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Introdução à Engenharia QuímicaIntrodução à Engenharia Química

Professor:Professor: Francisco Moura/Roberto Carvalho/Cecília VilaniFrancisco Moura/Roberto Carvalho/Cecília VilaniBibliografia:Bibliografia: Himmelblau, David M. e Riggs, James B.; Engenharia Himmelblau, David M. e Riggs, James B.; Engenharia Química - Princípios e Cálculos, 7Química - Princípios e Cálculos, 7aa edição, Editora LTC, 2006. edição, Editora LTC, 2006.

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iaRelembrandoRelembrando

A Engenharia de Química lida também com CÁLCULOS envolvendo

processos ou operações de uma indústria química

OBJETIVO: a transformação de matérias-primas em produtos.

Estes CÁLCULOS permitem relacionar parâmetros que descrevem a

quantidade e a qualidade de uma matéria-prima (entrada no processo)

com a quantidade e a qualidade do produto formado (saída do processo).

CÁLCULOS envolvem dados relativos às correntes de processo (elos de

ligação entre equipamentos e pontos de entrada e saída de substâncias

no processo) e aos equipamentos (tamanho, forma, tipo e condições de

operação). Assim, antes de mais nada, precisamos de saber como

representar de forma correta e coerente estes dados. Aparecem então os

conceitos de dimensão e unidades.

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iaRelembrando - Unidades e dimensõesRelembrando - Unidades e dimensões

▌Dimensões: São os nossos conceitos básicos de medida, tais como: comprimento, tempo, massa, temperatura, etc..

▌Unidades: São os meios de expressar as dimensões, tais como: metro (m) ou pé (ft) para comprimento, horas (h) ou segundos (s) para tempo, etc.

▌Sistema de unidades

tera (T) 1012 centi (c) 10-2

giga (G) 109 mili (m) 10-3

mega (M) 106 micro () 10-6

quilo (k) 103 nano (n) 10-9

Unidades múltiplas

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Dimensão Unidade Símbolo

comprimento metro (SI)centímetro (CGS)pé (Sist. Inglês)

mcmft

massa quilograma (SI)grama (CGS)libra (Sist. Inglês)

kgglb

moles grama-mol (SI)libra-mol (Sist. Inglês)

mol ou g-mollb-mol

tempo segundo (SI) s

temperatura Kelvin (SI)Celsius Rankine (Sist. Inglês)Fahrenheit

K

oCoR

oF

corrente elétrica Ampère A

intensidade de luz Candela cd

Unidades básicas

Unidades e dimensões - cont.Unidades e dimensões - cont.

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Dimensão Unidade Símbolo Equivalente em termos de unidades básicas

Volume litro L ou l 0,001 m3

1000 cm3

Força Newton (SI)dina (CGS)

N 1kg.m.s-2

1g.cm. s-2

Pressão Pascal (SI) Pa N.m-2 = 1kg.m.s-2.m-2 = 1kg.m-1.s-2

Energia e trabalho

Joule (SI)erg (CGS)caloria

Jergcal

1N.m = 1kg.m.s-2.m = 1kg.m2.s-2

1g.cm2.s-2

4,184 J = 4,184 kg.m2.s-2

Potência Watt W 1 J.s-1 = 1kg.m2.s-3

2s

cm1

2ano

km

Unidades derivadas

Unidades e dimensões - cont.Unidades e dimensões - cont.

Conversão de unidades: Converter em

29

2

2

2

2

2

2

2 ano

km1095,9

m1000

km1

cm100

m1

)ano1(

)dias365(

)dia1(

)h24(

)h1(

)s3600(

s

cm1

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mollb05,0lb40

mollb1lb2

mol7,22mollb1

mol454

lb40

mollb1lb2

Mol é a quantidade de uma substância que contém tantas espécies elementares quanto existem de átomos em 12 gramas do 12C.

Em termos de mol (ou g-mol):

Unidade molar

Ex.: Um recipiente contém 2 lb de NaOH (PM=23+16+1=40).

Em termos de lb-mol:

No SI e CGS: 1 mol (ou 1g-mol) = 6,02.1023 moléculas ou átomos.

No Sist. Inglês: 1 lb-mol = 454.6,02.1023 moléculas ou átomos.

Convenções em métodos de análises e medidasConvenções em métodos de análises e medidas

Se uma amostra contém N espécies, então o mol será =AN

Nn

.

Se a massa de uma amostra é m, então o seu mol será =M

mn

.

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iaConvenções em métodos de análises e medidasConvenções em métodos de análises e medidas

Densidade: É a razão da massa por unidade de volume (kg/m3, g/cm3 ou lb/ft3)

Obs.: Para sólidos e líquidos puros, a densidade é essencialmente independente da pressão e varia ligeiramente com a temperatura.

Água(l) 0oC 3,98oC 100oC

(g/cm3) 0,999868 1,00000 0,9838

Obs.: Muitas vezes se encontra o termo "densidade verdadeira ou absoluta", quando a medida é feita no vácuo, portanto eliminando o efeito do empuxo do ar, e "densidade aparente" quando é feita no ar. A diferença é desprezível.

Obs.: Cuidado com o termo "densidade aparente“! Se uma certa massa de areia é colocada em uma proveta, a relação entre esta massa e o volume lido também é chamada de densidade aparente. Não é a densidade real da substância areia, pois se conta no volume o ar contido nos espaços vazios entre os grãos de areia.

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Gravidade específica ou densidade relativa: É a relação entre a massa da substância e a massa de igual volume de uma substância de referência a uma temperatura padrão.

Convenções em métodos de análises e medidasConvenções em métodos de análises e medidas

6,0d204

3

3

3

ftlbm

m

kg

cm

g

43,62

1000

000,1

Para sólidos e líquidos: a densidade de referência a

da água a temperatura de 4oC

Para gases: costuma-se tomar como referência o ar a 0o C e a 1 atm de pressão.

Ex.:

ref

T4d

È a densidade relativa da substância a 20oC com relação a água a 4oC.

Volume específico: É o inverso da densidade (m3/kg, cm3/g ou ft3/lb).

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Obs: Quando trabalhamos com misturas o conceito de concentração torna-se importante.

Concentração molar ou molaridade é o número moles do soluto “A” por litro de solução.

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31 dmmol

dm

molLmol

L

mol

)L(V

nM A

Molalidade é o número de moles do soluto “A” por kg de solvente.

kg

mol

m

nm

kg,solv

AA

Convenções em métodos de análises e medidasConvenções em métodos de análises e medidas

Fração molar: É a razão estabelecida entre o número de moles da espécie j (nj) e o número de moles da solução (n).

n

nY j

j

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iaConvenções em métodos de análises e medidasConvenções em métodos de análises e medidas

Ex: a composição química do ar é 21% de oxigênio e 79% de nitrogênio (incluindo Ar, CO2, Kr, Ne, etc.) em base molar ou volumétrica. Determinar a fração em massa.

Componente moles Peso molecular (g/mol)

g % em peso

Oxigênio (O2) 21 32 672 23,3

Nitrogênio (N2) 79 28 2212 76,7

Total 100 - 2884 100

Base de cálculo é uma referência escolhida que facilita os cálculos de um determinado problema.

Assim, a base de cálculo escolhida é igual a 100 moles de ar.

Fração mássica: É a razão estabelecida entre a massa da espécie j (mj) e a massa da solução (m).

m

mX j

j

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iaConvenções em métodos de análises e medidasConvenções em métodos de análises e medidas

Partes por milhão (ppm) e partes por bilhão (ppb) é uma forma de expressar concentrações de soluções extremamente diluídas (traços de espécies).

ppm ou ppb se refere a razão em massa (usual para sólidos e líquidos) ou molar (usual para gases) e significa tantas partes (gramas ou mols) da espécie j por milhão ou bilhão de partes (gramas ou mols) da mistura.

Assim, 6jj 10Yppm

9jj 10Yppb

Onde Yj é a fração molar.

Ex: 15 ppm de SO2: são 15 mols (usual para gás) de SO2 por milhão de mols de ar.

Em termos de fração molar: 6SO 1015Y

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iaConvenções em métodos de análises e medidasConvenções em métodos de análises e medidas

TemperaturaA temperatura de uma substância em um estado particular de agregação (sólido, líquido e gasoso) é uma medida da energia cinética média das espécies que a compõe. A temperatura é medida indiretamente através da propriedade física de uma substância que de alguma forma conhecida depende da temperatura.

Medindo a temperatura

Termômetro de mercúrio: Variação da densidade do mercúrio com a temperatura.

Termopar: A voltagem produzida pela junção de dois condutores diferentes varia com a temperatura.

Pirômetro: Espectro da radiação emitida pelo corpo quente.

32CT8,1FT

KT8,1RT

67,459FTRT

15,273CTKT

oo

o

oo

o

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iaConvenções em métodos de análises e medidasConvenções em métodos de análises e medidas

PressãoA força exercida por um gás sobre uma superfície é devido a seqüência incessante de colisões das partículas que o constituem sobre esta superfície.

Muitas colisões Fconstante pconstante

Medindo a pressão

Barômetro: Instrumento utilizado para medir a pressão atmosférica. É um tubo cheio de mercúrio (Hg), selado numa extremidade, mergulhado com a outra extremidade aberta numa cuba cheia de Hg. (Torricelli, discípulo de Galileu).

2m

N1Pa1

A

Fp

(equilíbrio mecânico)atmcolunadabase pp

bar01325,1)C4(OftH91,33)C0(inHg921,29

)psi(7,14)C0)(torr(mmHg760Pa101325atm1o

2o

in

lbo2f

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Manômetros: Instrumento utilizado para medir a pressão de uma amostra de gás no interior de um recipiente (vaso).

hgpabs atmabs phgp

Manômetro de tubo aberto

Manômetro de tubo fechado

Manômetro de tubo em U Manômetro de Bourdon

Convenções em métodos de análises e medidasConvenções em métodos de análises e medidas

Ex: O manômetro marca 87psi e a pressão barométrica local é de 28 inHg. Qual é a

pressão absoluta.

psia,,p

psia,inHg,

psi,inHgp

abs

atm

78100781387

78139229

71428

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iaConvenções em métodos de análises e medidasConvenções em métodos de análises e medidas

Vazão mássica (massa/tempo) e volumétrica (volume/tempo)Os medidores de vazão se classificam de acordo com o método de

medição:- Diferença da pressão: Placa de orifício, Tubo de Venturi, etc.- Medidores de área variável: Rotâmetros - Deslocamento positivo: palhetas rotativas, engrenagem, disco, etc.- Velocidade: vórtice, eletromagnéticos, ultra-sônicos, etc.- Medidores de massa: Coriolis, térmicos

Obs.: A densidade pode ser usada para converter vazão mássica em volumétrica e vice-versa.

Placa de orifício Rotâmetro

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iaConvenções em métodos de análises e medidasConvenções em métodos de análises e medidas

Equação química e estequiometria

C7H16 + 11O2 = 7CO2 + 8H2O

Heptano Reage com

Oxigênio Para formar

dióxido de carbono

e água

1 molécula de C7H16

11 moléculas de O2 7 moléculas de CO2 8 moléculas de água

1 mol de C7H16 11 moles de O2 7 moles de CO2 8 moles de água

1 Nm3 de C7H16 11 *Nm3 de O2 7 Nm3 de CO2 8 Nm3 de água

6.1023 moléculas de C7H16

11. 6.1023 moléculas de O2

7. 6.1023 moléculas de

CO2 8. 6.1023 moléculas de água

(7.12+16.1) = 100 gramas de C7H16

11.(2.16) = 352 gramas de O2

7.(12+2.16) = 308 gramas de CO2

8.(2.1+16) = 144 gramas de água

452 gramas 452 gramas

452 kg 452 kg

452 libras 452 libras

452 toneladas 452 toneladas

*medidos na CNTP

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ia

J. H. Perry, Chemical Engineer´Handbook, McGraw-Hill

N. A. Lange, Handbook of Chemistry, McGraw-Hill

R. C. Reid e J. K. Sherwood, The Properties of Gases and Liquids

HSC Chemistry® programa de Cálculos Termodinâmicos da Outotec Research.

NIST - National Institute of Standards and Technology (http://www.nist.gov)

Propriedades Físico-químicas de CompostosPropriedades Físico-químicas de Compostos