PQI 2321Tópicos de Química para Engenharia Ambiental IAulas 2 a 4 – Variáveis de processo. pSistemas de unidades e conversão de unidades. Base de cálculo

Prof. Antonio Carlos S. C. TeixeiraProf. Antonio Carlos S. C. TeixeiraCentro de Engenharia de Sistemas QuímicosDepartamento de Engenharia Química – Escola Politécnica da USPEdifício Semi-Industrial, 3o andar,acscteix@usp.br

Massa

Volume

variáveis usadas em VazãoEngenharia de

Processos Composiçãop ç

Temperaturap

Pressão

t i l i it f d t iterminologia e conceitos fundamentais

PROPRIEDADE: uma característica observável, mensurável ou calculável do

i t ã t tsistema, 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 (exemplos: temperatura, pressão, densidade, concentração)

unidades do Sistema Internacional de Unidades (SI)unidades do Sistema Internacional de Unidades (SI)

unidades do Sistema Americano de Engenharia (AE)

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)22300 lb (errado)× 22300 kg (correto)

exemplo A2 1: consistência dimensionalexemplo A2.1: consistência dimensional

A equação a seguir é proposta para calcular a quedaequação a segu é p oposta pa a ca cu a a quedade pressão (P) de um fluido ao longo docomprimento (L) de uma tubulação, devido aoescoamento através do tubo, em que v é a velocidademédia do fluido, D é o diâmetro da tubulação e f é umcoeficiente adimensional chamado fator de atritocoeficiente adimensional chamado fator de atrito.

fLvP

2

21 f

D

2

A equação é dimensionalmente consistente?

exercício A2.1 – vazamento em tanque de óleo

Vazamentos em tanques de óleo têm se tornado um problemaVazamentos em tanques de óleo têm se tornado um problemaambiental, de modo que a legislação tem implementado um númerode regras para reduzir o problema. A vazão volumétrica de umvazamento a partir de um pequeno orifício em um tanque pode servazamento a partir de um pequeno orifício em um tanque pode serprevista pela equação:

PSv

261,0

Nessa equação, v é a vazão volumétrica (ft3/s); S é a área da seção.

transversal do orifício causando o vazamento (ft2); P é a diferençaentre a pressão no interior do tanque, no lado oposto do vazamento,e a pressão atmosféricas externa (lbf/ft2); é a massa específica dop ( ); póleo (lb/ft3). Quais são as unidades da constante 0,61?

1 massa (m)1. massa (m)

2. volume (V )

3. massa específica (), volume ^específico (V ) e densidade relativa

(DR)

^

(DR)

ífi d H O t tmassa específica da H2O × temperatura

= 0 99997 g/cm3 ( 1 g/cm3) @ 3 98oC ( 4oC) = 0,99997 g/cm ( 1 g/cm ) @ 3,98 C ( 4 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 contêinerprimário é instalado em uma caixa de concreto reforçada ecompletamente selada. Essas caixas são construídas moldando-se oconcreto do piso e as paredes como elementos estruturais contínuos.p pRevestimentos quimicamente resistentes nas superfícies interiores erevestimentos que atuam como barreiras à passagem de água nasuperfície exterior são também necessários. A detecção devazamentos normalmente é feita instalando-se poços demonitoramento ou sensores no material de enchimento da caixa.

Se um tanque cilíndrico de 10000 galões será enterrado em um dessessistemas de contenção, a legislação ambiental exige que o volume dosistema de contenção seja capaz de acomodar 10% do volume dot d t S f ã d i d t i l dtanque, em caso de vazamento. Se a fração de vazios do material depreenchimento (após a compactação) é de 20%, qual deve ser ovolume em ft3 de solo escavado antes de a caixa de concreto sermoldada? Se o material de preenchimento for areia quantas toneladasmoldada? Se o material de preenchimento for areia, quantas toneladasserão necessárias?

l A2 2 t d l dexemplo A2.2: tanque de armazenagem encapsulado

Um bom exemplo de raciocínio rápido de um engenheiro,usando o conceito de massa específica:p

exercício A2 2 – lagoa de tratamento de resíduosexercício A2.2 – lagoa de tratamento de resíduos

Uma lagoa de tratamento de resíduos mede 50 m de comprimento e 15 m delargura e tem profundidade média de 2 m A massa específica do resíduo élargura, e tem profundidade média de 2 m. A massa específica do resíduo éigual a 85,3 lb/ft3. Calcule o peso do conteúdo da lagoa em lbf, usando umaúnica equação dimensional. (Resposta: 4,5×106 lbf)

exercício A2.3 – descarga de resíduos de um caminhão-tanque no ambienteq

Material perdido na limpeza de tambores e tanques, após a descarga de seusconteúdos, representa não apenas perda econômica, mas também possíveis

bl bi t i A ó iá l t d l á l á tproblemas ambientais. Após esvaziá-los e antes de lavá-los com água, uma certaporcentagem 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 sobrea superfície interna do tanque após esvaziamento. Quantas libras de óleo sãodescarregadas no ambiente durante a lavagem de um caminhão-tanque de 10000gal que continha óleo de motor? (Resposta: 100 lb)g q ( p )

4 mol e massa molar4. mol e massa molar

mol: “quantidade de uma substância que contém tantasmol: quantidade de uma substância que contém tantasunidades elementares quanto os átomos que existem em0,012 kg de carbono 12” (Comitê Internacional de Pesos eMedidas, 1969)

1 mol → 6,022×1023 (SI) (número de Avogadro)

1 lb l 2 732×1026 (AE)1 lbmol → 2,732×1026 (AE)

correto: massa atômica, massa molar(e não peso atômico, peso molecular)( p , p )

í i A2 4 l édi d i t dexercício A2.4 – massa molar média de mistura de gases

Uma mistura de gases de combustão contendo CO, CO2, CH4 e N2 éUma mistura de gases de combustão contendo CO, CO2, CH4 e N2 éanalisada em um cromatógrafo a gás. O resultado da análise é dado peloseguinte cromatograma, sendo a área sob cada pico proporcional aonúmero de mols da substância indicada. Uma outra análise indicou quenúmero de mols da substância indicada. Uma outra análise indicou quea razão molar entre o metano e o nitrogênio é 0,2. Qual é a massa molarmédia dessa mistura? Qual sua composição mássica? (Resposta: 31,6g/mol; 41% N2 4 7% CH4 13 1% CO e 41 2% CO2)g/mol; 41% N2, 4,7% CH4, 13,1% CO e 41,2% CO2)

eaár

e

tempo de retenção

5. vazão (ou taxa)

í i A2 5 t d i hã texercício A2.5 – carregamento de um caminhão-tanque

Quarenta galões por minuto de um combustível (mistura dehidrocarbonetos), com densidade relativa de 0,91, escoam para umcaminhão-tanque com limite de carga de 40000 lb de combustível.Quanto tempo levará para encher o tanque do caminhão até seulimite? (Resposta: 132 min)

6 composição6. 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 molar: razão entre o número de mols de um componente e o númerofração molar: razão entre o número de mols de um componente e o número

total de mols da mistura (fração ou percentual)

• partes por milhão (ppm) e partes por bilhão (ppb): para expressarp p (pp ) p p (pp ) p p

concentrações extremamente baixas; ppm equivale à razão mássica para

sólidos e líquidos e à razão molar para gasesg

• partes por milhão por volume (ppmv) e partes por bilhão por volume (ppbv):

razão entre o volume de soluto por volume da mistura (geralmente usado

somente para gases)

exemplo A2 3: limite de HCN no arexemplo A2.3: limite de HCN no ar

O limite atual de 8 h para ácido cianídrico (HCN) em ar, definido pelaOSHA (Occupational Safety and Health Administration) dos EUA, é 10ppm. Uma dose letal de HCN em ar (informada no Merck Index) éigual a 300 mg/kgar à temperatura ambiente. Quantos miligramas deg g gar p gHCN por quilograma de ar correspondem a 10 ppm? A que fração dadose letal essa concentração corresponde?

exemplo A2.4: contaminação de água por TCE

Tricloroeteno (TCE) contido em um tambor vazou para umreservatório de água coberto de 10 m3, à vazão média de 10 L/min.Após 20 minutos o vazamento finalmente foi estancado.pDesprezando as perdas por volatilização e considerando que o TCEdissolve em água até o limite de sua solubilidade, estime a proporçãode TCE nas fases orgânica (NAPL) e aquosa em relação ao totalde TCE nas fases orgânica (NAPL) e aquosa em relação ao totalderramado. Onde o TCE será encontrado, na superfície ou no fundodo reservatório?

LNAPL

light non-aqueous phase liquidphase liquid

DNAPLDNAPL

dense non-aqueousaqueous phase liquid

exercício A2.6 – tratamento de águaexercício A2.6 tratamento de águaVinte e sete libras de gás cloro são usadas para tratar 750000 galões de águaa cada dia. O cloro efetivamente consumido na desinfecção corresponde a2,6 mg por litro de água. Qual a concentração residual (excesso) de cloro naágua tratada? (Resposta: 1,7 mg/L)

exercício A2 7 – contaminação de solo com Aroclorexercício A2.7 contaminação de solo com Aroclor

Um engenheiro ambiental constatou o rompimento de um transformadorelétrico antigo, contendo 80 kg de Aroclor 1260 com 0,5% em massa deelétrico antigo, contendo 80 kg de Aroclor 1260 com 0,5% em massa debifenilas policloradas (PCBs), resultando em um derramamento em uma áreade 12 m × 10 m e profundidade aproximada de 5 cm. Se a densidade relativado solo é de aproximadamente 1,8 qual foi a concentração de PCBs (ppm) no

exercício A2.8 – contaminação de ar com PCE

p , q ç (pp )solo estimada pelo engenheiro? (Resposta: 37 ppm)

Durante um procedimento de rotina, um engenheiro ambiental mediu aconcentração de percloroetileno (PCE) no ar, próximo de um local dearmazenamento de resíduos perigosos, era igual a 120 mg/m3. A temperaturaa a e a e to de es duos pe gosos, e a gua a 0 g/ te pe atu ae a pressão locais eram iguais a 16 oC e 730 mm Hg, respectivamente. Qualera a concentração de PCE em ppm? (Resposta: 17,8 ppm)

7 temperatura7. temperatura

escalas de temperatura

8 Pressão8. Pressão

P0

sistema estático0

P = P0+ gh

barômetro de mercúriobarômetro de mercúrio

ã t fé ipressão atmosférica ou pressão barométrica: Patm

atmosfera-padrão:p1 atm = 760 mmHg

ô t di dmanômetro medindo pressão relativa ou P manométrica (gauge)Pg

manômetro medindoP manômetro medindo pressão absoluta

Pa

P absoluta = P relativa + P atmosféricaabsoluta relativa atmosférica

ou

P = P + P

ou

P absoluta = P manométrica + P atmosférica(gauge) (barométrica)

ou

P a = P g + P atmosférica

manômetros (coluna líquida)(coluna líquida)

B dBourdon (elemento elástico)

P ( ã ét i )Pg (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 mercúrioestão conectados a um reservatório de gás de 20 m3. Se aleitura do Bourdon é de 12,3 psi, qual o valor de h em cm? Seo conteúdo do tanque está à temperatura ambiente (20 oC) e obarômetro indica 0,93 bar, quantos mol de gás há noreservatório?reservatório?

í i A2 9 i id t t d texercício A2.9 – incidente em tanque de estocagemUm grande tanque de estocagem estava cheio pela metade com um líquidoi fl á l it lú l á O t it d t ãinflamável muito solúvel em água. O tanque necessitou de manutenção notelhado. Uma vez que foi preciso soldar, o operador conectou uma mangueiraflexível no tubo de ventilação do topo do tanque e inseriu a outra extremidade damangueira em um tambor de água que estava no chão de modo a recolhermangueira em um tambor de água que estava no chão, de modo a recolherquaisquer gases de exaustão. Quando o tanque foi esvaziado, a água entrou namangueira e as paredes do tanque colapsaram. O que saiu errado nesseincidente?

exercício A2.10 – quantidade de óleo residual em tanque

U d d ól id l (DR 0 92) 10Um tanque de armazenamento contendo um óleo residual (DR = 0,92) tem 10 mde altura e 16 m de diâmetro. O tanque é fechado, mas o conteúdo de óleo podeser determinado a partir da pressão manométrica no fundo. (a) Um manômetroconectado ao fundo do tanque foi calibrado com o tanque aberto à atmosferaconectado 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 68kPa. 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 fezq p p qa leitura do manômetro. Qual a verdadeira massa de óleo residual contida notanque? (Resposta: ~1395 toneladas; ~1106 toneladas)