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Engenharia de Produção ·
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Cap1Variáveis de Processos e Medições Prof Marcus Vinícius C Tolentino Processos Químicos de Produção Revisão Medidas e Grandezas Químicas Utilizar para estudos a fonte bibliográfica Princípios elementares dos processos químicos Richard M Felder Ronald W Rousseau Lisa G Bullard tradução Luiz Eduardo Pizarro Borges 4 ed Rio de Janeiro LTC 2018 Livro Virtual As medições em nosso cotidiano Mas o que é medir Massa e Volume Aonde iremos aplicar essas variáveis A massa específica de uma substância pode ser usada como um fator de conversão para relacionar a massa e o volume de uma quantidade da substância Por exemplo a massa específica do tetracloreto de carbono é 1595 gcm3 portanto a massa de 200 cm3 CCl4 é A massa específica é a massa por unidade de volume da substância kgm3 gcm3 lbmft3 etc O volume específico é o volume ocupado por uma unidade de massa da substância é o inverso da massa específica Massa e Volume A substância de referência mais comumente usada para sólidos e líquidos é a água à 40C que tem a seguinte massa específica de 100 gcm3 Se você tem como dado a densidade relativa de uma substância multiplique pela massa específica de referência em quaisquer unidades para obter a massa específica da substância nas mesmas unidades Por exemplo se a densidade relativa de um líquido é 200 sua massa específica é 200 103 kgm3 ou 200 gcm3 A densidade relativa DR é a razão entre a massa específica da substância em questão ρsubstancia e a massa específica de uma substância de referência ρreferencia a uma condição especificada Exemplo Vazão Mássica e Volumétrica A maior parte dos processos envolve o movimento de material de um ponto a outro algumas vezes entre unidades de processos outras entre uma unidade de produção e um armazém A taxa à qual o material é transportado através de uma linha de processo é a vazão do material A vazão de uma corrente de processo pode ser expressa como vazão mássica massatempo ou como vazão volumétrica volumetempo Vazão Mássica e Volumétrica A densidade relativa da gasolina é aproximadamente 070 a Calcule a massa kg de 500 litros de gasolina b A vazão mássica de gasolina saindo de um tanque de refinaria é 1150 kgmin Estime a vazão volumétrica litross Exemplo Resposta a 35 kg b 003Ls GRANDEZAS QUÍMICAS São grandezas utilizadas pela química e estão relacionadas com massa volume número de átomos de moléculas de íons e principalmente quantidades expressas em mols Principais grandezas químicas Massa atômica MA Massa molecular MM Constante de Avogadro NA Mol Massa molar M Número de mols n MASSA MOLECULAR Massa molecular referese à soma das massas atômicas de todos os átomos que constituem a molécula Vamos calcular a massa molecular das substâncias abaixo Dados H 1u O 16u S 32u C 12u Cl 355 u Br 80u Si 28u Na 23u H2O H 2 x 1u O 1 x 16u MMH2O 18u Cl2 Cl 2 x 355u MMCl2 71u H2SO4 H 2 x 1u S 1 x 32u O 4 x 16u MMH2SO4 98u HCl H 1 x 1u Cl 1 x 355u MMHCl 365u SiO2 Si 1 x 28u O 2 x 16u MMSiO2 60u C2H4O2 H 4 x 1u C 2 x 12 O 2 x 16u MMC2H4O2 60u CO2 C 1 x 12u O 2 x 16u MMCO2 44u NaBr Na 1 x 23u Br 1 x 80u MMNaBr 103u No caso de compostos iônicos usase a expressão MASSA FÓRMULA CONSTANTE DE AVOGADRO As massas atômicas de todos os elementos quando expressas em gramas contêm o mesmo número de átomos Elemento Massa atômica Massa em gramas Número de átomos S 32 u 32 g N Hg 201 u 201 g N Pb 207 u 207 g N Cu 64 u 64 g N C 12 u 12 g N Essa relação foi observada pelo cientista Amedeo Avogadro e no século XX o valor de N foi determinado e ficou conhecido como constante de Avogadro Constante de Avogadro 602 X 10²³ Dizemos então que existem 602 x 10²³ átomos de S em 32g de S 602 x 10²³ átomos de Hg em 201g de Hg 602 x 10²³ átomos de Pb em 207g de Pb 602 x 10²³ átomos de Cu em 64g de Cu 602 x 10²³ átomos de C em 12g de C A constante de Avogadro é também aplicável às moléculas de forma que as massas moleculares de todas as substâncias moleculares quando expressas em gramas contêm o mesmo número de moléculas MOL 602 x 10²³ partículas quaisquer Vamos praticar 1 Sabendose 16g de CH₄ equivalente a 1 mol de CH₄ Quantos mols correspondem a 40g dessa substância x 1 x 40 16 x 25 mols de CH₄ 2 Sabendose que 18g 1 mol de H₂O corresponde a 602 x 10²³ moléculas Quantas moléculas estão presentes em 36g de H₂O MASSA MOLAR MASSA MOLAR é a massa que contém 602 x 10²³ partículas ou seja é massa referente a 1 mol de alguma coisa Sua unidade é gmol MASSA MOLAR de um elemento massa que contém 602 x 10²³ átomos Cálcio Ca MA 40u 40g de Ca contém 602 x 10²³ átomos de Ca equivale a 1 mol de átomos de Ca Massa molar do Ca 40gmol MASSA MOLAR de uma substância massa que contém 602 x 10²³ moléculas Água H₂O MM 18u 18g de H₂O contém 602 x 10²³ moléculas que pesa 1 mol de moléculas de H₂O Massa molar da H₂O 18gmol MASSA MOLAR de um composto iônico massa que contém 602 x 10²³ íons Cloreto de sódio NaCl M 585 u 585 g de NaCl contém 602 x 10²³ íons que equivale a 1 mol de íons Massa molar do NaCl 585 gmol Quantidade em matéria ou quantidade em mols n A quantidade de matéria de uma substância é expressa pelo número de mols Número de mols relação entre a massa m de uma amostra da substância e sua massa molar M Exemplo Quantos mols de átomos correspondem a 280g de Fe Dado massa molar do 56gmol 1 mol de átomos de Fe n n 1 x 280 56 n 5 mols de átomos de Fe Matematicamente podemos dizer que n m M Onde m massa da amostra da substância M massa molar da substância Vamos praticar 1 132g de CO₂ correspondem a quantos mols CO₂ C 1 x 12g O 2 x 16g MMCO₂ 44g 1 mol de CO₂ 44g x 132 g x 1 x132 44 x 3 mols de CO₂ 2 Determine a massa em gramas de a 2 mols de N₂ MM 28 b 5 x 10²² moléculas de NH₃ MM 17 Fração e Percentagem Mássica e Molar Fração e Percentagem Mássica e Molar Solução Base 100 g da mistura Uma forma conveniente de realizar estes cálculos é colocálos na forma de tabela Componente i Fracção Másica xigg Massa g miximtotal Peso Molecular Migmol Mols nimiMi Fracção Molar yinintotal O₂ 016 16 32 050 015 CO 004 4 28 014 004 CO₂ 017 17 44 039 012 N₂ 063 63 28 220 069 Total 100 100 328 100 Peso Molecular Médio de Misturas Em alguns casos é necessário realizar o cálculo utilizando o peso molecular de uma mistura mas em processos industriais grande parte dessas misturas encontramse na forma de soluções Assim o peso molecular médio ou massa molecular média de uma mistura M gmol kgkmol lbmlbmol etc é a razão entre a massa de uma amostra da mistura mt e o número de mols de todas as espécies nt na amostra Se yi é a fração molar do componente i na mistura e Mi é o peso molar deste mesmo componente então Massa Molecular Média por fração molar Massa Molecular Média por fração mássica Exemplo Uma mistura contém 10 molar de álcool metílico 750 molar de acetato de metila C3H6O2 e 150 molar de ácido acético Calcule as frações mássicas de cada componente Qual é o peso molecular médio da mistura Qual seria a massa kg de uma amostra contendo 250 kmol da mistura Frações mássicas etanol 007 Acet Metila 08 ácido acético 013 Peso Molecular Médio 691 Massa kg 17 ton Concentração A concentração de uma substância em uma mistura ou solução pode ser usada como fator de conversão para relacionar a massa ou os mols de uma substância em uma amostra da mistura com o volume da amostra ou para relacionar a vazão molar ou mássica de um componente em uma corrente com a vazão volumétrica total da corrente Consideremos por exemplo uma solução 002 molar de NaOH quer dizer uma solução contendo 002 mol NaOHL 5 litros desta solução contêm 01 mol Concentração Mássica Massa do soluto Volume da solução Unidades gmL gcm3 KgL lbmft3 kgin3 Concentração Molar Mol do soluto Volume da solução Unidades molL mmolcm3 lbmolft3 Aonde aplicamos a concentração Problema e Aplicação Em uma manufatura de produtos farmacêuticos a maioria dos ingredientes farmaceuticamente ativos é feito em solução e depois recuperados por separação Acetaminofeno uma droga contra dor comercializada como Tylenol é sintetizada em uma solução aquosa e subsequentemente cristalizada A lama de cristais é enviada para uma centrífuga da qual emergem duas correntes efluentes 1 uma torta molhada contendo 900 acetaminofeno sólido MM 151 gmol e 100 de água mais algum acetaminofeno e outras substâncias dissolvidas que nós iremos desprezar e 2 uma solução aquosa altamente diluída que é descartada do processo A torta molhada é alimentada a um secador no qual a água é completamente evaporada deixando os sólidos do acetaminofeno residual completamente secos Se a água evaporada fosse condensada sua vazão volumétrica seria de 500 Lh Segue um fluxograma do processo que roda 24 hdia 320 diasano A indica o acetaminofeno a Calcule a vazão de produção anual de acetaminofeno sólido toneladasano usando o mínimo de equações dimensionais possível b Uma proposta foi feita para submeter a solução líquida saindo da centrífuga a um processamento adicional para recuperar mais do acetaminofeno dissolvido em vez de descartar a solução De que dependeria a decisão Fluxograma do processo
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Cap1Variáveis de Processos e Medições Prof Marcus Vinícius C Tolentino Processos Químicos de Produção Revisão Medidas e Grandezas Químicas Utilizar para estudos a fonte bibliográfica Princípios elementares dos processos químicos Richard M Felder Ronald W Rousseau Lisa G Bullard tradução Luiz Eduardo Pizarro Borges 4 ed Rio de Janeiro LTC 2018 Livro Virtual As medições em nosso cotidiano Mas o que é medir Massa e Volume Aonde iremos aplicar essas variáveis A massa específica de uma substância pode ser usada como um fator de conversão para relacionar a massa e o volume de uma quantidade da substância Por exemplo a massa específica do tetracloreto de carbono é 1595 gcm3 portanto a massa de 200 cm3 CCl4 é A massa específica é a massa por unidade de volume da substância kgm3 gcm3 lbmft3 etc O volume específico é o volume ocupado por uma unidade de massa da substância é o inverso da massa específica Massa e Volume A substância de referência mais comumente usada para sólidos e líquidos é a água à 40C que tem a seguinte massa específica de 100 gcm3 Se você tem como dado a densidade relativa de uma substância multiplique pela massa específica de referência em quaisquer unidades para obter a massa específica da substância nas mesmas unidades Por exemplo se a densidade relativa de um líquido é 200 sua massa específica é 200 103 kgm3 ou 200 gcm3 A densidade relativa DR é a razão entre a massa específica da substância em questão ρsubstancia e a massa específica de uma substância de referência ρreferencia a uma condição especificada Exemplo Vazão Mássica e Volumétrica A maior parte dos processos envolve o movimento de material de um ponto a outro algumas vezes entre unidades de processos outras entre uma unidade de produção e um armazém A taxa à qual o material é transportado através de uma linha de processo é a vazão do material A vazão de uma corrente de processo pode ser expressa como vazão mássica massatempo ou como vazão volumétrica volumetempo Vazão Mássica e Volumétrica A densidade relativa da gasolina é aproximadamente 070 a Calcule a massa kg de 500 litros de gasolina b A vazão mássica de gasolina saindo de um tanque de refinaria é 1150 kgmin Estime a vazão volumétrica litross Exemplo Resposta a 35 kg b 003Ls GRANDEZAS QUÍMICAS São grandezas utilizadas pela química e estão relacionadas com massa volume número de átomos de moléculas de íons e principalmente quantidades expressas em mols Principais grandezas químicas Massa atômica MA Massa molecular MM Constante de Avogadro NA Mol Massa molar M Número de mols n MASSA MOLECULAR Massa molecular referese à soma das massas atômicas de todos os átomos que constituem a molécula Vamos calcular a massa molecular das substâncias abaixo Dados H 1u O 16u S 32u C 12u Cl 355 u Br 80u Si 28u Na 23u H2O H 2 x 1u O 1 x 16u MMH2O 18u Cl2 Cl 2 x 355u MMCl2 71u H2SO4 H 2 x 1u S 1 x 32u O 4 x 16u MMH2SO4 98u HCl H 1 x 1u Cl 1 x 355u MMHCl 365u SiO2 Si 1 x 28u O 2 x 16u MMSiO2 60u C2H4O2 H 4 x 1u C 2 x 12 O 2 x 16u MMC2H4O2 60u CO2 C 1 x 12u O 2 x 16u MMCO2 44u NaBr Na 1 x 23u Br 1 x 80u MMNaBr 103u No caso de compostos iônicos usase a expressão MASSA FÓRMULA CONSTANTE DE AVOGADRO As massas atômicas de todos os elementos quando expressas em gramas contêm o mesmo número de átomos Elemento Massa atômica Massa em gramas Número de átomos S 32 u 32 g N Hg 201 u 201 g N Pb 207 u 207 g N Cu 64 u 64 g N C 12 u 12 g N Essa relação foi observada pelo cientista Amedeo Avogadro e no século XX o valor de N foi determinado e ficou conhecido como constante de Avogadro Constante de Avogadro 602 X 10²³ Dizemos então que existem 602 x 10²³ átomos de S em 32g de S 602 x 10²³ átomos de Hg em 201g de Hg 602 x 10²³ átomos de Pb em 207g de Pb 602 x 10²³ átomos de Cu em 64g de Cu 602 x 10²³ átomos de C em 12g de C A constante de Avogadro é também aplicável às moléculas de forma que as massas moleculares de todas as substâncias moleculares quando expressas em gramas contêm o mesmo número de moléculas MOL 602 x 10²³ partículas quaisquer Vamos praticar 1 Sabendose 16g de CH₄ equivalente a 1 mol de CH₄ Quantos mols correspondem a 40g dessa substância x 1 x 40 16 x 25 mols de CH₄ 2 Sabendose que 18g 1 mol de H₂O corresponde a 602 x 10²³ moléculas Quantas moléculas estão presentes em 36g de H₂O MASSA MOLAR MASSA MOLAR é a massa que contém 602 x 10²³ partículas ou seja é massa referente a 1 mol de alguma coisa Sua unidade é gmol MASSA MOLAR de um elemento massa que contém 602 x 10²³ átomos Cálcio Ca MA 40u 40g de Ca contém 602 x 10²³ átomos de Ca equivale a 1 mol de átomos de Ca Massa molar do Ca 40gmol MASSA MOLAR de uma substância massa que contém 602 x 10²³ moléculas Água H₂O MM 18u 18g de H₂O contém 602 x 10²³ moléculas que pesa 1 mol de moléculas de H₂O Massa molar da H₂O 18gmol MASSA MOLAR de um composto iônico massa que contém 602 x 10²³ íons Cloreto de sódio NaCl M 585 u 585 g de NaCl contém 602 x 10²³ íons que equivale a 1 mol de íons Massa molar do NaCl 585 gmol Quantidade em matéria ou quantidade em mols n A quantidade de matéria de uma substância é expressa pelo número de mols Número de mols relação entre a massa m de uma amostra da substância e sua massa molar M Exemplo Quantos mols de átomos correspondem a 280g de Fe Dado massa molar do 56gmol 1 mol de átomos de Fe n n 1 x 280 56 n 5 mols de átomos de Fe Matematicamente podemos dizer que n m M Onde m massa da amostra da substância M massa molar da substância Vamos praticar 1 132g de CO₂ correspondem a quantos mols CO₂ C 1 x 12g O 2 x 16g MMCO₂ 44g 1 mol de CO₂ 44g x 132 g x 1 x132 44 x 3 mols de CO₂ 2 Determine a massa em gramas de a 2 mols de N₂ MM 28 b 5 x 10²² moléculas de NH₃ MM 17 Fração e Percentagem Mássica e Molar Fração e Percentagem Mássica e Molar Solução Base 100 g da mistura Uma forma conveniente de realizar estes cálculos é colocálos na forma de tabela Componente i Fracção Másica xigg Massa g miximtotal Peso Molecular Migmol Mols nimiMi Fracção Molar yinintotal O₂ 016 16 32 050 015 CO 004 4 28 014 004 CO₂ 017 17 44 039 012 N₂ 063 63 28 220 069 Total 100 100 328 100 Peso Molecular Médio de Misturas Em alguns casos é necessário realizar o cálculo utilizando o peso molecular de uma mistura mas em processos industriais grande parte dessas misturas encontramse na forma de soluções Assim o peso molecular médio ou massa molecular média de uma mistura M gmol kgkmol lbmlbmol etc é a razão entre a massa de uma amostra da mistura mt e o número de mols de todas as espécies nt na amostra Se yi é a fração molar do componente i na mistura e Mi é o peso molar deste mesmo componente então Massa Molecular Média por fração molar Massa Molecular Média por fração mássica Exemplo Uma mistura contém 10 molar de álcool metílico 750 molar de acetato de metila C3H6O2 e 150 molar de ácido acético Calcule as frações mássicas de cada componente Qual é o peso molecular médio da mistura Qual seria a massa kg de uma amostra contendo 250 kmol da mistura Frações mássicas etanol 007 Acet Metila 08 ácido acético 013 Peso Molecular Médio 691 Massa kg 17 ton Concentração A concentração de uma substância em uma mistura ou solução pode ser usada como fator de conversão para relacionar a massa ou os mols de uma substância em uma amostra da mistura com o volume da amostra ou para relacionar a vazão molar ou mássica de um componente em uma corrente com a vazão volumétrica total da corrente Consideremos por exemplo uma solução 002 molar de NaOH quer dizer uma solução contendo 002 mol NaOHL 5 litros desta solução contêm 01 mol Concentração Mássica Massa do soluto Volume da solução Unidades gmL gcm3 KgL lbmft3 kgin3 Concentração Molar Mol do soluto Volume da solução Unidades molL mmolcm3 lbmolft3 Aonde aplicamos a concentração Problema e Aplicação Em uma manufatura de produtos farmacêuticos a maioria dos ingredientes farmaceuticamente ativos é feito em solução e depois recuperados por separação Acetaminofeno uma droga contra dor comercializada como Tylenol é sintetizada em uma solução aquosa e subsequentemente cristalizada A lama de cristais é enviada para uma centrífuga da qual emergem duas correntes efluentes 1 uma torta molhada contendo 900 acetaminofeno sólido MM 151 gmol e 100 de água mais algum acetaminofeno e outras substâncias dissolvidas que nós iremos desprezar e 2 uma solução aquosa altamente diluída que é descartada do processo A torta molhada é alimentada a um secador no qual a água é completamente evaporada deixando os sólidos do acetaminofeno residual completamente secos Se a água evaporada fosse condensada sua vazão volumétrica seria de 500 Lh Segue um fluxograma do processo que roda 24 hdia 320 diasano A indica o acetaminofeno a Calcule a vazão de produção anual de acetaminofeno sólido toneladasano usando o mínimo de equações dimensionais possível b Uma proposta foi feita para submeter a solução líquida saindo da centrífuga a um processamento adicional para recuperar mais do acetaminofeno dissolvido em vez de descartar a solução De que dependeria a decisão Fluxograma do processo