Arquitetura de laboratórios: Dimensões

Existem laboratórios para todas as necessidades, mas o nosso alvo são os laboratórios químicos e biológicos. O nível de segurança exigido governa a arquitetura laboratorial. No caso dos laboratórios químicos são as substâncias químicas que determinam o nível de segurança e, no caso dos laboratórios biológicos, os entes biológicos manipulados.
As dimensões de um laboratório  tem muito a ver com a heurística, com a ergometria e com a movimentação das pessoas, ventilação e iluminação. Uma regra é dita ser heurística quando ela é intuitiva e decorre da vivência. Por exemplo, a porta de um laboratório deve abrir obrigatoriamente para fora. Por que? Porque facilita a fuga no caso de uma emergência do tipo incêndio ou vazamento de substâncias venenosas. A ergometria afeta o dimensionamento de tudo com a dimensões média da população. Por exemplo, a largura de uma bancada não pode exceder o comprimento do braço de quem a utiliza. Finalmente, tudo isso vem da experiência acumulada ao longo do tempo.
No caso das dimensões de um laboratório, elas devem ser múltiplos de três metros.  O módulo menor é 3mx3m e o mais comum é 3mx6m. Claro que laboratório de ensino tem dimensões maiores, dependendo da quantidade de alunos, mas a regra dos múltiplos de 3m continua valendo.
Ah. os cantos das paredes, piso e teto devem abaulados para facilitar a limpeza.
O pé direito, que á a altura que vai do chão ao teto, não deve ser menor que dois metros e sessenta centímetro. No caso de laboratórios de unidades pilotos, o pé direito deve ser compatível com os equipamentos a serem colocados e operados nele. Nas áreas não laboratoriais o pé direto é dois metros e quarenta. Construir construir edificios laboratoriais consiste em juntar paralelepípedos de 3mx3mx2,60m. Ah ... parede só de alvenaria.


As janelas serão discutidas mais adiante. A área das janelas deve ser, no mínimo, 25% da área do piso.
As portas também serão discutidas noutra oportunidade, mas, como foi dito acima, devem abrir para fora. Se o laboratório possue algum nível de risco, então deve ter duas portas.

Efeito de agachamento

Em inglês é conhecido como “squat effect”.  A palavra "squat" em inglês significa agachar em português. Quando um navio passa por um canal raso ele é puxado para baixo afundando. Quanto maior a velocidade do navio maior será o afundamento. Se a velocidade dobra o afundamento quadruplica.
Isso acontece por que a água que passa embaixo do navio gera um pressão baixa semelhante a uma asa de um avião invertida. Só que no avião este efeito puxa para cima e no navio para baixo. Este afundamento é proporcional ao quadrado da velocidade do navio. Trata-se de uma aplicação direta da equação de Bernoulli.
O "Oasis of the Seas", na época o maior navio de cruzeiro do mundo, foi fabricado na Finlândia. Terminada a construção, ele deveria seguir para a Flórida onde navega até hoje. Nesta primeira viagem, ele deveria passar por baixo de uma ponte em condições muito apertadas. Levando o navio a toda velocidade, o afundamento foi de cerca de trinta centímetro, aumentando a folga para cerca de 60 centímetros. Suficiente para passar por baixo da ponte. Este efeito também explica alguns encalhamentos.
Existe um efeito bem semelhante  quando dois navios navegam próximos em rotas paralelas. A maior velocidade na região entre os navios puxa os navios para uma colisão lateral.
Em tempo: O maior navio de cruzeiro do mundo no momento é o "Allures of the Seas" operado pela mesma empresa.

Condutividade térmica

O movimento de energia cuja causa é uma diferença de temperatura é  chamado calor. É natural supor, em primeira aproximação, que a velocidade deste movimento seja diretamente proporcional à diferença de temperatura. Para ser mais preciso, o calor é proporcional ao gradiente de temperatura. Isto leva a seguinte proporcionalidade:

Como o gradiente é um vetor, o calor é também um vetor. A constante de proporcionalidade, k, é chamada condutividade térmica do material. Assim:

O sinal negativo da constante de proporcionalidade decorre do fato que o calor se move na direção contrária ao gradiente de temperatura. Esta é a lei de Fourier que rege a transferência de calor.

Existe uma grande similaridade entre a lei da condutividade de Fourier e a lei da viscosidade de Newton. Existe também, como apontou Rafael no comentário abaixo, uma semelhança maior da lei de Fourier com a lei de Fick. 

Assim, como existem materiais não newtonianos, existem materiais que não obedecem à lei de Fourier. Em geral, materiais que revelam comportamentos não newtonianos devem também revelar comportamentos não-fouriano e não fickeano. Um exemplo é a equação de Cattaneo- Maxwell

Existe uma semelhança entre esta equação e a dos fluidos viscoelásticos. Nesta equação, sigma é o chamado tempo de relaxamento. O tempo de relaxamento dá a defasagem entre a variação do fluxo de calor e a variação do gradiente de temperatura. A lei de Cattaneo-Maxwell pode ser estendida para a transferência de massa. Quando inserida na equação geral da transferência de calor a equação resultante é hiperbólica. Na sua forma mais simples é a equação do telégrafo.

Enzimas

Enzimas são proteínas que catalisam reações. Todas as enzimas são proteínas, mas existem proteínas que não são enzimas, isto é, que não catalisam reações.

Comparadas com os catalisadores inorgânicos, as enzimas são muito, mas muito mais rápidas e seletivas. Uma das explicações para a alta seletividade está na teoria da fechadura-chave mostrada na figura a seguir. Os locais de encaixe são os sítios ativos da enzima. Este modelo de ação enzimática foi proposto por Emil Fischer em 1894. Em 1957, Daniel Koshland, fez uma adaptação do modelo de Fisher, complicando um pouquinho, para ir além de um simples encaixe molecular.

A palavra substrato é usado na engenharia bioquímica com o sentido de reagente, mas também com o sentido de nutriente se células vivas estiverem envolvidas.

As enzimas são um arranjo linear de aminoácidos com um arranjo bem especifico com um arranjo espacial também bem especifico. O dobramento espacial das proteínas é uma área atual de pesquisa que está mais perto da construção de origamis.

Reator de leito de lama (slurry bed reactor)

É um reator trifásico. Nele a fase sólida, finamente dividida, é suspensa na fase líquida formando uma lama dai o nome deste tipo de reator. A fase gasosa é borbulhada nesta lama. A fase sólida em geral é catalítica.

Este tipo de reator é usado, por exemplo, na síntese do metanol. Neste caso, a fase sólida é uma gororoba catalítica que inclui o cobre, o óxido de zinco, a alumina entre outros. A alimentação é normalmente gás de síntese obtido pela reforma a vapor do metano.

Como a fase sólida está finamente dividida, um reator do tipo tanque agitado pode ser usado sem muitas preocupações com a abrasão que fica atenuada. Outro reator que pode também ser usado no modo leito de lama é o reator do tipo coluna de borbulhamento. No leito de lama não ocorre fluidização, então não se trata, portanto, de um reator de leito fluidizado trifásico, as partículas sólidas são suspensas pela agitação mecânica ou turbulenta.

Solução de equações–Método iterativo

É um método usado na solução de equações do tipo

Resolver a equação acima consiste em acha o valor de x que a satisfaz.

Para aplicar o método iterativo é necessário reescrever a equação da seguinte forma

Para realizar as iterações a equação acima tem que passar para a forma indexada

Partindo de um valor chutado x₀ calcula-se o valor x₁. O valor x₁ é usado para calcular o valor x₂. E assim por diante. A esperança é que esta sequencia de valores convirja para o valor que satisfaz a equação. Ai é que está o problema. As possibilidades são:

1. A sequência numérica converge para a solução ou, se preferir, para uma das possíveis soluções.

2. A sequência numérica diverge, descambando para o infinito e

3. A sequência não converge e nem diverge, assumindo valores nas proximidades da solução;

Neste terceiro caso, duas situações são possíveis:

1. Os valores numéricos calculados, a partir de certo valor, começam a se repetir ciclicamente.

2. Os valores numéricos calculados jamais se repetem. Neste caso, onde os valores não convergem e não divergem, nem se repetem ciclicamente, tem-se o que os matemáticos chamam de caos.

Para os que apenas querem resolver a equação só a convergência interessa. Quando

a computação é encerrada. Se, após certo número de iterações, a condição acima não é alcançada a computação é encerrada e outro valor inicial é testado.

Para alguns equipamentos industriais, a equação de balanço já resulta na forma apropriada para uso do método iterativo. Um exemplo é o reator do tipo tanque contínuo funcionando isotermicamente no regime estacionário

A forma iterativa da equação acima é

A iteração é realizada no grau de avanço. Os símbolos têm os significados usuais neste blog. A iteração é realizada considerando o grau de avanço.

Reator de leito de gotejamento (trickle-bed reactor)

Consiste num reator de leito fixo onde a fase líquida percorre o leito de cima para baixo molhando as partículas que formam o leito e saindo gotejando como acontece num chuveiro. Como a fase líquida apenas molha o leito cobrindo as partículas como uma película de forma a não preencher os vazios entre as partículas. Uma fase gasosa pode ascender percorrendo o leito de baixo para cima. Então o reator de leito de gotejamento é um reator trifásico. O seu nome em inglês é trickle-bed reactor (TBR). A figura a seguir ilustra este tipo de reator. Ele é usado na hidrodessulfurização de frações do petróleo. Neste caso o leito fixo é formado por partículas catalíticas, fase líquida é a fração processada e a fase gasosa é o hidrogênio.