ENG FENÔMENOS DE TRANSPORTE I A

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1 ENG FENÔMENOS DE TRANSPORTE I A Profª Fátima Lopes

2 DEFIINIIÇÃO DE ENGENHARIIA: ENGENHARIIA É DEFINIDA COMO O CONJUNTO DE CONHECIMENTOS CIENTÍFICOS E TECNOLÓGICOS, COM BASE FÍSICO-MATEMÁTICA, QUE COM A TÉCNICA E A ARTE ANALISA, CRIA E DESENVOLVE SISTEMAS E PRODUTOS, PROCESSOS E OBRAS FÍSICAS, MEDIANTE O EMPREGO DA ENERGIA E DE MATERIAIS, PARA PROPORCIONAR A HUMANIDADE, COM EFICIÊNCIA E SOBRE BASES ECONÔMICAS, BENS E SERVIÇOS QUE LHES DÃO BEM ESTAR COM SEGURANÇA E CRESCENTE QUALIDADE DE VIDA, PRESERVANDO O MEIO AMBIENTE. Fonte: Sistema Experimental de Avaliação de Carreiras de Engenharia - Mercosul A ENGENHARIIA É O CAMPO DA ATIVIDADE HUMANA QUE TRATA DA CONCEPÇÃO CONSTRUÇÃO OPERAÇÃO DE ENGENHOS ARTEFATOS DISPOSITIVOS INSTALAÇÕES QUE OPERAM EM DECORRÊNCIA DE FENÔMENOS NATURAIIS PROVOCADOS PELO HOMEM, SOB CONDIÇÕES CONTROLADAS, PARA O SEU PRÓPRIO PROVEITO. A ENGENHARIIA SE SUB-DIVIDE EM DIVERSOS RAMOS EM FUNÇÃO DA NATUREZA DOS FENÔMENOS PREDOMINANTEMENTE EXPLORADOS POR CADA UM DELES, QUE SÃO PRINCIPALMENTE DE NATUREZA. MECÂNICA QUÍMICA ELÉTRICA BIOQUÍMICA NUCLEAR A ENGENHARIIA QUÍÍMIICA TRATA DAS INSTALAÇÕES CUJA FINALIDADE É TRANSFORMAR SUBSTÂNCIAS QUÍMICAS EM OUTRAS DE MAIOR INTERESSE INDUSTRIAL. ESSA TRANSFORMAÇÃO É NORMALMENTE COMPLEXA E PODE EXIGIR DIVERSAS ETAPAS.. 1

3 CADA ETAPA É CONDUZIDA EM UM EQUIIPAMENTO.. NO INTERIOR DE CADA EQUIIPAMENTO SÃO PROVOCADOS FENÔMENOS TAIS COMO: REAÇÃO QUÍMICA ABSORÇÃO ADSORÇÃO EVAPORAÇÃO CONDENSAÇÃO COMPRESSÃO EXPANSÃO AQUECIMENTO RESFRIAMENTO E MUITOS OUTROS. O CONJUNTO DAS ETAPAS CONSTITUI O PROCESSO, CUJO PROJETO E OPERAÇÃO SÃO DE COMPETÊNCIA DO ENGENHEIIRO QUÍÍMIICO. DEVIDO À VARIEDADE DE FENÔMENOS EXPLORADOS, A ENGENHARIIA QUÍÍMIICA COMPREENDE UMA VASTA GAMA DE CONHECIMENTOS, DISTRIBUÍDOS POR 4 NÍVEIS INTERDEPENDENTES, COMO MOSTRA A FIGURA QUE SE SEGUE: CIÊNCIAS BÁSICAS FUNDAMENTOS ENGENHARIA DE EQUIPAMENTOS ENGENHARIA DE PROCESSOS Fonte: Prof. Dr. Carlos Augusto Guimarães Perlingeiro COPPE/UFRJ 2

4 NO NÍVEL MAIS INTERIOR ENCONTRAM-SE AS CIIÊNCIIAS BÁSIICAS (FÍSICA, QUÍMICA, BIOQUÍMICA, FÍSICO-QUÍMICA) QUE TRATAM DA DESCRIÇÃO E DA QUANTIFICAÇÃO DOS FENÔMENOS NATURAIS ATRAVÉS DA MATEMÁTICA. NO NÍVEL SEGUINTE ESTÃO OS FUNDAMENTOS DA ENGENHARIIA QUÍÍMIICA, QUE TRATAM DA COMPREENSÃO E DA MODELAGEM MAT EMÁTICA DOS FENÔMENOS FÍSICO-QUÍMICOS QUE OCORREM NOS EQUIPAMENTOS. ESSES CONHECIMENTOS SÃO REUNIDOS EM DISCIPLINAS COMO FENÔMENOS DE TRANSPORTE, TERMODINÂMICA E CINÉTICA. O TERCEIRO NÍVEL CORRESPONDE À ENGENHARIIA DE EQUIIPAMENTOS, QUE TRATA DA CONCEPÇÃO, DO APERFEIÇOAMENTO E DO PROJETO DOS DIVERSOS EQUIIPAMENTOS DA INDÚSTRIA QUÍMICA. NESTE NÍVEL SÃO INCORPORADOS CONHECIMENTOS ACERCA DE DIMENSIONAMENTO, DE OTIMIZAÇÃO, DE SIMULAÇÃO E DE CONTROLE AUTOMÁTICO, MINISTRADOS EM DISCIPLINAS TAIS COMO OPERAÇÕES UNITÁRIAS, REATORES, TRANSFERÊNCIA DE CALOR E CONTROLE. A ENGENHARIIA DE PROCESSOS SE ENCONTRA NO ÚLTIMO NÍVEL, E TRATA DA CONCEPÇÃO, DO APERFEIÇOAMENTO E DO PROJETO DOS PROCESSOS INDUSTRIAIS. NESTE NÍVEL SÃO INCORPORADAS FERRAMENTAS COMO COMPUTAÇÃO AVANÇADA, OTIMIZAÇÃO, TEORIA DE SISTEMAS E INTELIGÊNCIA ARTIFICIAL, APROPRIADAS AO TRATAMENTO DE PROBLEMAS COMBINATÓRIOS DE PORTE ELEVADO EM TERMOS DE NÚMERO DE EQUIPAMENTOS, DE EQUAÇÕES E DE VARIÁVEIS. NA ATUALIIDADE ENGENHARIIA QUÍÍMIICA REQUER CONHECIIMENTO DE IINFORMÁTIICA E O USO DE COMPUTADORES TORNOU-SE NECESSIDADE VITAL. PANORAMA EVOLUTIIVO DA ENGENHARIIA QUÍÍMIICA O ENSINO DA ENGENHARIA QUÍMICA: Fonte: Prof Dr. João Alexandre Ferreira da Rocha Pereira - UNICAMP 1 AA FASE: ATÉ MEADOS DO SÉCULO XVIII; TOTALMENTE EMPÍRICA; INFORMAÇÕES TÉCNICAS ERAM PASSADAS NA FORMA DE SEGREDO; ESFORÇOS DE PRODUÇÃO ERAM VIOLENTOS, RUDIMENTARES E NÃO CIENTÍFICOS. 3

5 2 AA FASE: FINS DO SÉCULO XVIII; CONSEQÜÊNCIA DOS CONHECIMENTOS CIENTÍFICOS ALCANÇADOS NA ÁREA DE QUÍMICA; OS PROCESSOS COMEÇAVAM A SER COMPREENDIDOS; EMBORA AINDA COM CARACTERÍSTICAS DE RECEITUÁRIO; NESTA FASE O ENSINO DEDICAVA-SE À DESCRIÇÃO DAS INDÚSTRIAS DE MANUFATURA DE PRODUTOS. 3 AA FASE: COMEÇO DO SÉCULO XX; FORAM ENCONTRADOS ELOS COMUNS ENTRE OS DIVERSOS PROCESSOS DE MANUFATURA; INÍCIO DO ENSINO DE: OPERAÇÕES UNITÁRIAS REATORES; PERMITIA PELA PRIMEIRA VEZ, DE UMA FORMA SIMPLIFICADA, A ANÁLISE DE TODA A GAMA DE ATIVIDADES DA ENGENHARIIA QUÍÍMIICA. 4 AA FASE: INICIADA APÓS A SEGUNDA GUERRA MUNDIAL, COM O ESTABELECIMENTO: DA TERMODINÂMICA QUÍMICA DOS PRINCÍPIOS DOS FENÔMENOS DE TRANSPORTE; DO GRANDE DESENVOLVIMENTO DE CINÉTICA E REATORES; O ENSINO DA ENGENHARIIA QUÍÍMIICA FOI CIENTIFICADO (COMO OCORREU COM A FÍSICA E A QUÍMICA). NOS DIIAS DE HOJE: RÁPIDA MUDANÇA EM TODOS OS RAMOS DO CONHECIMENTO. OBSERVA-SE: O DESENVOLVIMENTO DE COMPUTADORES E TÉCNICAS DE TRANSMISSÃO E PROCESSAMENTO DE INFORMAÇÕES; EXAUSTÃO DE MATÉRIAS PRIMAS. NOVO ENGENHEIIRO QUÍÍMIICO: CONHECIMENTO CIENTÍFICO PROFUNDO NA ÁREA TECNOLÓGICA ESPECÍFICA; CONHECIMENTOS AVANÇADOS DE INFORMÁTICA APLICADA A PROCESSOS QUÍMICOS. 4

6 ENGENHARIIA DE SIISTEMAS E PROCESSOS QUÍÍMIICOS: UM CAMPO DE ATUAÇÃO DA ENGENHARIIA QUÍÍMIICA (UM DOS MAIS RECENTES) ONDE A TECNOLOGIA DE INFORMÁTICA É APLICAD A À PESQUISA E DESENVOLVIMENTO DE PROCESSOS QUÍMICOS. ABRANGE AS MAIS DIVERSAS ÁREAS DE CONHECIMENTO DO ENGENHEIIRO QUÍÍMIICO, TAIS COMO: TERMODINÂMICA APLICADA OPERAÇÕES UNITÁRIAS ESTE RAMO RESULTA ASSIM DA INTENSA APLICAÇÃO DE COMPUTADORES, SISTEMAS COMPUTACIONAIS, INFORMÁTICA E TÉCNICAS MATEMÁTICAS EM ENGENHARIIA QUÍÍMIICA. OS MODELOS SÃO A BASE PARA A SIMULAÇÃO DE UM PROCESSO, O QUAL REPRODUZ POR UM MEIO QUALQUER O QUE REALMENTE OCORRE NO SISTEMA EM ESTUDO. MODELAGEM E SIIMULAÇÃO DE SIISTEMAS E PROCESSOS QUÍÍMIICOS A MODELAGEM E A SIMULAÇÃO DE PROCESSOS QUÍMICOS TEM EVOLUÍDO MUITO NAS ÚLTIMAS DÉCADAS, DEVIDO À POPULARIZAÇÃO DOS RECURSOS COMPUTACIONAIS (MICROCOMPUTADORES, ENTRE OUTROS) COMO TAMBÉM AO GRANDE DESENVOLVIMENTO DOS MÉTODOS NUMÉRICOS APLICADOS A PROBLEMAS DE ENGENHARIIA QUÍÍMIICA. UMA DAS PRIMEIRAS APLICAÇÕES DA MODELAGEM E SIMULAÇÃO FOI REALIZADA POR ARMSTRONG E OLSON (1962) COM O OBJETIVO DE AUMENTAR A PRODUÇÃO DE UMA UNIDADE INDUSTRIAL DE PRODUÇÃO DE AMÔNIA. ATRAVÉS DOS RESULTADOS OBTIDOS DAS SIMULAÇÕES FOI POSSÍVEL AUMENTAR EM 10% A PRODUÇÃO DE AMÔNIA ATRAVÉS, SOMENTE, DE IMPLEMENTAÇÃO DE MUDANÇAS OPERACIONAIS, SEM NECESSITAR INVESTIMENTOS EM NOVOS EQUIPAMENTOS. OS MODELOS SÃO A BASE PARA A SIMULAÇÃO DE UM PROCESSO, O QUAL REPRODUZ POR UM MEIO QUALQUER (EQUAÇÕES, CORRELAÇÕES OU POR EXPERIÊNCIA) O QUE REALMENTE OCORRE NO SISTEMA EM ESTUDO. 5

7 OS MODELOS MATEMÁTICOS PODEM SER DIVIDIDOS EM DOIS GRANDES GRUPOS: a) MODELOS COM PARÂMETROS CONCENTRADOS OU SISTEMAS DISCRETOS (LUMPED SYSTEM): NÃO HÁ IMPORTÂNCIA NA DISTRIBUIÇÃO ESPACIAL. EXEMPLO: CÁLCULO DO ELV (EQUILÍBRIO LÍQUIDO - VAPOR) DE UMA MISTURA MULTICOMPONENTE. b) MODELOS COM PARÂMETROS DISTRIBUÍDOS (DISTRIBUED PARAMETER MODEL). A POSIÇÃO ESPACIAL TEM FUNDAMENTAL IMPORTÂNCIA NA CARACTERIZAÇÃO DO MODELO. EXEMPLO: REATOR TUBULAR. DEFINIÇÃO DO PROBLEMA OU OBJETIVO TEORIA EQUAÇÕES MATEMÁTICAS INFORMAÇÕES DISPONÍVEIS OU DESEJADAS VERIFICAÇÃO DOS RESULTADOS RESULTADOS MODELO TODAS ESTAS ETAPAS DEVEM SER REALIZADAS COM BOM SENSO, TENDO-SE EM MENTE AS LIMITAÇÕES SOBRE O CONHECIMENTO DA TEORIA ENVOLVIDA NO PROCESSO, AS HIPÓTESES FEITAS NA DETERMINAÇÃO DO MODELO, ALÉM DAS RESTRIÇÕES DOS MÉTODOS MATEMÁTICOS EMPREGADOS PARA A SUA SOLUÇÃO COMO TAMBÉM A DISPONIBILIDADE DOS RECURSOS COMPUTACIONAIS. PROVAVELMENTE, A ETAPA MAIS VITAL NA DETERMINAÇÃO DO MODELO É A VALIDADE DAS HIPÓTESES FEITAS, DE MODO A GARANTIR UM COMPROMISSO ENTRE A DESCRIÇÃO RIGOROSA DO PROCESSO E SUA POSSÍVEL SOLUÇÃO. DESENVOLVIIMENTO DE UM MODELO MATEMÁTIICO: PURAMENTE TEÓRICO USANDO CORRELAÇÕES ESTABELECIDAS PURAMENTE EMPÍRICO BASEADO EM DADOS EXPERIMENTAIS UMA COMBINAÇÃO DOS DOIS 6

8 COMPUTADORES DIGITAIS ANTES DO USO DOS DEPOIS DO USO DOS MODELOS MATEMÁTICOS BASTANTE SIMPLIFICADOS E FREQUENTEMENTE LINEARIZADOS (SOLUÇÃO ANALÍTICA) MODELOS MATEMÁTICOS MAIS REALÍSTICOS PODEM SER FORMULADOS, PORQUE AS TÉCNICAS NUMÉRICAS DE SOLUÇÃO PODEM SER APLICADAS MESMO SE AS EQUAÇÕES SÃO NÃO LINEARES E/OU DEVEM SER RESOLVIDAS SIMULTÂNEAMENTE. PROCESSO QUÍMICO INDUSTRIAL Matérias Primas Etapas de tratamento físico Etapas de tratamento químico Etapas de tratamento físico Produtos Reciclo Fonte: Profa. Dra. Letícia Sampaio Suñé FOCO DE ESTUDO DA ENGENHARIIA QUÍÍMIICA: ETAPA DE TRATAMENTO QUÍMICO DO PROCESSO PROJETO DE REATOR USA INFORMAÇÃO, CONHECIMENTO E EXPERIÊNCIA DE UMA VARIEDADE DE ÁREAS: TERMODINÂMICA, CINÉTICA QUÍMICA, MECÂNICA DOS FLUIDOS, TRANSFERÊNCIA DE CALOR, TRANSFERÊNCIA DE MASSA E ANÁLISE ECONÔMICA. 7

9 CUSTOS OPERACIONAIS PRODUTIVIDADE Análise Econômica Cinética Química taxa da reação (velocidade) fatores que interferem na taxa MODELAGEM CONTROLE Fenômenos de Transporte modelos de escoamento Termodinâmica Química análise do equilíbrio químico cálculo das concentrações de equilíbrio critério de estabelecimento de uma reação química entalpia de reação Fonte: Profa. Dra. Letícia Sampaio Suñé 8