Felder & Rousseau - Princípios Elementares dos Processos Químicos, 3ed PDF

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Description

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1 6 7 3 3

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TABELAS E FIGURAS SELECIONADAS Miscelânea Fatores para Conversão de Unidades Pesos e Números Atômicos Carta Psicrométrica (Umidade): Unidades SI Carta Psicrométrica (Umidade): Unidades Americanas de Engenharia Propriedades Físicas Selecionadas (pesos moleculares, densidades relativas de sólidos e líquidos, pontos de ebulição e de fusão, calores de fusão e de vaporização, temperatura e pressão críticas, calores de formação e de combustão padrão)

Gl G3-G4 336 337

545-550

Leis para Gases (Relações PVT) Constante dos Gases Condições Normais para Gases Fatores Acêntricos de Pitzer Cartas de Compressibilidade

G4 170 176 182-184

Dados de Pressão de Vapor Carta de Cox (gráficos de pressão de vapor) Pressão de Vapor da Água Constantes da Equação de Antoine

215 553-554 555-556

Dados Termodinâmicos Capacidades Caloríficas Propriedades do Vapor Saturado: Tabela da Temperatura Propriedades do Vapor Saturado: Tabela da Pressão Propriedades do Vapor Superaquecido Entalpias Específicas de Gases Selecionados: Unidades SI Entalpias Específicas de Gases Selecionados: Unidades Americanas de Engenharia Capacidades Caloríficas Atômicas para a Regra de Kopp Calores Integrais de Solução e Mistura a 25ºC

551-552 557 558-560 561-562 563 563 564 564

Dados para Sistemas Específicos Diagrama de Fase Triangular para Água-Acetona-Metil Isobutil Cetona a 25ºC Diagrama Entalpia-Concentração para H2S04 - H20 Diagrama Entalpia-Concentração para NH3 - H20

239 349 352

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FATORES PARA CONVERSÃO DE UNIDADES Grandeza

Valores Equivalentes

Massa

1 kg = 1000 g = 0,001 tonelada métrica = 2,20462 lbm = 35,27392 oz llbm = 16 oz = 5 X 10- 4 t = 453,593 g = 0,453593 kg

Comprimento

lm = 100 cm = 1000 mm = 106 mícrons (µm) = 1010 angstroms (Â) = 39,37 in = 3,2808 ft = 1,0936 yd = 0,0006214 milha 1ft = 12 in = 1/3 yd = 0,3048 m = 30,48 cm

Volume

1 m3 = = = 1 ft3 = =

Força

lN = 1 kg·m/s2 = 105 dinas = 105 g·cm/s2 = 0,22481 lbr 1 lbf = 32,174 lbm·ft/s2 = 4,4482 N = 4,4482 X 105 dinas

Pressão

1 atm = = = = =

Energia

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Potência

lW = 1 J/s = 0,23901 cal/s = 0,7376 ft·lb/s = 9,486 = 1,341 X 10- 3 hp

1000 L = 106 cm3 = 106 mL 35,3145 ft3 = 220,83 galões imperiais = 264,17 gal 1056,68 qt 1728 in3 = 7,4805 gal = 0,028317 m3 = 28,317 L 28.317 cm3

1,01325 X 105 N/m 2 (Pa) = 101,325 kPa = 1,01325 bar 1,01325 X 106 dinas/cm2 760 mm Hg a OºC (torr) = 10,333 m H 20 a 4ºC 14,696 lb/in2 (psi) = 33,9 ft H2 0 a 4ºC 29,921 in Hg a OºC

= 1 N·m = 107 ergs = 107 dina·cm = 2,778 X 10- 1 kW·h = 0,23901 cal = 0,7376 ft-lbr = 9,486 X 10- 4 Btu X

10- 4 Btu/s

. , (2,20462 lb ) Exemplo: O fator para converter gramas em lbm e m . 1000 g

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PRINCIPIOS BCPT ELEMENTARES DOS,, PROCESSOS QUIMICOS Terceira Edição

Richard M. Felder Departamento de Engenharia Química North Carolina State University Raleigh, North Carolina

Ronald W. Rousseau F acuidade de Engenharia Química Georgia Institute of Technology Atlanta, Georgia

Tradução:

Martín Aznar Faculdade de Engenharia Química Universidade Estadual de Campinas, UNICAMP Campinas, SP

IW.tersidade Esti'ldua·r rlo Maranhão BIBLIOT: .

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Prefácio da Primeira Edição ix Prefácio da Terceira Edição xi Ao Professor xiii Nomenclatura xv Glossário de Termos de Processos Químicos xix

PARTE 1

ANÁLISE DE PROBLEMAS DE ENGENHARIA 1

Capítulo 1

O que Alguns Engenheiros Químicos Fazem da Vida 3

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Capítulo 2

Introdução a Cálculos de Engenharia 6 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8

Capítulo 3

Objetivos Educacionais 6 Unidades e Dimensões 7 Conversão de Unidades 7 Sistemas de Unidades 8 Força e Peso 10 Estimação e Cálculos Numéricos 12 Homogeneidade Dimensional e Quantidades Adimensionais 18 Representação e Análise de Dados de Processo 20 Resumo 27 Problemas 28

Processos e Variáveis de Processo 38 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6

Objetivos Educacionais 38 Massa e Volume 39 Vazão 41 Composição Química 42 Pressão 48 Temperatura 54 Resumo 56 Problemas 58

PARTE 2

BALANÇOS DE MASSA 71

Capítulo 4

Fundamentos de Balanços de Massa 73 4.0 4.1 4.2 4.3

Objetivos Educacionais 73 Classificação de Processos 74 Balanços 74 Cálculos de Balanços de Massa 78

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Sumário 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10

Capítulo 5

Sistemas Monofásicos 164 5.0 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

Capítulo 6

Capítulo 7

Energia e Balanços de Energia 273 Objetivos Educacionais 274 Formas de Energia: A Primeira Lei da Termodinâmica 27 5 Energias Cinética e Potencial 276 Balanços de Energia em Sistemas Fechados 277 Balanços de Energia em Sistemas Abertos no Estado Estacionário 279 Tabelas de Dados Termodinâmicos 284 Procedimentos de Balanços de Energia 287 Balanços de Energia Mecânica 290 Resumo 294 Problemas 296

Balanços em Processos Não-reativos 311 8.0 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6

Capítulo 9

Objetivos Educacionais 208 Equilíbrio de Fases para um Componente Puro 210 A Regra das Fases de Gibbs 216 Sistemas Gás-Líquido: Um Componente Condensável 217 Sistemas Gás-Líquido Multicomponentes 223 Soluções de Sólidos em Líquidos 231 Equilíbrio entre Duas Fases Líquidas 237 Adsorção sobre Superfícies Sólidas 240 Resumo 243 Problemas 245

BALANÇOS DE ENERGIA 271 7.0 7 .1 7.2 7.3 7.4 7 .5 7.6 7.7 7.8

Capítulo 8

Objetivos Educacionais 165 Massas Específicas de Líquidos e Sólidos 165 Gases Ideais 167 Equações de Estado para Gases Não-ideais 174 A Equação de Estado do Fator de Compressibilidade 181 Resumo 186 Problemas 187

Sistemas Multifásicos 207 6.0 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8

PARTE 3

Balanços em Processos de Múltiplas Unidades 91 Reciclo e Desvio 97 Estequiometria das Reações Químicas 102 Balanços em Processos Reativos 110 Reações de Combustão 125 Algumas Considerações Adicionais Acerca de Processos Químicos 133 Resumo 135 Problemas 137

Objetivos Educacionais 311 Elementos em Cálculos de Balanços de Energia 312 Mudanças na Pressão a Temperatura Constante 318 Mudanças na Temperatura 319 Operações deMudança de Fase 329 Mistura e Solução 345 Resumo 355 Problemas 358

Balanços em Processos Reativos 384 9.0

Objetivos Educacionais 385

Sumário

9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7

Capítulo 10

Calores de Reação 385 Medição e Cálculo de Calores de Reação: Lei de Hess 388 Reações de Formação e Calores de Formação 390 Calores de Combustão 391 Balanços de Energia em Processos Reativos 392 Combustíveis e Combustão 404 Resumo 412 Problemas 415

Cálculos de Balanço Auxiliados por Computador 439 10.0 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5

Capítulo 11

xxiii

Objetivos Educacionais 439 A Análise de Graus de Liberdade Revisitada 439 Simulação Seqüencial Modular 445 Simulação Baseada em Equações 454 Pacotes Comerciais de Simulação de Processos 463 Considerações Finais 463 Problemas 463

Balanços em Processos Transientes 472 11.0 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5

Objetivos Educacionais 472 A Equação Geral do Balanço ... de Novo 472 Balanços de Massa 476 Balanços de Energia em Processos Monofásicos Não-reativos 481 Balanços Transientes Simultâneos 486 Resumo 489 Problemas 490

PARTE 4

ESTUDOS DE CASO 501

Capítulo 12

A Produção de Cloreto de Polivinila Clorado 503 A Química da Reação de Cloração do PVC 504 Descrição do Processo 504 Problemas 507

Capítulo 13

Reforma por Vapor de Gás Natural e Subseqüente Síntese de Metanol 513 Descrição do Processo 514 Problemas 517

Capítulo 14

O Uso de Lavagem por Lama de Calcário para Remover Dióxido de Enxofre de Gases de Combustão de Plantas de Energia 523 Descrição do Processo 524 Problemas 525

Apêndice A

Técnicas Computacionais 527 A.1 O Método dos Mínimos Quadrados 527 A.2 Solução Iterativa de Equações Algébricas Não-lineares 529 A.3 Integração Numérica 540

Apêndice B

Tabelas de Propriedades Físicas 544 B.1 B.2 B.3 B.4

Propriedades Físicas Selecionadas 545 Capacidades Caloríficas 551 Pressão de Vapor da Água 553 Constantes da Equação de Antoine 555

XXIV

Sumário

B.5 B.6 B.7 B.8 B.9

Propriedades do Vapor Saturado: Tabela da Temperatura 557 Propriedades do Vapor Saturado: Tabela da Pressão 558 Propriedades do Vapor Superaquecido 561 Entalpias Específicas de Gases Selecionados: Unidades SI 563 Entalpias Específicas de Gases Selecionados: Unidades Americanas de Engenharia 563 B.10 Capacidades Caloríficas Atômicas para a Regra de Kopp 564 B.11 Calores Integrais de Solução e Mistura a 25ºC 564

Respostas dos Testes 565 Respostas aos Problemas Selecionados 572 Índice 576

Parte Um

Análise de Problemas de Engenharia

I

Capítulo

1 O que Alguns Engenheiros Químicos Fazem da Vida No último mês de maio,1 os formandos de engenharia química de uma grande universidade fizeram a sua última prova final, foram à sua festa de formatura, despediram-se uns dos outros prometendo fielmente ficar em contato e se dispersaram em uma impressionante variedade de direções geográficas e carreiras. Já que você comprou este livro, provavelmente está pensando em seguir os passos desses recém-formados - passar os próximos anos aprendendo a ser um engenheiro químico e possivelmente os próximos 40 aplicando ·o que você aprendeu. Mesmo assim, é quase certo que, como a maior parte dos seus colegas, você tem apenas uma idéia limitada do que é ou do que faz um engenheiro químico. Portanto, uma forma lógica de começar este livro seria com uma definição precisa da engenharia química. Infelizmente, não existe uma definição universalmente aceita da engenharia química, e quase qualquer tipo de atividade que você possa pensar está sendo desenvolvida em algum lugar por pessoas que foram treinadas como engenheiros químicos. Portanto, vamos abandonar a idéia de formular uma definição simples e, em vez disso, vamos dar uma olhada no que aqueles recém-formados fizeram, seja imediatamente após a formatura ou depois de umas merecidas férias. Considere estes exemplos e veja se algum deles soa como o tipo de carreira que você gostaria de seguir. 2 • Cerca de 45% da turma foram trabalhar para grandes firmas fabricantes de produtos químicos, petroquímicos, polpa e papel, plásticos e outros materiais, e têxteis. • Outros 35% foram trabalhar em agências governamentais e firmas de consultoria e projeto (muitas delas especializadas em legislação ambiental e controle da poluição). • Cerca de 10% passaram diretamente para a pós-graduação em engenharia química. Os candidatos ao mestrado aprofundarão o seu conhecimento nas áreas tradicionais da engenharia química (termodinâmica, projeto e análise de reatores químicos, dinâmica dos fluidos, transferência de calor e massa, e controle e projeto de processos químicos), e em cerca de dois anos a maior parte deles defenderá a sua tese e conseguirá trabalho fazendo projetos de processos, sistemas de controle ou desenvolvimento de produtos. Os candidatos ao doutorado aprofundarão ainda mais o seu conhecimento, desenvolvendo novos projetos de pesquisa, e em quatro ou cinco anos a maior parte deles defenderá a sua tese e irá para pesquisa e desenvolvimento industrial ou para o corpo docente de uma universidade. • Os 10% restantes da turma voltaram à universidade para fazer um outro curso, em uma área diferente, como medicina, direito ou administração. • Vários foram trabalhar em empresas fabricantes de produtos químicos específicos - fármacos, tintas, pigmentos e cosméticos, entre muitos outros. Todas essas empresas costumavam contratar apenas químicos para projetar e operar os seus processos de produção, mas nas últimas décadas descobriram que, se quisessem continuar competitivas, teriam que prestar atenção a coisas como eficiência de mistura, transferência de calor, controle automático de temperatura e de nível de líquido, controle estatístico de qualidade e controle de emissão de poluentes. As empresas descobriram também que os engenheiros químicos eram treinados e educados nestes tópicos, enquanto os químicos não; nesse momento, essas indústrias se transformaram em um mercado de trabalho de crescente importância para engenheiros químicos. • Alguns foram trabalhar para companhias que fabricam circuitos integrados semicondutores. Uma etapa crítica na produção de chips de computador, por exemplo, envolve o revestimento de pequenos sanduí-

' Nos Estados Unidos, o ano escolar vai de setembro a maio, com férias de verão durante os meses de junho, julho e agosto. (N.T.) Deve ser levado em conta que os autores se referem aqui à realidade do mercado de trabalho nos Estados Unidos. No Brasil, a situação é bastante diferente. (N.T.) 2

4

Capítulo Um

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ches de silício com camadas extremamente finas e uniformes de materiais semicondutores contendo si lício. A técnica usada para este processo chama-se deposição química de vapor, na qual o material de revestimento é formado em uma reação química na fase gasosa e depois depositado sobre a superfícü do sanduíche. Os engenheiros que trabalham nesta área podem vir a ser chamados para identificar rea ções que possam ser usadas para produzir os filmes desejados, para determinar as melhores condiçõe: nas quais conduzir essas reações, para projetar os reatores e para melhorar a sua operação. Alguns cursaram disciplinas eletivas em bioquímica e microbiologia e arranjaram emprego em empre sas de biotecnologia pequenas, mas com perspectivas de rápido crescimento. Um engenheiro trabalh, no projeto de processos de produção de fármacos que envolvem enzimas imobilizadas, catalisadore: biológicos que podem fazer com que reações específicas transcorram muito mais rápido do que o farian na ausência destes materiais. Vários outros trabalham em processos que envolvem engenharia genéti· ca, na qual o DNA recombinante é sintetizado e usado para produzir valiosas proteínas e outros produ tos medicinais e agrícolas que seriam muito difíceis de se obter por quaisquer outros meios. Alguns se juntaram a companhias que fabricam polímeros (plásticos). Um está trabalhando no desen· volvimento de membranas para dessalinização de água do mar (a água potável passa através da mem brana e o sal é retido) e para separações de gases (o hidrogênio passa através da membrana e os hidro· carbonetos ficam retidos, ou vice-versa); outro está desenvolvendo membranas para serem usadas err rins artificiais de fibra oca (o sangue flui do corpo do paciente através de tubos de paredes finas; os dejetrn metabólicos no sangue passam através das paredes finas do tubo, mas as proteínas e outras substância: importantes permanecem no sangue; no fim, o sangue purificado retoma ao corpo). Quatro dos engenheiros recém-formados foram estudar medicina (engenheiros químicos que cursarr várias disciplinas eletivas em ciências biológicas costumam ter sucesso no acesso às escolas de mediei· na). Um foi estudar direito. Três entraram em um curso de MBA (Master ofBusiness Administration) e depois de completá-lo, provavelmente irão trabalhar na parte administrativa de indústrias químicas. Uma das recém-formadas juntou-se aos Corpos de Paz para um período de dois anos na África Orienta: ajudando comunidades locais a desenvolver sistemas de tratamento de esgoto e ensinando ciências e inglês em uma escola rural. Quando ela retomar, cursará um programa de doutorado, entrará para o quadre docente de uma faculdade de engenharia química, escreverá um livro definitivo sobre as aplicações ambientais dos princípios da engenharia química, progredirá rapidamente até se tomar professora titular se demitirá depois de dez anos para concorrer ao Senado dos Estados Unidos, será eleita por dois mandatos e finalmente se tomará presidente de uma grande e altamente bem-sucedida fundação privad:: dedicada à melhoria da educação em comunidades economicamente prejudicadas. Ela atribuirá o sucesso da sua carreira às habilidades de resolução de problemas que adquiriu no seu curso de graduação err engenharia química. Em vários momentos das suas carreiras, alguns dos engenheiros trabalharão em laboratórios químicos bioquímicos, biomédicos ou de ciência dos materiais, fazendo pesquisa e desenvolvimento ou engenharia de qualidade; em terminais de computador, projetando processos, produtos e sistemas de controle; em atividades de campo, administrando a construção e a partida de plantas químicas; na planta de produção, supervisionando, resolvendo problemas e melhorando a operação; na rua, prestando serviços de assistêncü e vendas técnicas; em escritórios executivos, realizando funções administrativas; em agências do governe responsáveis pela saúde e segurança ambiental e ocupacional; em hospitais e clínicas, praticando medicin:: ou engenharia biomédica; em escritórios de advocacia, especializando-se em patentes de processos químicos; em salas de aula, ensinando a próxima geração de estudantes de engenharia química.

Mesmo os engenheiros químicos que vão trabalhar em processos químicos tradicionais acabam desempenhando uma ampla variedade de tarefas. Considere o seguinte exemplo e veja se algum dos problema~ descritos se assemelha a desafios com os quais você se envolveria. EXEMPLOI

Um químico do departamento de pesquisa e desenvolvimento da sua companhia descobriu que, misturando doü reagentes em uma certa proporção e a temperatura elevada, obtém um produto significativamente mais valioso de que os reagentes. A companhia pretende fabricar esse produto usando um processo baseado nessa reação. Nesse ponto, o assunto se transforma em um problema de engenharia, ou, mais precisamente, em centenas de problemas de engenharia.

1. Que tipo de reator deve ser usado? Uma tubulação comprida? Um tanque grande? Vários tanques pequenos?

Um tubo de ensaio extremamente grande? De que tamanho? Feito de quê? Deve ser aquecido? Se deve, quantc e como? Com um aquecedor elétrico fora ou dentro do reator? Passando um fluido quente por uma serpentina dentro do reator? Aquecendo os reagentes antes de eles entrarem no reator? A reação fornece o seu própric calor, de maneira que o aquecimento é necessário apenas para dar a partida? Se isto acontece, a reação poderia

O que Alguns Engenheiros Químicos Fazem da Vida

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