T efluentes I (Balanços de massa)

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Instituto Superior Privado de Angola
Licenciatura em Engenharia do Ambiente
Campus do Lubango
Tratamentos de Efluentes I
Eng.º Samir Santos
Balanços de massa
Sumario 
1 - Conceitos básicos de engenharia química 
1.1- Processos Químicos
1.2- Diagrama de um Processo Químico
1.3- Reacções químicas realizadas em condições industriais 
1.4- Equação química e Estequiometria
2- Balanço de massa
2.1- Classificação de Processos
2.2- Equação Geral do Balanço
	2.2.1- Tipos de Balanço
2.3- Sistemas Monofásicos
	2.3.1- Massas específicas de líquidos e sólidos
	2.3.2- Gases ideais
2.4- Sistemas multifásicos 
3- Fluxograma de processo e P&I
3.1- Linhas de processo e de utilidades
3.2- Válvulas e acessórios de linha
3.3- Instrumentação e automação
3.4- Textos, abreviaturas e numeração de linhas e equipamentos
3.5- Simbologia
Exemplos
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1 - Conceitos básicos de engenharia química 
A indústria química recebe a matéria-prima (sólidos, líquidos, soluções, gases) e transforma em produtos que originam subprodutos e resíduos industriais.
A matéria-prima pode ser separada:
Fracções (Sem sofrer transformação química)
Outros produtos (Sofrendo transformação química). 
Para a transformação da matéria-prima em produtos são utilizados diversos princípios da química, física e da físico-química que são submetidos sequencialmente, em diferentes operações e processos:
Operações unitárias: 
Acontecem quando a matéria-prima não sofre transformação química para a obtenção de produtos. Ex: filtração, extracção, processos de separação, transporte de sólidos, etc.
Processo unitário ou conversão química: 
A matéria-prima sofre uma ou mais transformações químicas. Ex: diluição ou mistura de concentrados.
Utilidades:
Vapor, energia eléctrica, água tratada, gases, ar comprimido, etc.
Outros recursos: 
Manutenção, marketing, instrumentação, transporte, logística, etc.
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1.1- Processos Químicos
Qualquer operação ou conjunto de operações coordenadas, escolhidas pelas suas funções específicas, interligados de modo a possibilitar uma transformação física ou química de uma matéria-prima (um material ou misturas de materiais) em um produto de interesse, de forma económica, segura e em escala comercial.
Têm como objectivo a obtenção de produtos desejados a partir de matérias-primas seleccionadas ou disponíveis. 
Os processos químicos são do ponto de vista de produção industrial, desenvolvidos dentro da chamada indústria química que se divide em diversas ramificações.
Definido o produto desejado, é necessária informação essencial quanto as possíveis matérias-primas, o seu preço no mercado, a sua demanda e a qualidade requerida pelo mercado .
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A estrutura dos processos químicos e bioquímicos pode ser dividida em 4 fases por meio de um diagrama.
NOTA: (MP- Matéria-prima, P- Produto, SP- Subproduto, R- Resíduos)
Ao analisar um processo é sempre possível identificar as etapas de tratamento, reacção, separação e purificação. 
Estas etapas podem ser formadas por mais de um equipamento.
1.2- Diagrama de um Processo Químico
MP
P 
SP
R
Tratamento 
Purificação 
Separação 
Reacção 
Armazenamento produto 
MP 
MP 
MP 
R
R
P
R
P
SP
Vendas 
P
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REACÇÃO é a parte principal (núcleo) de um processo químico. Os materiais são misturados (Reactor) sob condições que promovam a produção do produto desejado. 
SEPARAÇÃO é o processo de separação dos produtos de qualquer material não reagido. Pode retornar directamente ao reactor, a fase de preparação para alimentação no reactor ou ir para a purificação. 
PURIFICAÇÃO, onde o produto principal (Final) é testado e seleccionado em conformidade com as especificações técnicas e exigências de qualidade antes de ir para o consumidor. 
ARMAZENAMENTO é a fase de acondicionamento adequado (Instruções de utilização, rótulos, recipiente) do produto final. Ex: Sólidos serão empacotados, líquidos armazenados em tambores ou tanques e gases em cilindros pressurizados. 
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Os reactores químicos podem ser de vários formatos, dimensões e materiais, dependendo das condições em que a conversão química se realiza. 
Os reagentes em excesso podem ou não retornar ao processo, por processos de recirculação ou reciclagem.
Para melhoramento de produtividade, os reagentes utilizados em determinados processos químicos são adquiridos e colocados por excesso em relação às quantidades teóricas determinadas por cálculos matemáticos e equações químicas.
1.3- Reacções químicas realizadas em condições industriais 
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1.4- Equação química e Estequiometria
A equação química dá várias informações qualitativas e quantitativas essenciais para o cálculo das massas dos materiais envolvidos em um processo químico, como por exemplo o trióxido de enxofre: 
A equação química nos fornece, em termos de moles, as razões entre reagentes e produtos, chamadas razões estequiométricas. 
A Estequiometria é a teoria das proporções nas quais as espécies químicas se combinam.
Uma equação estequiométrica válida deve estar balanceada, isto é, o número de átomos de cada espécie atómica deve ser o mesmo nos dois lados da equação, pois não há geração nem destruição de átomos em uma reacção química.
			
	 2 moles	1 mol	 2 moles
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Coeficientes Estequiométricos:
2 mol de SO2 + 1 mol de O2 → 2 mol de SO3
Indicam o número de moles de cada espécie química envolvida na reacção química, que a torna balanceada.
São escritos no lado esquerdo de cada símbolo correspondente às espécies químicas presentes. 
Os coeficientes estequiométricos são:
2 para o SO2 ;
1 para o O2 ;
2 para o SO3
Sendo as massa moleculares das substâncias envolvidas na reacção:
SO2 (32 + 16 x 2) = 64 g;
O2 16 x 2 = 32 g;
SO3 (32 + 16 x 3) = 80 g
tem-se, em base mássica:
Reagentes: 2 x 64 + 2 x 16 = 160 g no total ;
Produto: 2 x 80 = 160 g no total ;
Princípio da conservação da massa, onde, o numero de átomos dos reagentes é igual ao dos produtos.
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Razão Estequiométrica: (re)
A razão estequiométrica entre duas substâncias que participam de uma reacção química é a razão entre os seus respectivos coeficientes estequiométricos, estando a equação balanceada.
A razão estequiométrica pode ser utilizada como um factor de conversão que permite calcular a quantidade de um reagente (ou produto) que é consumido (ou produzido), quando é fornecida uma quantidade de um outro composto que participa da reacção.
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O balanço de massa (Balanço material) é uma aplicação do princípio da conservação da massa para a análise de sistemas físicos. 
A lei de conservação usada na análise de um sistema depende do contexto do problema, mas tudo é resolvido pela conservação da massa, que matéria não pode desaparecer ou ser criada espontaneamente.
A sua avaliação é efectuada pela entrada e saída de material de um sistema.
Sem esta técnica os fluxos de massa podem ser:
Desconhecidos
Difíceis de serem conhecidos
2- Balanço de massa
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A lei de conservação de massa diz:
“Quando ocorrem reacções químicas, a matéria não é criada nem destruída (embora em reacções nucleares massa possa ser convertida em energia)”. 
O que esse conceito nos permite fazer é observar o movimento dos materiais (ex. poluentes) de um lugar para outro, com equações de balanço de massa.
A análise de balanço de massa pode ser definida por:
Área particular no espaço que será analisada. Exemplos: um simples tanque de mistura química até uma usina de carvão, um lago, etc. 
Desenhar um limite imaginário ao redor de uma região/área.
Identificar um fluxo de matéria através das fronteiras, como também a acumulação de material dentro da região.
Uma substância que entra na região tem três possíveis destinos:
Podem deixar a região sem mudanças
Podem ficar acumuladas dentro da região
Podem ser convertidas em outras 
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As seguintes equações de balanço de massa podem ser escritas para cada substância de interesse:
(Taxa de entrada) = (Taxa de saída) + (Taxa de conversão) + (Taxa de acumulação) 
Esta a equação pode ser simplificada:
Quando as condições de regime permanente ou equilíbrio (Não variacom o tempo). O sistema mantem constante as suas alimentações ('inputs'), por tempo suficiente, que qualquer transiente (quando um corpo é aquecido devido à diferença de temperatura com outro corpo), teve tempo de dispersar-se. As concentrações dos poluentes são constantes, a taxa de acumulação é zero.
Quando uma substância é conservada dentro da região em questão. Não ocorre reacção química, decaimento radioactivo ou decomposição bacteriana. Para tais substâncias conservativas (Sólidos totais dissolvidos em um corpo de água, metais pesados em solos, dióxido de carbono no ar), a taxa de conversão é zero.
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Processos em batelada
A alimentação é carregada no sistema no inicio do processo.
Os produtos são retirados todos juntos depois de algum tempo. 
Não existe transferência de massa através dos limites do sistema entre o momento da carga da alimentação e o momento da retirada dos produtos.
Processos Contínuos
As entradas e saídas fluem continuamente ao longo do tempo total de duração do processo.
Processos em Semibatelada ou Semicontínuo 
Qualquer processo que não é nem contínuo nem em batelada.
2.1- Classificação de Processos
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A equação de balanço geral pode ser escrita para qualquer material que entra ou sai de qualquer sistema de processo; 
Pode ser aplicada para a massa total desse material ou para qualquer espécies molecular ou atómica envolvidas no processo.
Um balanço de uma quantidade conservada (massa total, massa de uma espécie particular, energia, momento) em um sistema (uma unidade, uma série de unidades ou um processo completo) pode ser escrita na seguinte forma geral:
entrada entra através das fronteiras do sistema;
geração produzido dentro do sistema; 
saída sai através das fronteiras do sistema;
consumo consumido dentro do sistema; 
acúmulo acumula-se dentro do sistema;
2.2- Equação Geral do Balanço
entrada + geração - saída - consumo = acúmulo
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A equação de equilíbrio geral pode ser simplificada de acordo com o processo.
Ex.: Por definição, a variável da acumulação para um processo contínuo em estado estacionário é zero, logo:
Para processos físicos, uma vez que não há reacção química, as variáveis da geração e o consumo é zero, e a equação de equilíbrio para o processo físico de estado estacionário será simplesmente reduzida: 
entrada + geração = saída + consumo 
entrada = saída
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Balanço diferencial:
Indica o que está acontecer no sistema em um determinado instante de tempo. 
Cada termo da equação do balanço é uma taxa e tem as unidades da quantidade balanceada divididas por uma unidade de tempo. 
Este tipo de balanço é usualmente utilizado em um processo contínuo.
Balanço integral:
Descreve o que acontece entre dois instantes de tempo.
 Cada termo da equação é então uma porção da grandeza balanceada e tem as unidades correspondentes. 
Este tipo de balanço é normalmente aplicado a processos em batelada.
2.2.1- Tipos de Balanço
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2.3- Sistemas Monofásicos
Os principais problemas em análises de processos são:
Raramente vêm com informações completas.
As propriedades físicas relacionadas a cada material do processo têm de ser determinadas.
Depois de determinadas são usadas para deduzir relações adicionais entre as variáveis do sistema.
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Quando se aquece um sólido ou líquido, este normalmente expande-se. 
Na maior parte das aplicações de processos, assume-se:
As massas específicas de sólidos e líquidos são independentes da temperatura. 
Mudanças na pressão não ocasionam mudanças significativas na massa específica de sólidos ou líquidos, portanto, estas substâncias são denominadas incompressíveis.
A maneira mais exacta de determinar a massa específica de uma mistura de líquidos ou de uma solução de um sólido em um líquido é a partir de dados experimentais.
2.3.1- Massas específicas de líquidos e sólidos
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2.3.2- Gases ideais
Para problemas envolvendo gases, precisa-se de uma expressão que relacione o volume específico com a temperatura e a pressão.
A equação de estado dos gases ideais pode ser deduzida da teoria cinética dos gases, admitindo-se que as moléculas de gás têm um volume desprezível, que não exercem forças uma sobre as outras e que colidem de forma elástica entre si e entre as paredes dos recipientes.
Onde:
P pressão absoluta do gás
V volume (vazão volumétrica) do gás
N número de moles (vazão molar) do gás
R constante dos gases 
T temperatura absoluta do gás
 P.V = n.R.T
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2.4- Sistemas multifásicos 
Todas as operações de mudança de fase, de uma espécie pura para separação dos componentes (uns dos outros) de uma mistura.
Fases: congelação, fusão, evaporação e condensação.
Processos de separação e purificação.
Ex.: Remoção de dióxido de enxofre de uma corrente gasosa; recuperação de metanol de uma solução aquosa.
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3.0- Fluxograma de processo e P&I
São desenhos esquemáticos que mostram o arranjo funcional de todos os sistemas e equipamentos de processo e utilidades. São uma das formas mais utilizadas de documentar e obter as informações de um processo e são elaborados principalmente por equipes de tubulação e mecânica com supervisão da equipe de processos e complementados pela instrumentação e automação. Esse documento multidisciplinar deve mostrar todos os equipamentos, toda a tubulação e a instrumentação ligada ao processo.
Na sua construção são utilizadas uma série de normas internacionais e identificados por:
Fluxograma de Engenharia: Diagramas P&I (Diagramas para Tubulação e instrumentação),
Fluxogramas de Processo: Diagramas PFDs (Diagramas para fluxograma do Processo). 
Estas normas foram criadas e adoptadas em diversos países pelas suas equipes técnicas que apresentam e sugerem o uso de símbolos gráficos para representação dos diversos instrumentos e suas funções atribuídas nas redes de instrumentação. 
No entanto, uma das normas mais utilizadas em projectos industriais é a estabelecida pela ISA (Instrument Society of America). 
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O fluxograma de engenharia (P&ID) tem por objectivo nortear o detalhamento mecânico e de tubulação. O P&ID contém todos os dados dos equipamentos, da tubulação e da instrumentação e automação ligada ao processo.
Os “Fluxogramas de Utilidades” e “Fluxogramas de Água de Combate ao Incêndio” deverão ser elaborados em desenhos exclusivos. Os “Fluxogramas de Engenharia” deverão ser separados por área de actividade ou de processo industrial e representados em desenhos exclusivos.
Adoptar os símbolos já consagrados e/ou normalizados. Os símbolos devem ter um formato mnemónico quando não definidos por simbologia já consagrada. Conservar a relação de tamanho dos equipamentos para a simbologia. Equipamentos de mesma simbologia, porém de tamanhos muito diferentes, devem ser representados com tamanhos diferentes no fluxograma. Dispor os equipamentos na folha de desenho conservando a topologia do arranjo de equipamentos.
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3.1- Linhas de processo e de utilidades
As linhas devem ser diferenciadas pela espessura: grossa e média. 
Todas as linhas devem preferencialmente ser desenhadas na horizontal ou na vertical. 
As linhas de processo com espessura grossa e as linhas de utilidades com espessura média. 
O sentido de fluxo deve ser preferencialmente da esquerda para a direita. 
Linhas por gravidade devem ter fluxo vertical de cima para baixo ou horizontal. 
Linhas sob pressão podem ter fluxo vertical de baixo para cima. 
Linhas paralelas devem ser afastadas entre si e dos equipamentos.
No cruzamento de linhas deve ser interrompida a linha vertical.
Indicar o sentido de fluxo no final dos trechos horizontais e verticais e nos pontos de interligação. 
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Devem ser indicadas, sempre que possível, de tal forma a se deduzir os locais a serem instaladas. 
Indicar a simbologia adoptada no próprio desenho de isométrico ou emitir desenho de simbologia. 
Todas as válvulas das linhas de processo e de utilidades são representadas com o mesmo tamanho
3.2- Válvulas e acessórios de linha
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As linhas deverão ser de espessura fina. 
Não há necessidade de interromper as linhas de instrumentaçãoquando do cruzamento com linhas de processo ou de utilidades e vice-versa. 
As válvulas dos instrumentos podem ser representadas com um tamanho ligeiramente menor que as válvulas do processo.
3.3- Instrumentação e automação
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Os textos devem ser escritos preferencialmente em letras maiúsculas na horizontal. 
Apresentar a legenda com as abreviaturas utilizadas no fluxograma e a numeração das linhas e equipamentos. 
Numerar uma linha somente em um único ponto, preferencialmente na horizontal e acima da linha. 
Linhas paralelas devem ser numeradas segundo uma coluna. 
Linhas verticais devem ser numeradas com uma linha de chamada na horizontal. 
Equipamentos de pequenas dimensões devem ter a numeração o mais próximo possível do símbolo. 
Equipamentos de dimensões maiores podem ter sua numeração no interior do símbolo. 
Na numeração das linhas e equipamentos, seguir uma sequência lógica entre o fluxograma e o arranjo de equipamentos (layout).
3.4- Textos, abreviaturas e numeração de linhas e equipamentos
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3.5- Simbologia
Os símbolos de equipamentos do P&ID também devem ser simples e objectivos, porém, por se tratar de um documento multidisciplinar, devem constar todos os dados dos equipamentos, da tubulação e da instrumentação e automação ligada ao processo.
A simbologia de instrumentação deve ser conforme as normas adoptadas internacionalmente (ANSI/ISA).
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Exemplos
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Por exemplo, o tag PDAL-101-02 B, deve ser lido da seguinte forma:
O instrumento PDAL-101-02 B significa: 
Alarme de baixa de diferença de pressão. 
Utiliza-se o sufixo para diferenciar entre os diversos instrumentos com a mesma funcionalidade instalados no processo.
	Identificação Funcional		Identificação da Malha		
	Variável
PD
Pressão / Diferença	Função
AL
Alarme / Baixo (Low)	Número da Malha
101
Número sequencial da malha	Área/Unidade
02
Número da unidade ou planta	Sufixo
B
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