Introdução aos Processos da Engenharia Química

Este livro se baseia nos wikibooks Introduction to Chemical Engineering Processes, da versão em língua inglesa.

Capítulo 0: Introdução

Introdução

• Objetivo do livro
• Formatação do livro
• Convite a contribuir

Capítulo 1: Pré-requisitos

Unidade

• Unidades básicas
• Consistência e Sistema de Unidades
• Como converter unidades
• Análise dimensional

Algarismos Significativos

• Por que eles são importantes? A parábola do bloco de cimento
• Como computá-los quando estamos somando
• Como computá-los quando estamos multiplicando
• Quando se arredonda 5 para baixo? E por que não arredondá-lo sempre para cima, como os professores ensinaram na escola?

Revisão de Química Geral

• Estequiometria e mols x gramas
• Gás ideal
• Entalpias e entropias de formação

Problemas do Capítulo 1

Capítulo 2: Balanços de massa elementares

O que é um balanço de massa?

• Abordagem da caixa preta
• Conservação de massa
• Equação geral da conservação
• Como se aplicam aquelas equações de conservação?
• Um pouco de notação
• O resultado final

Convertendo informações e fluxos de massa

• Introdução: variáveis derivadas vs. variáveis mensuráveis facilmente
• Fluxo volumétrico e densidade
• Velocidade e área da seção transversal
• Fruxo de massa vs. fluxo molar

Como usar o balanço de massa

• Exemplo mais complexo, correntes de uma só componente e operações múltiplas
• Desenhando fluxogramas
• Algumas conversões básicas e estratégias
• Balanços globais vs. balanços parciais

Problemas do Capítulo 2

Capítulo 3: Balanços de massa em sistemas de muitas componentes

A questão mais importante:

• A massa de cada espécie é conservada (quando não há reação)
• O uso de concentrações e fluxos totais
• Propriedades do núcleo da mistura

Resolução de problemas com múltiplas componentes

• Métodos gerais e dicas
• Conversões de unidades.
• Exemplo de problema com solução

Múltiplas componentes em múltiplos processos

• As coisas na realidade costumam sem muito mais complexas
• Análise dos graus de liberdades
• Exemplo de um problema mais complexo

Problemas do capítulo 3

Capítulo 4: Balanços de massa com reciclo

Por que usar reciclo?

• Conservar recursos
• Aumentar rendimento
• Economizar espaço
• O mais importante, economizar dinheiro

Como analisar um sistema com reciclo

• Uso de combinação e pontos de separação nos balanços
• Cuidados com respeito à análise dos graus de liberdade
• Um exemplo do efeito do reciclo em um processo de separação

Exemplo: Um sistema simples com reciclo

• Exibe outra aplicação do reciclo.

Problemas do capítulo 4

Capítulo 5: Balanços de massa/molares em sistemas com reação

Por que usar balanços molares?

• Revisão de equação estequiométrica
• Inexistência de uma "lei da conservação de moles"
• Extensões molares de uma reação
• Equação de balanço molecular em estado estacionário

Considerações para problemas com balanços moleculares

• Graus de liberdade
• Reações químicas dependentes e independentes
• Espécies inertes versus espécies reativas
• Constantes de equilíbrio (introdução/revisão da química geral)
• A extensão da reação ainda é a extensão da reação
• Exemplo de problema sem equilíbrio
• Exemplo de problema com equilíbrio

Reações com reciclo

• Exemplo de como um processo de separação pode ser usado para aumentar a eficiência

Balanços atômicos

• Conservações de moles de átomos
• A idéia geral
• Alguns exemplos específicos
• Vantagens e atalhos do método de balanço atômico

Problemas do Capítulo 5

Capítulo 6: Sistemas de múltiplas fases, introdução ao equilíbrio de fases

Análise da fase gasosa não ideal

• Gás ideal: suposição, não lei
• Conceito de equações de estado
• Equações alternativas à do gás ideal

Correlações generalizadas

• Constantes críticas
• Formas generalizadas das equações de estado
• Cartas de compressibilidade generalizadas
• Lei de Kay

Análise da fase líquida não ideal

• Coeficientes de atividade
• Coeficientes de solubilidade

Equilíbrio líquido-vaporm

• Gases ideais e soluções ideais
• Pressão de vapor; equação de Antoinne
• Lei de Raoult(Equilíbrio Líquido Vapor)
• Introdução ao ELV para sistemas não ideais
• Diagramas ELV

Equilíbrio líquido-líquido

• Fluidos imiscíveis
• Fluidos miscíveis: constante de separação, K
• Uso de reações ácido/base na separação
• Diagramas ELL

Solucionando problemas

• Ponto de bolha e ponto de orvalho
• Solucionando para concentrações de equilíbrio, temperatura e pressão
• Uso de equações de equilíbrio na solução de balanços de massa

Problemas do Capítulo 6

Capítulo 7: Balanços de energia em sistemas não reativos

Balanço de energia em estado estacionário

• Idéia por trás do balanço de energia: conservação da energia
• Formas de energia que podem ser importantes
• Formas mais comuns de energia
  • Troca de energia devido a fluxos
  • Troca de energia devido a diferenças de temperatura
  • Trocas de energia devido a diferenças de Energia Mecânica
  • Calor e trabalho
• Equação do balanço de energia para o estado estacionário

( Nota: Existem muitas, muitas, muitas formas diferentes de balanços de energia por aí para situações específicas, esta aqui é uma forma geral, mas não se preocupa nem um pouco com o interior do sistema e por isso não pode nos revelar nada sobre perfis locais de temperatura ou coisas assim. Além do mais, esta é uma forma mais útil para processos que envolvem trocas de calor, para processos mais mecânicos uma outra versão é mais usada.

• Problemas de sistemas abertos e fechados (exemplos)

Capítulo 8: Combinando balanços de massa e energia em sistemas sem reação

A idéia básica

• As incógnitas mais comuns
• O que há em comum entre os balanços?

Alguns exemplos de problemas ilustrando como combinar esses dois conceitos

• Sem mudança de fase
• Com mudança de fas

Capítulo 9: Introdução a balanços de energia em sistemas com reação

Qual é a diferença para um sistema com reação?

• Incorporando calor de reação no balanço de energia
• Juntando tudo: problema de balanço de massa/energia no estado estacionário e com reação(ões)

Apêndice 1: Métodos matemáticos úteis

Estatística básica e análise de dados

• Regressão linear
• Transformação de funções na forma linear
• Interpolação e extrapolação

Métodos numéricos de encontrar raízes de funções

• Iteração a ponto fixo e a ponto fixo com pesos
• Método da bissecção
• Regula Falsi
• Método das secantes
• Método das tangentes (Newton)

Sistemas de equações algébricas

• Explicação de sistemas e solubilidade
• Estratégias gerais
• Circunstâncias específicas: equações lineares, equações quadráticas
• Exemplos de soluções deste texto

Problemas de Métodos Matemáticos

Apêndice 2: Solução de problemas usando computadores

Excel

• Entrada de dados
• Manipulação e representação gráfica de dados
• Análise de regressão
• Busca pelo alvo

MATLAB

• Solução de sistemas com toolbox de matemática simbólica
• Regressão linear e polinomial
• Graficando funções e pontos de dados

Apêndice 3: Miscelânia de informações úteis

Unidades incomuns

• Volume padrão vs. volume real
• Tipos de moles além do grama-mol
• Pressão manométrica vs. pressão absoluta
• Libra-força vs. libra massa

Referência de operações unitárias

• Sumários de descrições de equipamentos
• Links para informações complementares

Apêndice 4: Guia de notação

Notação

• Notação usada neste livro
• Advertência sobre a não uniformidade das notações através das fontes

Apêndice 5: Leitura complementar

Chapra, S. and Canale, R. 2002. Numerical Methods for Engineers, 4th ed. New York: McGraw-Hill.

Felder, R.M. and Rousseau, R.W. 2000. Elementary Principles of Chemical Processes, 3rd ed. New York: John Wiley & Sons.

Masterton, W. and Hurley, C. 2001. Chemistry Principles and Reactions, 4th ed. New York: Harcourt.

Perry, R.H. and Green, D. 1984. Perry's Chemical Engineers Handbook, 6th ed. New York: McGraw-Hill.

Windholz et al. 1976. The Merck Index, 9th ed. New Jersey: Merck.

[[1]] (em inglês): Para uma análise mais aprofundada da química geral ( Em português: Química )

[[2]] (em inglês): Para mais informações sobre como usar o MATLAB para resolver problemas.

[[3]]: Para mais detalhes sobre como encontrar raízes e outras brincadeiras matemáticas. (atenção: está escrito em um nível razoavelmente avançado) ( Em português: Métodos Numéricos )

Apêndice 6: Links externos

Tabelas de dados

Tabela de conversão de unidades (Wikipedia)

Entalpias de formação (Wikipedia)

Tabela Periódica (Los Alamos National Laboratory)

Chemical Sciences Data Tables (em inglês): Tem uma quantidade razoável de dados úteis, incluindo uma lista de entalpias padrões e energias livres de Gibbs a 25°C (e também uma lista para íons) razoavelmente abrangenteas, um diagrama com massas molares dos elementos, constantes de equilíbrio de ácidos, produto solubilidade e potenciais elétricos. Definitivamente vale a pena checar.

NIST properties (em inglês): Você pode analisar propriedade de muitas substâncias comuns, incluindo água, muitos hidrocarbonetos leves e muitos gases. Os dados disponíveis incluem densidade, entalpia, entropia, fatores acêntricos de Pitzer, tensões superficiais, coeficientes de Joule-Thompson e algumas outras variáveis dependendo da substância e das condições selecionadas. Paraobservar dados em forma de tabela, uma vez que você tenha entrado com as faixas de temperatura e pressão que deseja, clique em "view table" (ver tabela) e então escolhaa propriedade que você quer do menu. Ele dirá as faixas aceitáveis.

Diagrama de compressibilidade generalizado (em inglês): Isto é muito útil para a seção de gases e líquidos e você deve ser capaz de encontrar uma cópia desse diagrama em qualquer livro de Termodinâmica ou no Perry's Handbook. Eu o linkei aqui para que você possa ter uma idéia do que estou falando quando escrevo sobre isso.

Coeficientes da equação de Antoine (em inglês) : NOTE que esses valores devem ser usados com logaritmo em base 10 e NÃO com logaritmo NATURAL.

Constantes críticas para vários materiais (em inglês)