PQI 3221
Cinética Química e Processos
Ambientais
Aulas 2 a 4 – Variáveis de processo.
p
Sistemas de unidades e conversão de
unidades. Base de cálculo
Prof. Antonio Carlos S. C. Teixeira Prof. Antonio Carlos S. C. Teixeira
Centro de Engenharia de Sistemas Químicos
Departamento de Engenharia Química – Escola Politécnica da USP Edifício Semi-Industrial, 3, o andar
Massa
Volume
variáveis usadas em
Vazão
Engenharia de
Processos
Composição
p
ç
t
i
l
i
it
f
d
t i
terminologia e conceitos fundamentais
PROPRIEDADE: uma característica
observável, mensurável ou calculável do
i t ã t t
sistema, como pressão, temperatura, volume etc.
PROPRIEDADE EXTENSIVA: valor é a soma dos subsistemas (partes), aditivo e proporcional ao tamanho do sistema (exemplos: massa, p p ( p ,
volume, energia)
PROPRIEDADE INTENSIVA: valor independe da quantidade de matéria ou tamanho do sistema, não muda se o sistema for subdividido
acostume-se a trabalhar com diferentes
sistemas de unidades
(SI, métrico, AE)!
Mars Climate Orbiter (NASA, 1999), US$ 125
ilhõ
(lbf
N)
milhões (lbf × N)
Avião cargueiro Corean Air Lines (Xangai 1999)
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 A2 1: consistência dimensional
exemplo A2.1: consistência dimensional
A equação a seguir é proposta para calcular a queda
equação a segu é p oposta pa a ca cu a a queda
de pressão (
P) 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
coeficiente adimensional chamado fator de atrito.
f
L
v
P
2
2
1
f
D
2
exercício A2.1 – vazamento em tanque de óleo
Vazamentos em tanques de óleo têm se tornado um problema
Vazamentos em tanques de óleo têm se tornado um problema
ambiental, de modo que a legislação tem implementado um número
de regras para reduzir o problema. A vazão volumétrica de um
vazamento a partir de um pequeno orifício em um tanque pode ser
vazamento a partir de um pequeno orifício em um tanque pode ser
prevista pela equação:
P
S
v
0
,
61
2
1 massa (m)
1. massa (m)
2. volume (V )
3. massa específica (
), volume
^
específico (V ) e densidade relativa
(DR)
ífi
d H O
t
t
massa específica da H
2
O × temperatura
= 0 99997 g/cm
3
(
1 g/cm
3
) @ 3 98
o
C (
4
o
C)
l A2 2 t
d
l d
Em sistemas de armazenagem totalmente encapsulados, o contêiner
exemplo A2.2: tanque de armazenagem encapsulado
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.p p 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
t d t S f ã d i d t i l d
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
exercício A2 2 – lagoa de tratamento de resíduos
exercício A2.2 – lagoa de tratamento de resíduos
Uma lagoa de tratamento de resíduos mede 50 m de comprimento e 15 m de largura e tem profundidade média de 2 m A massa específica do resíduo é largura, e tem profundidade média de 2 m. A massa específica do resíduo é igual a 85,3 lb/ft3. Calcule o peso do conteúdo da lagoa em lbf, usando uma
única equação dimensional. (Resposta: 4,5×106 lbf)
exercício A2.3 – descarga de resíduos de um
caminhão-tanque no ambiente
q
Material perdido na limpeza de tambores e tanques, após a descarga de seus conteúdos, representa não apenas perda econômica, mas também possíveis
bl bi t i A ó iá l t d l á l á t
problemas ambientais. Após esvaziá-los e antes de lavá-los com água, uma certa porcentagem do conteúdo do tanque permanece sobre sua superfície interior. Uma medição da água de lavagem do tanques de aço contendo óleo de motor (DR = 0 8) mostrou que 0 15% em massa do conteúdo original permanecem sobre (DR = 0,8) mostrou que 0,15% em massa do conteúdo original permanecem sobre a superfície interna do tanque após esvaziamento. Quantas libras de óleo são descarregadas no ambiente durante a lavagem de um caminhão-tanque de 10000 gal que continha óleo de motor? (Resposta: 100 lb)
4 mol e massa molar
4. mol e massa molar
mol
: “quantidade de uma substância que contém tantas
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 mol
→
6,022×10
23(SI) (número de Avogadro)
1 lb
l
2 732×10
26(AE)
1 lbmol
→
2,732×10
26(AE)
correto
: massa atômica, massa molar
(e não peso atômico, peso molecular)
í i A2 4
l
édi d
i t
d
exercício A2.4 – massa molar média de mistura de gases
í i A2 5
t d
i hã t
exercício A2.5 – carregamento de um caminhão-tanque
6 composição
6. composição
massa por unidade de volume: g/L lb/ft3 lb/bbl kg/m3 massa por unidade de volume: g/L, lb/ft3, lb/bbl, kg/m3 ...
• mols por unidade de volume: mol/L, mol/cm3, lbmol/ft3, kmol/m3 ...
• fração mássica: razão entre a massa de um componente e a massa total da • fração mássica: razão entre a massa de um componente e a massa total da mistura (fração ou percentual)
• fração molarfração molar: razão entre o número de mols de um componente e o número: razão entre o número de mols de um componente e o número total de mols da mistura (fração ou percentual)
• partes por milhão (ppm)p p (pp ) e partes por bilhão (ppb)p p (pp ): para expressarp p concentrações extremamente baixas; ppm equivale à razão mássica para sólidos e líquidos e à razão molar para gasesg
exemplo A2 3: limite de HCN no ar
exemplo A2.3: limite de HCN no ar
O limite atual de 8 h para ácido cianídrico (HCN) em ar, definido pela
OSHA (Occupational Safety and Health Administration) dos EUA, é 10
ppm. Uma dose letal de HCN em ar (informada no Merck Index) é
igual a 300 mg/kg
g
g g
ararà temperatura ambiente. Quantos miligramas de
p
g
HCN por quilograma de ar correspondem a 10 ppm? A que fração da
dose letal essa concentração corresponde?
exemplo A2.4: contaminação de água por TCE
T i l
t
(TCE)
tid
t
b
exercício A2.6 – tratamento de água
exercício A2.6 tratamento de água
Vinte e sete libras de gás cloro são usadas para tratar 750000 galões de água a cada dia. O cloro efetivamente consumido na desinfecção corresponde a 2,6 mg por litro de água. Qual a concentração residual (excesso) de cloro na água tratada? (Resposta: 1,7 mg/L)
exercício A2 7 – contaminação de solo com Aroclor
Um engenheiro ambiental constatou o rompimento de um transformador elétrico antigo, contendo 80 kg de Aroclor 1260 com 0,5% em massa de
exercício A2.7 contaminação de solo com Aroclor
elétrico antigo, contendo 80 kg de Aroclor 1260 com 0,5% em massa de bifenilas policloradas (PCBs), resultando em um derramamento em uma área de 12 m × 10 m e profundidade aproximada de 5 cm. Se a densidade relativa do solo é de aproximadamente 1,8 qual foi a concentração de PCBs (ppm) nop , q ç (pp ) solo estimada pelo engenheiro? (Resposta: 37 ppm)
exercício A2.8 – contaminação de ar com PCE
Durante um procedimento de rotina, um engenheiro ambiental 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
a a e a e to de es duos pe gosos, e a gua a 0 g/ te pe atu a e a pressão locais eram iguais a 16 oC e 730 mm Hg, respectivamente. Qual
7 temperatura
7. temperatura
barômetro de mercúrio
barômetro de mercúrio
ã
t
fé i
pressão atmosférica ou
pressão barométrica: P
atmatmosfera-padrão:
p
P
absoluta
absoluta
= P
relativa
relativa
+ P
atmosférica
atmosférica
ou
P
= P
+ P
ou
P
absoluta
= P
manométrica
+ P
atmosférica
(gauge)
(barométrica)
ou
manômetros
Bourdon
(elemento elástico)
(
)
P
(pressão manométrica)
exemplo A2 5: medindo a pressão em um
Um manômetro de Bourdon e um manômetro de mercúrio
exemplo A2.5: medindo a pressão em um
reservatório de gás
Um manômetro de Bourdon e um manômetro de mercúrio
estão conectados a um reservatório de gás de 20 m
3. Se a
leitura do Bourdon é de 12,3 psi, qual o valor de h em cm? Se
o conteúdo do tanque está à temperatura ambiente (20
oC) e o
barômetro indica 0,93 bar, quantos mol de gás há no
reservatório?
í i A2 9 i
id
t
t
d
t
exercício A2.9 – incidente em tanque de estocagem
Um grande tanque de estocagem estava cheio pela metade com um líquido
i fl á l it lú l á O t it d t ã
inflamável muito solúvel em água. O tanque necessitou de manutenção no telhado. Uma vez que foi preciso soldar, o operador conectou uma mangueira flexível no tubo de ventilação do topo do tanque e inseriu a outra extremidade da mangueira em um tambor de água que estava no chão de modo a recolher mangueira em um tambor de água que estava no chão, de modo a recolher quaisquer gases de exaustão. Quando o tanque foi esvaziado, a água entrou na mangueira e as paredes do tanque colapsaram. O que saiu errado nesse incidente?
exercício A2.10 – quantidade de óleo residual em tanque
U d d ól id l (DR 0 92) 10
Um tanque de armazenamento contendo um óleo residual (DR = 0,92) tem 10 m de altura e 16 m de diâmetro. O tanque é fechado, mas o conteúdo de óleo pode ser determinado a partir da pressão manométrica no fundo. (a) Um manômetro conectado ao fundo do tanque foi calibrado com o tanque aberto à atmosfera conectado ao fundo do tanque foi calibrado com o tanque aberto à atmosfera (Patm = 101 kPa). Um operador faz uma leitura de pressão no manômetro de 68 kPa. Qual seria a massa (kg) de óleo no tanque? (b) O operador não sabe, porém, que a pressão absoluta acima da superfície do óleo era de 115 kPa quando ele fez
q p p q
