PQI 3103 Conservação de Massa e Energia 3103... · Conservação de Massa e Energia ... massa, volume, energia) ... contido em um tambor vazou para um reservatório de 3água coberto

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

[email protected]

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)