Slide - Unidade 1 - Introdução dos Processos Químicos - 2023-2

Princípios dos Processos Químicos 10.501-5 1. INTRODUÇÃO PROCESSOS QUÍMICOS UNIDADES, DIMENSÕES E CONVERSÃO DE UNIDADES Prof.ª Alice Medeiros de Lima SUMÁRIO ❑ Processos Químicos ❑ Unidades e Dimensões 1.1. PROCESSOS QUÍMICOS ⚫ Um processo químico é qualquer operação ou conjunto de operações coordenadas que causam uma transformação física ou química em um material ou misturas de materiais. ⚫ Os processos químicos englobam um grande número de setores específicos: − Metalúrgico − Nucleares − Farmacêuticos − Petroquímicos − Síntese de produtos orgânicos, inorgânicos, bioquímicos 1.1. PROCESSOS QUÍMICOS ⚫ Nem sempre reações químicas estão presentes em processos químicos. ⚫ Mesmo em processos com reação química, várias operações são necessárias: ⚫ Preparação da matéria-prima ⚫ Transporte até o reator ⚫ Purificação ⚫ Separação ⚫ Tratamento de efluentes 1.1. PROCESSOS QUÍMICOS Produção de fertilizantes RESFRIADOR SILO GRANULADOR SECADOR MOINHO PENEIRA Ar Ar Combustível Amônia Ácido fosfórico PRÉ- REATOR Produto 1.1. PROCESSOS QUÍMICOS Produção de polietileno (polimerização em alta pressão) Etileno AGR AGR AGR AGR O2 AGR AGR COMPRESSOR 2400 bar 260 bar 150 a 200C 300C 50 bar Polietileno EXTRUSORA PELETIZADORA REATOR Ar Ar AGR: água de resfriamento 1.1. PROCESSOS QUÍMICOS Produção de açúcar a partir da cana-de-açúcar Usina Virtual da UNICA. https://www.youtube.com/playlist?list=PL0WGmHaMFwEjwGajerh8qZiH8q23b7tZx 1.1. PROCESSOS QUÍMICOS ⚫ Um processo químico é representado por um desenho esquemático chamado de fluxograma ⚫ Blocos ou símbolos → que representem unidades de processo (reatores, destiladores, evaporadores, etc... ) ⚫ Linhas → indicam os caminho de fluxo das matérias primas e dos produtos Descreve-se o processo de forma simples e objetiva, através de uma coordenação sequencial que integra as unidades de conversão química (reatores) às demais unidades de operações físicas (chamadas classicamente de operações unitárias). 1.1. PROCESSOS QUÍMICOS R-301 Acrylic Acid Reactor C-301 Recycle Compressor S-301 Light-Gas Separator T-301 Acrylic Acid Tower E-301 Acrylic Acid Reboiler E-302 Waste Water Condenser propylene air steam cw - cooling water lps - low-pressure steam cw lps waste water acrylic acid Figure 1: Process Flow Diagram for Acrylic Acid Production 1.1. PROCESSOS QUÍMICOS Descarga da turbina 1150 kg de vapor/h 1 atm, saturado (100 ºC) H=2676 kJ/kg m1 [kg vapor/h] 400 ºC, 1 atm H=3278 kJ/kg MISTURADOR m2 [kg vapor/h] 300 ºC, 1 atm H = 3074 kJ/kg C3H8 puro F Fc reator reciclo C3H6=84,0% C3H8=16,0% unidade de separação H2 C2H6 C3H8 P 1.1. PROCESSOS QUÍMICOS A análise dos processos químicos tem como objetivo a obtenção de quantidades e propriedades das correntes de produtos a partir de quantidades e propriedades das correntes de alimentação e vice-versa, em cada uma das etapas e no processo como um todo. Portanto, deve- se conhecer as principais variáveis envolvidas nos processos e ter como base as leis da conservação de massa e energia (Badino Jr. e Cruz, 2010). Análise dos processos químicos SUMÁRIO ❑ Processos Químicos ❑ Unidades e Dimensões 1.2. UNIDADES E DIMENSÕES Linhas Aéreas Coreanas (1999) “Seul, Coreia do Sul – Investigadores disseram que houve um erro de unidades, se em metros ou pés, no controlador de altitude da cabine de cargueiro das Linhas Aéreas Coreanas, fabricado pela McDonnel Douglas MD-11, que resultou em um acidente tão logo o avião levantou voo em Xangai, em abril de 1999. O acidente matou todos os três tripulantes. Cinco pessoas em solo foram mortas e mais de 40 foram feridas quando o avião desceu em chamas em cima de uma construção perto do Aeroporto Hongqiao em Xangai. De acordo com o relatório do acidente liberado pelas autoridades sul coreanas, um controlador de tráfego aéreo direcionou os pilotos para uma altitude de 1500 metros (4950 pés). O avião estava subindo rapidamente para aquele nível quando o copiloto disse ao piloto que ele pensou que a altura recomendada fosse 1500 pés, equivalente a 455 metros. A indústria de aviação internacional mede altitude em pé e a confusão levou o piloto a concluir que o jato já estivesse quase a uma altura de 1000 metros além da recomendada; assim, ele rapidamente moveu os controles para descer o avião. À medida que o avião descia, o piloto percebeu o erro, mas não pôde mais corrigir a tempo. O Ministro da Construção e Transporte da Coreia do Sul disse que as Linhas Aéreas Coreanas perderiam o direito de usar a rota da carga Seul-Xangai por pelo menos dois anos, por causa dos erros dos pilotos. As Linhas Aéreas Coreanas disseram que apelariam da decisão…” Trecho da reportagem no The Wall Street Journal (06 de junho de 2001) 1.2. UNIDADES E DIMENSÕES 15 Voo Air Canada 143 (1983) • Sem combustível a 41 mil pés de altitude (12500 m) • Quantidade de combustível mal calculada, deveria ter sido abastecido com 22300 kg de combustível, mas recebeu apenas 22300 libras (menos da metade). 1 kg = 2,20462 lb 1.2. UNIDADES E DIMENSÕES 16 NASA: Mars Climate Orbiter • Monitorar o clima na superfície de Marte. • 1999 – sonda espacial desapareceu • $125 milhões • A nave espacial deveria efetuar sua inserção na órbita de Marte a uma altitude de 140 a 150 km da superfície. Porém, devido a um erro de cálculo, a manobra de inserção orbital foi feita a uma altitude de 57 km. 1 m = 3,28084 ft O erro deveu-se a equipe da terra, que fez o uso de medidas inglesas para calcular os parâmetros para a manobra inserção orbital, enviando-os à nave, cujos sistemas, contudo, apenas realizavam cálculos no sistema métrico. 1.2. UNIDADES E DIMENSÕES ⚫ Uma medida tem um valor (número) e uma unidade: − 2 ft, 1 m, 4 km ⚫ Uma dimensão é uma propriedade: ⚫ Que pode ser medida, como: − Comprimento, tempo, massa, temperatura ⚫ Ou calculada, pela multiplicação ou divisão de outras dimensões: − velocidade (comprimento/tempo) − volume (comprimento x comprimento x comprimento) 1.2. UNIDADES E DIMENSÕES ⚫ Para converter uma quantidade expressa em termos de uma unidade para seu equivalente em termos de outra, multiplica-se a dada quantidade pelo fator de conversão (nova unidade/velha unidade). ⚫ Para converter unidades compostas o procedimento é o mesmo. EXEMPLO 1 Converter 36 in no seu equivalente em ft. Dado: 1 ft = 12 in. CONVERSÃO DE UNIDADES 36 𝑖𝑛. 1 𝑓𝑡 12 𝑖𝑛 = 3 𝑓𝑡 EXEMPLO 2 Converter a aceleração de 1 in/s² em milhas/ano². Dados: 1 h = 3600 s 1 dia = 24 h 1 ano = 365 dias 1 ft = 12 in 1 milha = 5280 ft EXEMPLO 3 Materiais em escala nanométrica têm se tornado o assunto de investigação intensiva na última década por causa de seu uso potencial em semicondutores, em drogas, em detectores de proteína e em transporte de elétrons. Nanotecnologia é o termo genérico que se refere à síntese e aplicação de tais partículas pequenas. Um exemplo de semicondutor é o ZnS (sulfeto de zinco) com um diâmetro de partícula de 1,8 nm. Converta esse valor para (a) decímetros (dm) (b) polegadas (in) 1 m = 39,37 in Um sistema de unidades se compõe de: a) Unidades Básicas: que são as unidades para as dimensões básicas: massa, comprimento, tempo, temperatura, corrente elétrica e intensidade luminosa. Ex: segundo b) Unidades Múltiplas: múltiplos ou frações das unidades básicas. Por exemplo: para a unidade básica segundo, temos como unidades múltiplas: h, min, milissegundos. c) Unidades Derivadas: - Compostas: obtidas pela multiplicação ou divisão das unidades básicas ou múltiplos: cm.cm; ft/min; kg.m/s² - Equivalentes a unidades compostas: erg=1g.cm²/s² ou l lbf = 32,174 lbm.ft/s² 1.2. UNIDADES E DIMENSÕES SISTEMA DE UNIDADES 1.2. UNIDADES E DIMENSÕES SI (LE SYSTÈME INTERNATIONALE D’UNITÉS) 1.2. UNIDADES E DIMENSÕES ⚫ Baseia-se no centímetro (cm), grama (g) e segundos (s). É semelhante ao SI, com exceção: − Força: dina = 1 g.cm/s² − Pressão: dina/cm² − Energia: erg = dina.cm CGS 1.2. UNIDADES E DIMENSÕES ⚫ O sistema americano de engenharia define as unidades básicas: − Comprimento: 1 foot (ft = pé) − Massa: libra-massa (lbm = pound-mass) − Tempo: segundo (s) ⚫ Possui 2 problemas: − Não é múltiplo de 10, já que 1 ft = 12 in. − A definição da unidade de força. AE (SISTEMA AMERICANO DE ENGENHARIA) 1.2. UNIDADES E DIMENSÕES De acordo com a 2ª Lei de Newton F =m.a/gc Unidades naturais da força seriam, portanto SI : kg.m/s² CGS: g.cm/s² A.E.S.: lbm.ft/s² 1.2. UNIDADES E DIMENSÕES ⚫ Nos dois primeiros sistemas (SI e CGS), a unidade de força é definida em função de suas unidades naturais. Daí: ⚫ SI : 1N = 1 Kg.m/s² (natural) ⚫ CGS : 1 dina = 1 g.cm/s² (natural) No sistema americano, no entanto, a unidade de força chamada pound-force (libra-força = lbf) é definida por: “o produto de uma unidade de massa (1bm) pela aceleração da gravidade ao nível do mar e 45° de latitude, que é 32, 174 ft/s²”. ⚫ 1 lbf = 32,174 lbm.ft/s² 1.2. UNIDADES E DIMENSÕES ⚫ Para converter a força de uma unidade definida (N) para uma unidade natural (kg.m/s²) é necessário usar-se um fator de conversão – usualmente indicado por gc. EXEMPLO 4 Água tem densidade 62,4 lbm/ft³. Quanto pesam 2 ft³ de água: a) Ao nível do mar, latitude 45° (g = 32,174 ft/s²)? b) No pico de uma montanha onde a aceleração de gravidade é de 32,139 ft/s²? 1.2. UNIDADES E DIMENSÕES Toda equação válida deve ser dimensionalmente homogênea, isto é: todos os termos de ambos os lados da equação precisam ter as mesmas unidades. ⚫ Considerando a equação: V(ft/s) = V(ft/s) + g (ft/s²) t(s) ⚫ A recíproca desta regra não é verdadeira: isto é, uma equação pode ser dimensionalmente homogênea e não ser válida. Ex.: 2M = M HOMOGENEIDADE DIMENSIONAL EXEMPLO 5 Uma quantidade k depende da temperatura T da seguinte maneira: 𝑘 𝑚𝑜𝑙 𝑐𝑚3.𝑠 = 1,2. 105𝑒 −20000 1,987 𝑇 A unidade de 20000 é cal/mol e de T é K (Kelvin). Quais são as unidades de 1,2.105 e 1,987? EXEMPLO 6 Seja a equação de van der Waals, que representa o comportamento de pressão/volume/temperatura de um gás. 𝑝 + 𝑎 𝑉2 𝑉 − 𝑏 = 𝑅𝑇 Verifique quais as unidades das constantes a e b, sendo a pressão (p) dada em atm, o volume específico (V) dado em m³/mol e a temperatura (T) dada em K. Quais deverão ser as unidade da constante universal dos gases R? REFERÊNCIAS Badino Junior, A. C., Cruz, A. J. G. Balanços de Massa e Energia – Um texto básico para análise de processos químicos. EdUFSCar, 2010. Felder, R. M., Rosseau, R. W. Princípios Elementares dos Processos Químicos, Ed. LTC, 3ª ed., 2005. Himmelblau, D. M., Riggs, J. B. Engenharia Química – Princípios e Cálculos, Ed. LTC, 7ª ed., 2006.