Transcript Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia

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dos Materiais e Metalurgia
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Introdução à Engenharia Química
Professor: Francisco Moura/Roberto Carvalho/Cecília Vilani
Bibliografia: Himmelblau, David M. e Riggs, James B.; Engenharia
Química - Princípios e Cálculos, 7a edição, Editora LTC, 2006.
Relembrando
A Engenharia de Química lida também com CÁLCULOS envolvendo
processos ou operações de uma indústria química
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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
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conceitos de dimensão e unidades.
Relembrando - Unidades e dimensões
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▌Dimensões: São os nossos conceitos básicos de medida, tais como:
comprimento, tempo, massa, temperatura, etc..
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▌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
 Unidades múltiplas
tera (T)
1012
centi (c)
10-2
giga (G)
109
mili (m)
10-3
mega (M)
106
micro (m)
10-6
quilo (k)
103
nano (n)
10-9
Unidades e dimensões - cont.
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 Unidades básicas
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Dimensão
Unidade
Símbolo
comprimento
metro (SI)
centímetro (CGS)
pé (Sist. Inglês)
m
cm
ft
massa
quilograma (SI)
grama (CGS)
libra (Sist. Inglês)
kg
g
lb
moles
grama-mol (SI)
libra-mol (Sist. Inglês)
mol ou g-mol
lb-mol
tempo
segundo (SI)
s
temperatura
Kelvin (SI)
Celsius
Rankine (Sist. Inglês)
Fahrenheit
K
oC
oR
oF
corrente elétrica
Ampère
A
intensidade de luz
Candela
cd
Unidades e dimensões - cont.
 Unidades derivadas
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Dimensão Unidade
L ou l
0,001 m3
1000 cm3
Newton (SI)
dina (CGS)
N
1kg.m.s-2
1g.cm. s-2
Pascal (SI)
Pa
N.m-2 = 1kg.m.s-2.m-2 = 1kg.m-1.s-2
Energia e Joule (SI)
erg (CGS)
trabalho
caloria
J
erg
cal
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
W
1 J.s-1 = 1kg.m2.s-3
Volume
litro
Força
Pressão
Watt
 Conversão de unidades:
1
cm
s
5
Símbolo Equivalente em termos de
unidades básicas
2

( 3600 s )
(1h )
2
2

( 24 h )
2
(1dia )
2

Converter
( 365 dias )
(1ano )
2
2

1
1m
cm
s
em
2

1km
100 cm 1000 m
km
ano
2
 9 ,95  10
9
km
ano
2
Convenções em métodos de análises e medidas
 Unidade molar
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Mol é a quantidade de uma substância que contém tantas espécies
elementares quanto existem de átomos em 12 gramas do 12C.
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.
Se uma amostra contém N espécies, então o mol será =
..
Se a massa de uma amostra é m, então o seu mol será =
n
Ex.: Um recipiente contém 2 lb de NaOH (PM=23+16+1=40).
Em termos de lb-mol:
2 lb 
Em termos de mol (ou g-mol): 2 lb 
6
n
1lb  mol
 0,05 lb  mol
40 lb
1 lb  mol
40 lb

454 mol
1 lb  mol
 22 ,7 mol
N
NA
m
M
Convenções em métodos de análises e medidas
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 Densidade: É a razão da massa por unidade de volume (kg/m3, g/cm3
ou lb/ft3)
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Obs.: Para sólidos e líquidos puros, a densidade é essencialmente
independente da pressão e varia ligeiramente com a temperatura.
Água(l)
0 oC
3,98oC
100oC
r (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.
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 1,000
Para sólidos e líquidos: a densidade de referência a
da água a temperatura de 4oC
d
T
4

r
 1000
 62 ,43
g
cm
3
kg
m
3
lbm
ft
3
r ref
Ex.: d 4  0,6 È a densidade relativa da substância a 20oC com
relação a água a 4oC.
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Para gases: costuma-se tomar como referência o ar a 0o C e a 1 atm
de pressão.
 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.
M 
n A  mol
mol
1

mol

L

 mol  dm

3
V (L )  L
dm
3 


 Molalidade é o número de moles do soluto “A” por kg de solvente.
mA 
nA
m solv ,kg
 mol 


kg


 Fração molar: É a razão estabelecida entre o número de moles da
espécie j (nj) e o número de moles da solução (n).
Yj 
nj
n
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 Fração mássica: É a razão estabelecida entre a massa da espécie j
(mj) e a massa da solução (m).
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Xj 
10
mj
m
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.
 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.
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
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 Partes por milhão (ppm) e partes por bilhão (ppb) é uma forma de
expressar concentrações de soluções extremamente diluídas (traços
de espécies).
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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, ppm
ppb
j
j
 Y j  10
6
 Y j  10
9
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:
Y SO 2  15  10
6
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 Temperatura
A 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.
 C   273 ,15
T  R   T  F   459 ,67
T  R   1,8  T K 
T  F   1,8  T  C   32
T K   T
o
o
o
o
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o
o
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 Pressão
A força exercida por um gás sobre uma superfície é devido a
seqüência incessante de colisões das partículas que o constituem
sobre esta superfície.
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Muitas colisões  Fconstante  pconstante
p 
F
 1 Pa  1
A
N
m
2
 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).
p base
 p atm (equilíbrio mecânico)
da coluna
1 atm  101325 Pa  760 mmHg ( torr )( 0 C )  14 ,7
o
lb f
in
2
( psi ) 
 29 ,921 inHg ( 0 C )  33 ,91 ftH 2 O ( 4 C )  1,01325 bar
o
o
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Manômetros: Instrumento utilizado para medir a pressão de uma
amostra de gás no interior de um recipiente (vaso).
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Manômetro de tubo em U
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Manômetro de
tubo fechado
p abs  r  g  h
Manômetro de
tubo aberto
p abs  r  g  h  p atm
Manômetro de Bourdon
Ex: O manômetro marca 87psi e a pressão
barométrica local é de 28 inHg. Qual é a
pressão absoluta.
p atm  28 inHg 
14 ,7 psi
 13 ,78 psia
29 ,92 inHg
p abs  87  13 ,78  100 ,78 psia
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 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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 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
*medidos
16
452 kg
452 gramas
452 kg
452 libras
452 libras
452 toneladas
452 toneladas
na CNTP
Propriedades Físico-químicas de Compostos
J. H. Perry, Chemical Engineer´Handbook, McGraw-Hill
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N. A. Lange, Handbook of Chemistry, McGraw-Hill
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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)