Introdução à Engenharia Química - Conceitos, Aplicações e Prática Computacional

Autor(es): Vivek Utgikar
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A abordagem computacional dos principais conceitos da Engenharia Química. Este livro apresenta, de maneira completa, os principais conceitos da disciplina, como: reações químicas, balanço de massa e de energia e cinética química – com apoio de ferramentas computacionais. Também detalha a profissão de engenheiro químico, aponta o funcionamento da indústria química e as possibilidades de trabalho nessa área.

Para colocar o conteúdo em prática, Vivek Utgikar faz uso do Microsoft Excel e do Mathcad®, de modo que a solução dos problemas e equações reflitam o dia a dia de uma indústria. E, ainda, ao final de cada capítulo, há problemas de cálculo que, juntamente com os exemplos, interligam-se aos dos capítulos anteriores, para enfatizar a natureza integrada dos sistemas e problemas práticos.

Não para por ai! Como complemento inovador do livro, um apêndice apresenta o mundo do software e um pacote de simulação de processos, em que são abordadas as ferramentas computacionais alternativas disponíveis para a realização de cálculos complexos em grande escala.

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Capítulo 1 A Profissão de Engenharia Química

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Engenharia é a arte de organizar forças de mudança tecnológica.

–Gordon Stanley Brown1

A Engenharia, com seu salário atrativo e crescimento continuado de demanda projetada, classifica-se consistentemente entre as profissões mais desejadas em várias pesquisas e relatórios, como aqueles publicados pelo U.S. News & World Report. Apesar disso, somente um pouco mais da metade dos estudantes que entram em cursos de Engenharia como calouros realmente obtêm o grau de engenheiro [1]. Uma das razões que contribui para essa evasão de alunos é que um estudante típico do final do ensino médio/calouro de faculdade, que entra em um curso de Engenharia, tem apenas uma limitada compreensão da profissão. Essa falta de entendimento é agravada pela inabilidade dos engenheiros de responderem a esta simples pergunta: O que os engenheiros realmente fazem? [2]. As respostas frequentemente ouvidas incluem o seguinte:

• “Um engenheiro resolve problemas”.

 

Capítulo 2 Indústrias Químicas e Afins

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A indústria química é de importância estratégica para

o desenvolvimento sustentável das economias nacionais.

– Organização Internacional do Trabalho1

Os engenheiros químicos têm tradicionalmente encontrado emprego nas indústrias químicas e afins, e estas indústrias continuam a ser seus maiores empregadores. As indústrias químicas e afins compreendem um dos mais importantes setores de transformação da economia de uma nação. Entretanto, apesar de sua significância, as indústrias não são bem entendidas pelo público em geral, parcialmente porque apenas uma pequena fração da produção dessas indústrias é um produto para o consumidor; o grosso dessa produção é matéria-prima para outras indústrias. Este capítulo apresenta uma visão geral das indústrias químicas e afins, com o objetivo de propiciar aos estudantes de Engenharia Química um entendimento de sua fonte mais provável de oportunidades de emprego.

A seção 2.1 descreve a classificação das indústrias com uma breve introdução para os sistemas usados pelos Estados Unidos e outros governos para monitorar e analisar a economia. As indústrias químicas e relacionadas são descritas nas seções 2.2 e 2.3, respectivamente, seguidas por uma discussão das maiores companhias químicas na seção 2.4. A seção 2.5 descreve alguns dos importantes produtos químicos e a seção 2.6 descreve as características gerais da indústria química. Os leitores se tornarão familiarizados com o significado das indústrias químicas e afins na economia de uma nação, assim como poderão valorizar o papel indispensável dos produtos químicos na sociedade moderna.

 

Capítulo 3 Fazendo um Engenheiro Químico

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Somente quando comecei a estudar Engenharia Química na Faculdade de

Agricultura em Oregon pude compreender que eu mesmo deveria descobrir

alguma coisa nova sobre a natureza do mundo.

– Linus Pauling1

A evolução da profissão de Engenharia e o estabelecimento da Engenharia Química como um curso de Engenharia separado e distinto foram descritos no Capítulo 1, “A Profissão de Engenharia Química”. A amplitude das opções de carreira para engenheiros químicos nas indústrias químicas e afins foi apresentada no Capítulo 2, “Indústrias Químicas e Afins”. Transformar um indivíduo em um profissional produtivo em qualquer uma das indústrias químicas e afins descritas no capítulo anterior é um desafio significativo. Por incrível que pareça, as faculdades e as universidades engajadas na educação de Engenharia Química conseguem realizar essa tarefa desafiadora, convertendo ex-alunos do ensino médio em engenheiros químicos em apenas quatro anos. A fim de entender como isso é alcançado, vale a pena olhar primeiro um típico processo químico.

 

Capítulo 4 Introdução a Cálculos em Engenharia Química

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Não se justifica que homens excelentes percam horas como escravos

calculando o que poderia ser seguramente relegado a qualquer

outra pessoa se máquinas fossem usadas.

– Gottfried Wilhelm von Leibniz1

A Engenharia Química, como todas as engenharias, é um campo quantitativo; ou seja, requer soluções precisas de problemas de alta complexidade matemática. Um engenheiro químico tem de ser capaz de modelar – desenvolver expressões matemáticas quantitativas que descrevem os processos e os fenômenos – qualquer sistema de interesse e simular – resolver as equações – o modelo. As soluções assim obtidas permitem ao engenheiro projetar, operar e controlar os processos. As disciplinas descritas no Capítulo 3, “Construindo um Engenheiro Químico”, permitem que os estudantes tenham uma base teórica para modelar os processos. A natureza das equações resultantes e as ferramentas usadas para resolver as equações são apresentadas neste capítulo.

 

Capítulo 5 Cálculos em Escoamento de Fluidos

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Grandes redemoinhos têm pequenos redemoinhos que se

alimentam de sua velocidade, e pequenos redemoinhos têm

redemoinhos menores e assim por diante até a viscosidade.

– Lewis Fry Richardson1

O cenário de uma planta de processo químico é dominado por uma malha de tubos que conectam as várias partes de um grande equipamento e que transferem material de um ponto a outro. Projetar e otimizar esse sistema de tubulações requer que um engenheiro químico tenha conhecimento dos fenômenos que ocorrem no fluido em escoamento. As disciplinas de mecânica dos fluidos e dos fenômenos de transporte explicam esses fenômenos, começando pelo nível molecular. Este capítulo apresenta os conceitos gerais relativos à natureza do escoamento de fluidos e os cálculos básicos associados.

Considere um tubo fechado em ambas as extremidades e cheio de líquido. O líquido é composto de um número muito grande de moléculas, cada uma das quais ocupa certa posição no corpo estagnante do líquido. A posição da molécula não está completamente fixa, como seria no caso de um sólido, nem completamente aleatória, como no caso de um gás. Uma molécula pode exibir um leve movimento aleatório, contudo pode ser considerada como em estado de equilíbrio dinâmico – uma posição global fixa em relação ao tempo. Agora, válvulas são abertas em ambas as extremidades do tubo e ao líquido é permitido escoar continuamente a partir da fonte a montante.

 

Capítulo 6 Cálculos Para Balanços de Massa

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Na natureza não há aniquilação,

E, portanto, a coisa que é consumida

Passa para o ar ou

É recebida em algum corpo adjacente.

– Sir Francis Bacon1

O princípio fundamental da conservação de massa estabelece que a matéria não pode ser criada nem destruída – um conceito que é passado aos estudantes às vezes tão cedo quanto a própria escola fundamental. Como a matéria não pode ser destruída, qualquer material ou parte de um material removido de qualquer lugar irá aparecer em algum outro lugar, como eloquentemente disse Sir Francis Bacon. A contabilização do material, até sua última molécula (ou átomo), é absolutamente crítica para o processo industrial, uma vez que existe um valor monetário associado às espécies químicas que constituem a matéria. Além disso, o controle dos produtos químicos também é necessário porque um grande número de produtos químicos é intrinsecamente perigoso e tem potencial para causar danos à natureza, à saúde humana e aos ecossistemas. O manuseio e o gerenciamento adequados das correntes dos processos requerem um conhecimento dos produtos químicos presentes nas correntes, suas quantidades e composições. O balanço das taxas de massa de entrada e de saída é a base fundamental da Engenharia Química e espera-se que o engenheiro químico domine a arte de balanço de massa [1]. Este capítulo apresenta inicialmente os princípios gerais do balanço de massa, bem introduz alguns de seus cálculos específicos.

 

Capítulo 7 Cálculos Para Balanço de Energia

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A soma das energias real e

potencial no universo é imutável.

– William John Macquorn Rankine1

Essa citação de William Rankine é simplesmente uma alternativa para o princípio da conservação de energia ou para a primeira lei da termodinâmica – de que a energia não pode ser criada nem destruída. Esse princípio fornece as bases para os cálculos do balanço energético realizados por engenheiros químicos. Como a energia não pode ser criada nem destruída, se um objeto ou um sistema sofrer diminuição de determinada forma de energia, essa diminuição precisa ser compensada exatamente por um aumento de outras formas de energia, inclusive calor e trabalho. A quantificação das taxas de energia permite que o engenheiro químico calcule as temperaturas das correntes de processo e unidades; os efeitos do calor (evolução ou absorção); o trabalho obtido a partir do sistema ou realizado no sistema. Como a energia e o trabalho sempre têm um valor monetário associado, é muito importante que o engenheiro químico domine os princípios do balanço energético para poder reagir às várias formas de energia e de interconversão entre essas formas, além de justificar o balanço de massa do processo químico. Este capítulo apresenta inicialmente os princípios gerais do balanço de energia e, em seguida, introduz alguns cálculos específicos do balanço de energia.

 

Capítulo 8 Cálculos de Termodinâmica Para Engenharia QuíMica

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As leis da termodinâmica...

expressam o comportamento aproximado e

provável de sistemas de um grande número de partículas.

– J. Willard Gibbs1

O princípio de conservação de energia discutido em capítulos anteriores apenas afirma que a energia total do universo é constante, e que as interconversões entre diferentes formas de energia são exatamente equilibradas. O princípio não oferece nenhuma indicação da viabilidade de determinada transformação de energia. Nada se pode inferir quanto à espontaneidade da transformação que determinado sistema pode sofrer. A termodinâmica é aquele ramo da Física e da Ciência da Engenharia que nos permite determinar e quantificar o comportamento dos sistemas em tais interconversões [1]. O princípio da conservação de energia aparece em termodinâmica como sua primeira lei. A segunda lei da termodinâmica fornece a base para a determinação da direção das transformações de energia que ocorrem espontaneamente [2]. O tratamento matemático baseado em princípios teóricos de termodinâmica permite-nos determinar não apenas a direção da transformação, mas também a eficiência da transformação, bem como as condições ao final da transformação. A termodinâmica também permite-nos determinar a energia requerida para todas as transformações desejadas.

 

Capítulo 9 Cálculos De Cinética Para Engenharia QuÍmica

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O conhecimento da taxa ou a dependência no

tempo de uma mudança química é de importância essencial

para uma bem-sucedida síntese de novos materiais.

–Yuan T. Lee1

A análise termodinâmica de sistemas segundo os princípios descritos no Capítulo 8, “Cálculos de Termodinâmica para Engenharia Química”, permite-nos determinar a magnitude, eficiência e direção das mudanças que ocorrem no sistema [1]. Infelizmente, essas análises não fornecem qualquer informação sobre a taxa na qual essas mudanças ocorrem, ou, em outras palavras, é necessária a escala de tempo para efetuar essas mudanças. Nem tampouco fornecem qualquer informação sobre o mecanismo pelo qual essas mudanças ocorrem [2]. Pode-se entender facilmente que, para que uma mudança pretendida seja economicamente benéfica, deve ocorrer em um espaço razoável de tempo. Em relação às reações químicas, as informações de escala de tempo associada com uma variação são fornecidas pela cinética química, que descreve a taxa da variação das espécies envolvida na reação no tempo [3]. A cinética para engenharia química (ou engenharia das reações químicas) combina essas informações sobre as taxas de reações com a análise do reator a fim de desenvolver uma abordagem quantitativa do projeto e da análise de reatores [4].

 

Apêndice A Introdução a Pacotes Computacionais Matemáticos

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O Capítulo 4, “Introdução a Cálculos em Engenharia Química”, introduziu uma série de problemas matemáticos encontrados por um engenheiro químico em sua carreira acadêmica e profissional. Os Capítulos 5 a 9 apresentaram alguns desses problemas e cálculos executados por intermédio de Excel e Mathcad. O Excel é, de fato, onipresente em computadores pessoais como parte do pacote Office Suite, da Microsoft. O outro software, Mathcad, não está universalmente disponível. Contudo, vários outros pacotes computacionais que oferecem recursos comparáveis estão invariavelmente disponíveis em instituições acadêmicas e organizações. Todos esses pacotes oferecem um excepcional poder baseado em PC (computador pessoal), para resolver praticamente qualquer problema no campo da Engenharia Química. Esses pacotes computacionais, em essência, eliminaram a necessidade de que se desenvolvam programas personalizados em linguagem computacional de alto nível (como Fortran), com o desenvolvimento de ferramentas específicas que atendam às necessidades computacionais particulares [1]. Uma breve introdução a outros pacotes computacionais (além do Mathcad) é fornecida neste apêndice. Esses pacotes incluem POLYMATH (www.polymath-software.com), MATLAB (www.mathworks.com/products/matlab), Maple (www.Maplesoft.com) e Mathematica (www.Wolfram.com). Este apêndice inclui a solução de um dos exemplos discutidos no Capítulo 9, “Cálculos de Cinética para Engenharia Química”, por meio de dois desses pacotes computacionais, seguida de uma breve discussão comparativa de algumas das características evidentes dos pacotes.

 

Apêndice B Cálculos Usando Software de Simulação de Processos

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Fazer cálculos é parte integrante das responsabilidades de um engenheiro químico, em particular aquele engajado no projeto de unidades de processo e plantas. Os Capítulos 4 a 9 forneceram uma introdução a alguns dos problemas e ilustraram as técnicas de solução por meio de duas ferramentas computacionais diferentes. Neste ponto, pode-se entender que um engenheiro de projeto se depara com frequência com problemas computacionais significativamente mais complexos do que aqueles descritos neste livro. Por exemplo, o fluxograma da planta de síntese de amônia foi apresentado no Capítulo 3, “Construindo em Engenheiro Químico”. Embora esse fluxograma fornecesse uma visão geral da complexidade do processo, em realidade, cada unidade do processo é consideravelmente mais complicada do que parece ser no fluxograma. Um engenheiro químico tem de fornecer informações detalhadas em cada unidade do processo, inclusive todas as correntes de massa e de energia e suas condições (temperatura, pressão, composições etc.) para uma descrição completa da planta do processo. A planta de síntese de amônia é bem complexa; contudo, mesmo as mais simples plantas de processo irão consistir em várias unidades de processamento, e os balanços de massa/de energia de todas as unidades precisam ser resolvidos simultaneamente. Além disso, muitos poucos produtos químicos nas plantas de processo obedecem ao comportamento idealizado, tanto os presentes em um composto puro como em uma mistura. A incorporação da não idealidade no comportamento de componentes e de mistura resulta em complicar as relações já complexas entre as variáveis. Em um nível computacional fundamental, uma mudança de comportamento ideal para não ideal transforma uma equação linear explícita em uma equação implícita transcendental, aumentando a complexidade da técnica de solução necessária. Expressões que seriam válidas para a integração analítica no caso de comportamento ideal não mais o serão. Do mesmo modo, formas derivadas aumentam em complexidade, e as técnicas de solução correm o risco de falhar ou de se tornarem instáveis. Parece que as demandas computacionais sobre o engenheiro químico são uma tarefa hercúlea, em particular pelo fato de o engenheiro operar invariavelmente sob severas restrições de tempo para obter soluções.

 

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