meios de se expressar as dimensões.
pés ou cent́ımetros para dimensão comprimento
horas ou segundos para a dimensão tempo
Atenção: As unidades diferem quando trabalhamos com
diferentes tipos de sistemas de unidades.
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UNIDADES E DIMENSÕES
Unidades associadas aos diferentes tipos de Sistemas de
Unidades
Sistema Massa (m) Comprimento (l) Tempo (t) Temperatura (T)
SI quilograma (kg) metro (m)
segundo (s)
Kelvin (K)
SAE libra-massa (lbm) pé (ft) grau Fahrenheit (oF)
CGS grama (g) cent́ımetro (cm) Kelvin (K)
Britânico slug pé (ft) graus Celsius (oC)
1 Qual é a dimensão que tem unidade que é comum para todos os sistema
de unidades?
2 Qual é a dimensão que tem unidades que são diferentes para todos os
sistema de unidades?
Atenção: Devido estas diferenças que existem nos sistemas de
unidades devemos conhecer as relações existentes entre elas.
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UNIDADES E DIMENSÕES
Sistemas de Unidades
Vejamos:
Unidades básicas: unidades para as dimensões massa,
comprimento, tempo e temperatura.
Exemplos:
kg, cm, dia e oC.
Unidades derivadas: unidades obtidas pela
multiplicação/divisão de unidades básicas ou ainda a partir
de definições.
Exemplo: ft/min; 1 N ≡ 1 kg.m/s2;
1 lbf ≡ 32,174 lbm.ft/s2
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UNIDADES E DIMENSÕES
Unidades derivadas nos sistemas SI e SAE.
Grandeza F́ısica Unidades derivadas no SI Unidades derivadas no SAE
Força Newton (N) - (kg)(m)(s−2) ≡ (J)(m−2) Libra (força), lbf
Energia Joule (J) - (kg)(m2)(s−2) Btu, (ft)(lbf )
Potência Watt (W) - (kg)(m2)(s−3) ≡ (J)(s−1) hp
Massa espećıfica (kg)(m−3) (lbm)(ft3)
Velocidade (m)(s−1) (ft)(s−1)
Aceleração (m)(s−2) (ft)(s−2)
Pressão (N)(m−2), Pascal (Pa) (lbf )(in
−2)
Calor espećıfico (J)(kg−1)(K−1) (Btu)(lbm−1)(oF−1)
Atenção: Mas qual é a relação que existe entre estes sistemas de
unidades?
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UNIDADES E DIMENSÕES
Conversão de Unidades
Fator de conversão =
(
Nova unidade
Velha unidade
)
Fator de conversão é a relação entre a nova unidade e a velha
unidade que se deseja converter. Resolvendo exerćıcios:
Converter:
36 in → ft. Qual o resultado?
36 ��in ×
(
1 ft
12 ��in
)
= 3 ft
48 km/h → m/s. Qual o resultado?
48
��km
�h
×
(
103 m
1 ��km
)
×
(
1 �h
60 ��min
)
×
(
1 ��min
60 s
)
= 13, 3
m
s
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UNIDADES E DIMENSÕES
Exemplos de fatores de conversão
Relação Fator de conversão
1 ft = 12 in 1 ft/12 in
1 in = 2,54 cm 1 in/2,54 cm
1 m = 100 cm 1 m/100 cm
Obs.: Quando trabalhamos no SI ou CGS é relativamente fácil,
entretanto no SAE (Sistema americano) tem-se uma
peculiaridade que veremos a seguir.
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UNIDADES E DIMENSÕES
Dificuldades associadas ao SAE
Os motivos dessa dificuldade são as ocorrências de um fator de
conversão (como já visto), o segundo é o surgimento da
unidade de força.
De acordo com a 2a Lei de Newton, a força é proporcional ao
produto da massa pela aceleração.
Atenção: Força e massa são conceitos diferentes e suas
unidades não se cancelam.
Vejamos:
F = m.a
SI : 1 N ≡ 1 kg .m/s2
CGS : 1 dina ≡ 1 g .cm/s2
SAE :?
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UNIDADES E DIMENSÕES
Dificuldades associadas
ao SAE
No sistema americano
1 lbf ≡ 32, 174 lbm.ft/s2
Fator de conversão = gc
F = m.a/gc
No SI: gc = (kg .m/s
2)/(N)
No CGS: gc = (g .cm/s
2)/(dina)
No SAE:
gc = 32, 174 (lbm.ft/s
2)/lbf
Para fixarmos será resolvido mais um problema a seguir.
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UNIDADES E DIMENSÕES
Neste exerćıcio nós iremos trabalhar um conceito de força tanto
no SI quanto no SAE.
Força em N requerida para acelerar 4 kg a 9 m/s2.F = m.a→ F = 4 ��kg × 9 ��
m
s2
× 1 N
1
�
�kg
m/s2
= 36 N
Força em lbf requerida para acelerar 4 lbm a 9 ft/s
2.
F = 4 ��lbm × 9 ��
ft
s2
× 1 lbf
32,174 ��
�lbm×ft
s2
= 1, 12 lbf
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HOMOGENEIDADE DIMENSIONAL
Cada equação válida deve ser dimensionalmente homogênea,
ou consistente, isto é, ambos os lados da igualdade devem
possuir as mesmas dimensões.
Até então trabalhamos com os diferentes tipos de sistemas de
unidades e aprendemos a converter unidades.
Agora vamos aplicar estes conhecimentos nos equacionamentos
que nós vamos nos deparar a partir de agora.
Para que uma equação seja dimensionalmente homogênea ou
consistente, ambos os lados devem ter as mesmas dimensões
e consequentemente as mesmas unidades. Caso não esteja,
deve-se utilizar um fator de conversão para que esta equação
torne-se dimensionalmente homogênea.
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HOMOGENEIDADE DIMENSIONAL
Por exemplo: a equação da velocidade
1
v
(m
s
)
= v0
(m
s
)
+ g
(m
s2
)
t (s)X
2
v
(m
s
)
= v0
(m
s
)
+ g
(m
s2
)
t (��min)
60 s
1 ��min
= v0 + 60gtX
No item 2 foi necessário utilizar um fator de conversão para que
a equação torna-se homogeneamente dimensional ou consiste.
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QUANTIDADE ADIMENSIONAL
Uma quantidade adimensional pode ser um número puro ou
uma combinação de variáveis que resulte em nenhuma unidade.
Porém, esta quantidade adimensional possui um significado
f́ısico.
Por exemplo:
Número de Reynolds:
Re =
D(cm)v
(
cm
s
)
ρ
( g
cm3
)
µ
( g
cm.s
) = For ças inerciais
For ças viscosas
O número de Reynolds é uma quantidade adimensional ou
número adimensional que representa o escoamento de um
determinado fluido em uma tubulação, por exemplo.
Por meio do valor obtido podemos afirmar o tipo de
escoamento deste fluido na tubulação (laminar, transiente ou
turbulento).
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QUANTIDADE ADIMENSIONAL
Número de Prandtl:
Pr =
µ
(
kg
m.s
)
/ρ
(
kg
m3
)
k
(
W
m.K
)
/
(
ρ
(
kg
m3
)
cp
(
J
kgK
)) = taxa de difusão viscosa
taxa de difusão térmica
Número de Schmidt:
Sc =
µ (kg/m.s)
ρ (kg/m3)DAB
(
m2
s
) = taxa de difusão viscosa
taxa de difusão molecular
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Resumo
Nesta aula nós vimos:
os diferentes tipos de sistemas de unidades;
aprendemos a converter unidades;
nós vimos também a importância da homogeneidade
dimensional;
os principais grupos adimensionais.
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BONS ESTUDOS!!!!

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