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PQI 3103
Conservação de Massa e Energia
Prof. Antonio Carlos S. C. Teixeira
Centro de Engenharia de Sistemas Químicos
Departamento de Engenharia Química – Escola Politécnica da USP
Edifício Semi-Industrial, bloco A, 3o andar
http://sites.usp.br/adox
http://www.lscp.pqi.ep.usp.br/disciplinas/pqi3103_PQI
Aula 1 (parte 2) – Variáveis de Processo.
Medição. Sistemas de Unidades
Pesquisa em Processos Oxidativos Avançados
Research in Advanced Oxidation Processes
PROPRIEDADE: uma característica
observável, mensurável ou calculável do
sistema, como pressão, temperatura,
volume etc.
PROPRIEDADE EXTENSIVA: valor é a soma dos subsistemas (partes),
aditivo e proporcional ao tamanho do sistema (exemplos: massa,
volume, energia)
PROPRIEDADE INTENSIVA: valor independe da quantidade de matéria
ou tamanho do sistema, não muda se o sistema for subdividido
(exemplos: temperatura, pressão, densidade, concentração)
terminologia e conceitos fundamentais
Sistema Internacional de Unidades (SI)
Fonte: Himmelblau, D.M. Riggs, J.B. Engenharia Química - Princípios e Cálculos. Trad. da 7ª. Ed. Editora LTC, 2006.
Sistema Americano de Engenharia (AE)
Fonte: Himmelblau, D.M. Riggs, J.B. Engenharia Química - Princípios e Cálculos. Trad. da 7ª. Ed. Editora LTC, 2006.
acostume-se a trabalhar com
diferentes sistemas de unidades
(SI, métrico, AE)!
Mars Climate Orbiter (NASA, 1999), US$ 125
milhões (lbf × N)
Avião cargueiro Corean Air Lines (Xangai, 1999)
1500 m (4950 ft) × 1500 ft (455 m)
Boing 767 Air Canada (Montreal-Edmonton,1983)
22300 lb (errado)× 22300 kg (correto)
exemplo: consistência dimensional
A equação a seguir é proposta para calcular a queda
de pressão (DP) de um fluido ao longo do
comprimento (L) de uma tubulação, devido ao
escoamento através do tubo, em que v é a velocidade
média do fluido, D é o diâmetro da tubulação e f é um
coeficiente adimensional chamado fator de atrito.
fD
LvP
D 2
21
A equação é dimensionalmente consistente?
fD
LvP
D 2
21
fD
L
g
vP
c
D
2
21
exercício – vazamento em tanque de óleo
Vazamentos em tanques de óleo têm se tornado um problema
ambiental, de modo que a legislação procura implementar
procedimentos para reduzir o problema. A vazão volumétrica de um
vazamento a partir de um pequeno orifício em um tanque pode ser
prevista pela equação:
PSv
D
261,0
Nessa equação, v é a vazão volumétrica (ft3/s); S é a área da seção
transversal do orifício causando o vazamento (ft2); DP é a diferença
entre a pressão no interior do tanque, no lado oposto do vazamento,
e a pressão atmosférica externa (lbf/ft2); é a massa específica do
óleo (lb/ft3). Analise a consistência dimensional da equação.
.
exercícios – conversão de unidades
A unidade da condutividade térmica no Sistema Americano de Engenharia é
Btu/(h.ft2.oF/ft). Transformar para kJ/(dia.m2.oC/cm). (Resposta: fator = 14953)
O calor específico do SO2 é dado em um livro de termodinâmica pela
equação simplificada Cp=6,945+10,01×10-3T, sendo Cp dado em cal/(mol.K) e
T dada em K. Modifique a equação de modo que Cp seja dado em Btu/(lboF) e
T seja usada na equação em oF.
A relação entre a vazão molar total de um gás (F) e sua vazão volumétrica (v)
é dada, com boa aproximação, pela seguinte forma da equação do gás ideal,
em que P corresponde à pressão absoluta do gás e T é sua temperatura
absoluta:
Converta a expressão dada para a vazão do gás em uma expressão para
F(kmol/min) em termos de P(mm Hg), T(oC) e v(m3/min)
1. massa (m)
2. volume (V )
3. massa específica ( ), volume
específico (V ) e densidade relativa
(DR)
^
massa específica da H2O × temperatura
= 0,99997 g/cm3 ( 1 g/cm3) @ 3,98 oC ( 4 oC)
= 62,4 lb/ft3
exemplo: dimensionar um tanque
cilíndrico para armazenar 50 t de
tetracloreto de carbono (CCl4)
Chemical Engineers’ Handbook
• 1934 – J. H. Perry – PhD MIT –
Engenheiro da Du Pont
• 2272 páginas
•Trabalhou no texto durante 7 anos
• Sucesso editorial
• 2018 – 9a ed.
• ~US$ 189
Fonte: Felder, R.M., Rousseau, R.W. Princípios Elementares dos Processos Químicos. Trad. da 3ª. Ed. Editora LTC, 2005.
exercício
Resposta: (a) 0,903 e 19,1 L (b) 18,5 L e 3,2%
Em sistemas de armazenagem totalmente encapsulados, o contêiner
primário é instalado em uma caixa de concreto reforçada e
completamente selada. Essas caixas são construídas moldando-se o
concreto do piso e as paredes como elementos estruturais contínuos.
Revestimentos quimicamente resistentes nas superfícies interiores e
revestimentos que atuam como barreiras à passagem de água na
superfície exterior são também necessários. A detecção de
vazamentos normalmente é feita instalando-se poços de
monitoramento ou sensores no material de enchimento da caixa.
Se um tanque cilíndrico de 10000 galões será enterrado em um desses
sistemas de contenção, a legislação ambiental exige que o volume do
sistema de contenção seja capaz de acomodar 10% do volume do
tanque, em caso de vazamento. Se a fração de vazios do material de
preenchimento (após a compactação) é de 20%, qual deve ser o
volume em ft3 de solo escavado antes de a caixa de concreto ser
moldada? Se o material de preenchimento for areia, quantas toneladas
métricas serão necessárias?
exemplo: tanque de armazenagem encapsulado
exemplo: tanque de armazenagem encapsulado
Fonte: Himmelblau, D.M. Riggs, J.B. Engenharia Química - Princípios e Cálculos. Trad. da 7ª. Ed. Editora LTC, 2006.
Fonte: Green, D.W. Perry, R.H. Perry´s
Chemical Engineers´ Handbook 8ª. Ed.,
2008.
4. vazão
v
m
exemplo: a vazão mássica de n-hexano
a 20 oC em uma tubulação cilíndrica de
1” de diâmetro é igual a 6,59 g/s.
Qual a vazão volumétrica do fluido em ft3/h?
Qual a velocidade de escoamento do fluido
em cm/s?
Fonte: Felder, R.M., Rousseau, R.W. Princípios Elementares dos Processos Químicos. Trad. da 3ª. Ed. Editora LTC, 2005.
5. mol e massa molar
1 mol → 6,022×1023 (SI)
1 lbmol → 2,732×1026 (AE)
correto: massa atômica, massa molar
(e não peso atômico, peso molecular)
mol: “quantidade de uma substância que contém tantas
unidades elementares quanto os átomos que existem em
0,012 kg de carbono 12” (Comitê Internacional de Pesos e
Medidas, 1969)
1 ozmol → 1,707×1025 (AE)
número de Avogadro
j
j
jMM
mN
j
j
jMM
mF
6. composição
fração mássica: razão entre a massa de um componente e a massa total da
mistura (fração ou percentual)
fração molar: razão entre o número de mols de um componente e o número
total de mols da mistura (fração ou percentual)
concentração molar: mol/L, mol/cm3, lbmol/ft3, kmol/m3 ...
concentração mássica: g/L, lb/ft3, lb/bbl, kg/m3 ...
partes por milhão (ppm) e partes por bilhão (ppb): para expressar
concentrações extremamente baixas; correspondem à razão mássica para
sólidos e líquidos e à razão molar para gases
exemplo – massa molar média de mistura de gases
tempo de retenção
áre
a
Uma mistura de gases de combustão contendo CO, CO2, CH4 e N2 é
analisada em um cromatógrafo a gás. O resultado da análise é dado pelo
seguinte cromatograma, sendo a área sob cada pico proporcional ao
número de mols da substância indicada. Uma outra análise indicou que
a razão molar entre o metano e o nitrogênio é 0,2. Qual é a massa molar
média dessa mistura? Qual sua composição mássica? (Resposta: 31,6
g/mol; 41% N2, 4,7% CH4, 13,1% CO e 41,2% CO2)
cromatografia gasosa
Fonte: http://www.biomedicinabrasil.com/2012/10/metodos-cromatograficos.html
gases de
combustão
contendo
CO, CO2, CH4 e N2
gás de
arraste
(N2)
Durante um procedimento de rotina, um engenheiro fez medidas e verificou
que a concentração de percloroetileno (PCE) no ar, próximo de um local de
armazenamento de resíduos perigosos, era igual a 120 mg/m3. A temperatura
e a pressão locais eram iguais a 16 oC e 730 mm Hg, respectivamente. Qual
era a concentração de PCE no ar em ppm? Esse ambiente é seguro de
acordo com os padrões da OSHA (Occupational Safety and Health
Administration-EUA)? (Resposta: 17,8 ppm; sim)
exemplo – contaminação de ar com PCE
exercício – contaminação de água com TCE
Tricloroeteno (TCE) contido em um tambor vazou para um
reservatório de água coberto de 10 m3, à vazão média de 10 L/min.
Após 20 minutos, a equipe de segurança finalmente conseguiu
estancar o vazamento. Desprezando as perdas por volatilização e
considerando que o TCE dissolve em água até o limite de sua
solubilidade, estime a proporção de TCE na fase orgânica (non-
aqueous phase liquid, NAPL) em relação ao total derramado. Onde o
TCE será encontrado, na superfície ou no fundo do reservatório?
Justifique. (Resposta: 95,5%; no fundo)
