Table Of ContentIli lllll
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* 1 6 7 3 3 *
TABELAS E FIGURAS SELECIONADAS
Miscelânea
Fatores para Conversão de Unidades Gl
Pesos e Números Atômicos G3-G4
Carta Psicrométrica (Umidade): Unidades SI 336
Carta Psicrométrica (Umidade): Unidades Americanas de Engenharia 337
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) 545-550
Leis para Gases (Relações PVT)
Constante dos Gases G4
Condições Normais para Gases 170
Fatores Acêntricos de Pitzer 176
Cartas de Compressibilidade 182-184
Dados de Pressão de Vapor
Carta de Cox (gráficos de pressão de vapor) 215
Pressão de Vapor da Água 553-554
Constantes da Equação de Antoine 555-556
Dados Termodinâmicos
Capacidades Caloríficas 551-552
Propriedades do Vapor Saturado: Tabela da Temperatura 557
Propriedades do Vapor Saturado: Tabela da Pressão 558-560
Propriedades do Vapor Superaquecido 561-562
Entalpias Específicas de Gases Selecionados: Unidades SI 563
Entalpias Específicas de Gases Selecionados: Unidades Americanas de Engenharia 563
Capacidades Caloríficas Atômicas para a Regra de Kopp 564
Calores Integrais de Solução e Mistura a 25ºC 564
Dados para Sistemas Específicos
Diagrama de Fase Triangular para Água-Acetona-Metil Isobutil Cetona a 25ºC 239
Diagrama Entalpia-Concentração para H S0 H 0 349
2 4- 2
Diagrama Entalpia-Concentração para NH3- H20 352
1 ' !1
. . ' ' '1 i
- ~ - ---+~~~ --~
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 = 1000 L = 106 cm3 = 106 mL
= 35,3145 ft3 = 220,83 galões imperiais = 264,17 gal
= 1056,68 qt
1 ft3 = 1728 in3 = 7,4805 gal = 0,028317 m3 = 28,317 L
= 28.317 cm3
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 = 1,01325 X 105 N/m2 (Pa) = 101,325 kPa = 1,01325 bar
= 1,01325 X 106 dinas/cm2
= 760 mm Hg a OºC (torr) = 10,333 m H 0 a 4ºC
2
= 14,696 lb/in2 (psi) = 33,9 ft H 0 a 4ºC
2
= 29,921 in Hg a OºC
Energia 1 J = 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
Potência lW = 1 J/s = 0,23901 cal/s = 0,7376 ft·lb/s = 9,486 X 10-4 Btu/s
= 1,341 X 10-3 hp
. , (2,20462 lb )
Exemplo: O fator para converter gramas em lbm e m .
1000 g
.,
,,
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: . ~/d'RAL
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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
a
l
Capítulo 1 O que Alguns Engenheiros Químicos Fazem da Vida 3
i-
Capítulo 2 Introdução a Cálculos de Engenharia 6
2.0 Objetivos Educacionais 6
2.1 Unidades e Dimensões 7
2.2 Conversão de Unidades 7
2.3 Sistemas de Unidades 8
2.4 Força e Peso 10
2.5 Estimação e Cálculos Numéricos 12
2.6 Homogeneidade Dimensional e Quantidades Adimensionais 18
2.7 Representação e Análise de Dados de Processo 20
2.8 Resumo 27
Problemas 28
Capítulo 3 Processos e Variáveis de Processo 38
3.0 Objetivos Educacionais 38
3.1 Massa e Volume 39
3.2 Vazão 41
3.3 Composição Química 42
3.4 Pressão 48
3.5 Temperatura 54
3.6 Resumo 56
Problemas 58
PARTE 2 BALANÇOS DE MASSA 71
Capítulo 4 Fundamentos de Balanços de Massa 73
4.0 Objetivos Educacionais 73
4.1 Classificação de Processos 74
4.2 Balanços 74
4.3 Cálculos de Balanços de Massa 78
xxii Sumário
4.4 Balanços em Processos de Múltiplas Unidades 91
4.5 Reciclo e Desvio 97
4.6 Estequiometria das Reações Químicas 102
4.7 Balanços em Processos Reativos 110
4.8 Reações de Combustão 125
4.9 Algumas Considerações Adicionais Acerca de Processos Químicos 133
4.10 Resumo 135
Problemas 137
Capítulo 5 Sistemas Monofásicos 164
5.0 Objetivos Educacionais 165
5.1 Massas Específicas de Líquidos e Sólidos 165
5.2 Gases Ideais 167
5.3 Equações de Estado para Gases Não-ideais 174
5.4 A Equação de Estado do Fator de Compressibilidade 181
5.5 Resumo 186
Problemas 187
Capítulo 6 Sistemas Multifásicos 207
6.0 Objetivos Educacionais 208
6.1 Equilíbrio de Fases para um Componente Puro 210
6.2 A Regra das Fases de Gibbs 216
6.3 Sistemas Gás-Líquido: Um Componente Condensável 217
6.4 Sistemas Gás-Líquido Multicomponentes 223
6.5 Soluções de Sólidos em Líquidos 231
6.6 Equilíbrio entre Duas Fases Líquidas 237
6.7 Adsorção sobre Superfícies Sólidas 240
6.8 Resumo 243
Problemas 245
PARTE 3 BALANÇOS DE ENERGIA 271
Capítulo 7 Energia e Balanços de Energia 273
7.0 Objetivos Educacionais 274
7 .1 Formas de Energia: A Primeira Lei da Termodinâmica 27 5
7.2 Energias Cinética e Potencial 276
7.3 Balanços de Energia em Sistemas Fechados 277
7.4 Balanços de Energia em Sistemas Abertos no Estado Estacionário 279
7 .5 Tabelas de Dados Termodinâmicos 284
7.6 Procedimentos de Balanços de Energia 287
7.7 Balanços de Energia Mecânica 290
7.8 Resumo 294
Problemas 296
Capítulo 8 Balanços em Processos Não-reativos 311
8.0 Objetivos Educacionais 311
8.1 Elementos em Cálculos de Balanços de Energia 312
8.2 Mudanças na Pressão a Temperatura Constante 318
8.3 Mudanças na Temperatura 319
8.4 Operações deMudança de Fase 329
8.5 Mistura e Solução 345
8.6 Resumo 355
Problemas 358
Capítulo 9 Balanços em Processos Reativos 384
9.0 Objetivos Educacionais 385
Sumário xxiii
9.1 Calores de Reação 385
9.2 Medição e Cálculo de Calores de Reação: Lei de Hess 388
9.3 Reações de Formação e Calores de Formação 390
9.4 Calores de Combustão 391
9.5 Balanços de Energia em Processos Reativos 392
9.6 Combustíveis e Combustão 404
9.7 Resumo 412
Problemas 415
Capítulo 10 Cálculos de Balanço Auxiliados por Computador 439
10.0 Objetivos Educacionais 439
10.1 A Análise de Graus de Liberdade Revisitada 439
10.2 Simulação Seqüencial Modular 445
10.3 Simulação Baseada em Equações 454
10.4 Pacotes Comerciais de Simulação de Processos 463
10.5 Considerações Finais 463
Problemas 463
Capítulo 11 Balanços em Processos Transientes 472
11.0 Objetivos Educacionais 472
11.1 A Equação Geral do Balanço ... de Novo 472
11.2 Balanços de Massa 476
11.3 Balanços de Energia em Processos Monofásicos Não-reativos 481
11.4 Balanços Transientes Simultâneos 486
11.5 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 Propriedades Físicas Selecionadas 545
B.2 Capacidades Caloríficas 551
B.3 Pressão de Vapor da Água 553
B.4 Constantes da Equação de Antoine 555
XXIV Sumário
B.5 Propriedades do Vapor Saturado: Tabela da Temperatura 557
B.6 Propriedades do Vapor Saturado: Tabela da Pressão 558
B.7 Propriedades do Vapor Superaquecido 561
B.8 Entalpias Específicas de Gases Selecionados: Unidades SI 563
B.9 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
1
Capítulo
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-forma
dos - 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 sim
ples 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 de
las 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 (termodinâ
mica, 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 pes
quisa 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, pig
mentos 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 quises
sem 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 con
trole de emissão de poluentes. As empresas descobriram também que os engenheiros químicos eram trei
nados e educados nestes tópicos, enquanto os químicos não; nesse momento, essas indústrias se transfor
maram 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.)
2 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.)
