Aula 11 - Balanço de massa

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Balanço de massa – 16/11/2021
Balanço de massa
Lei da conservação da massa:
“A massa de um sistema fechado permanece constante durante os processos que nele ocorrem.”
Possível calcular a quantidade dos produtos obtidos, a partir das quantidades dos reagentes adicionados ao sistema.
Desde que suas fórmulas químicas sejam conhecidas e bem como as reações que ocorrem durante o processo.
Rendimento e reagente limitante.
Técnicas de Balanço de massa
O primeiro passo para a resolução de um problema;
Esquematizar o processo num fluxograma Com todos os dados importantes disponíveis vazões, composições, reações, pressão, temperatura.
Estudar o fluxograma e os dados de modo a relacionar os diversos fluxos do processo e as quantidades das diversas substâncias que compõe estes fluxos.
Escolher a base de cálculo apropriada.
Base de cálculo: a quantidade arbitrária de reagentes ou produtos em relação à qual se referem todos os cálculos efetuados.
Selecionar o sistema em torno do qual serão feitos os balanços.
Realizar os balanços, obtendo em resultado um número suficiente de equações que permita resolver o sistema: o número de equações precisa ser igual ao número de incógnitas.
Exemplo com fluxograma
Tanque de armazenamento
Um tanque de armazenamento de água quente destinada a lavar lama de carbonato, numa instalação de recuperação de soda do processo sulfato para produção de celulose, recebe água de várias fontes. 
Num dia de operação, 240m3 de condensado da fábrica são enviados para este tanque, 80m3 de água quente contendo pequena quantidade de hidróxido de cálcio e soda cáustica vêm do lavador de lama e 130m³ são provenientes do filtro rotativo. Durante esse mesmo período, 300m³ são retirados para usos diversos, 5m³ e são perdidos por evaporação e 1m³ por vazamentos.
· Lógica
Dimensões e unidades
Reconhecer uma dimensão pelas suas unidades e saber converter se necessário.
As dimensões são os nossos conceitos básicos de medida, tais como comprimento (L), massa (M), tempo (T) e temperatura ().
Uma dimensão é uma propriedade que pode ser medida ou calculada pela multiplicação e/ou divisão de dimensões básicas como:
As unidades são valores específicos definidos por convenção para expressar as dimensões como metro, “m” para o comprimento (L), “km/h” para a velocidade e “cm3” para o volume.
· Unidades básicas ou fundamentais: unidades das dimensões básicas como:
· Unidades múltiplas: unidades que são múltiplos ou frações de unidades básicas como:
· Unidades derivadas: as unidades derivadas podem ser compostas como as obtidas pela multiplicação e/ou divisão de unidades básicas ou múltiplas como:
· Ou definidas ou equivalentes que “equivalem” às unidades compostas como:
Processos químicos: Dimensões
Importante: 
Convertendo unidades
Multiplica se a quantidade pelo fator de conversão de unidades (FC) que relaciona a unidade nova e a unidade velha.
Exemplos de conversões de unidades
Veja também que é possível converter várias unidades numa mesma linha, utilizando diferentes fatores de conversão de unidades (FC).
Variáveis de um processo
A análise dos processos químicos tem como propósito a obtenção de quantidades e propriedades das correntes de produtos a partir de quantidades e propriedades das correntes de alimentação, e vice versa•
Essas quantidades e propriedades são definidas como variáveis de processo.
Principais variáveis encontradas massa e o volume específico, a composição química, a vazão, a pressão e a temperatura.
Composição Química
· Mol e massa molar•
· Fração mássica e fração molar Fração mássica de uma substância numa mistura (xi) é a relação entre a massa da substância (mi) e a massa total ou da mistura (m).
Exemplo de composição química
O gás GLP ou gás de cozinha, contenha na sua composição 40% de propano (C3H8) e 60% de butano (C4H10) em base molar. Obtenha a composição mássica desse produto. Usando como base 100 mols.
Convertendo a composição mássica em composição molar e vice-versa:
A soma das frações é sempre igual a 100% ou 1.
· Concentração
A concentração de uma solução ou suspensão de um soluto i Ci, relação entre a massa ou o número de mols de um soluto i e o volume da solução.
Base mássica, base molar e relação concentração/fração mássica.
Vazão
Esses fluidos são transportados de um ponto a outro do processo através de tubulações.
A quantidade de matéria transportada por unidade de tempo através de tubulações é a vazão.
Pressão
A pressão é uma força (F) atuando sobre uma superfície de área (A). Assim, as unidades de pressão nos sistemas de unidades são as seguintes:
Temperatura
Segundo o famoso físico e matemático escocês Maxwell (1831 1879), a temperatura de um corpo é a medida do seu estado térmico considerado em relação a sua capacidade de transferir calor a outros corpos.
Pode se, no entanto, definir a temperatura de uma substância num dado estado de agregação (sólido, líquido ou gasoso), como sendo: a medida da energia cinética média de suas moléculas.
As duas escalas de temperatura mais comuns que utilizam o congelamento e a ebulição da água a pressão de 1 atm são as escalas Celsius (°C) e Fahrenheit (°F ).
As escalas Kelvin (K) e Rankine (°R) são escalas de temperaturas absolutas, isto é, na qual o zero absoluto tem o valor zero. 
Balanço de massa
Começar a analisar os processos químicos com base no princípio de conservação da massa.
Fundamentos de balanços de massa
A análise dos processos químicos baseia se na Lei da conservação das massas, proposta por Antoine Laurent Lavoisier (1743 1794): “na natureza nada se perde, nada se cria, tudo se transforma”.
O somatório de substâncias que sai do processo é igual a quantidade de substâncias que entram.
Processos QuímicosBatelada (batch)
Classificados de acordo com o procedimento de entrada e saída de matéria, do volume de controle e a dependência ou não das variáveis de processo com o tempo.
Entrada
e saída
de matéria
Semi-contínuos (semi-batch)
Contínuos (continuous)
Os processos podem ocorrer em estado estacionário ou regime permanente (steady-state) e em estado não estacionário ou em regime transiente.
Processos em batelada
Alimentação de uma só vez no início do processo e os produtos são retirados de uma só vez ao final do tempo reacional.
Nenhuma massa atravessa a fronteira do sistema durante o processo. 
Indicado para pequena escala. Tem exemplos na página 29.
Processos contínuos
Alimentação contínua enquanto dura o processo, os produtos fluem continuamente.
Custo operacional menor em relação aos descontínuos, a conversão é menor.
Há contínua passagem de matéria através das fronteiras do sistema. Tem exemplos na página 30.
Processos semi-contínuos
A entrada de material é praticamente instantânea e a saída é contínua e vice-versa•
Há passagem contínua de matéria através de apenas uma fronteira (entrada ou saída) do volume de controle. Tem exemplos na página 31.
Processos em estado estacionário ou em regime permanente
As principais variáveis de processo  temperaturas, pressões, vazões e composições.
Não têm seus valores alterados com o tempo podendo apresentar pequenas flutuações. Tem exemplos na página 31 e 33.
Processos em estado não estacionário regime transiente
Ocorrem alterações nos valores das variáveis de processo com o tempo.
Suponha uma reação do tipo A + B C, em que os reagentes A e B são alimentados de uma só vez num reator em batelada.
Ao longo do tempo haverá a formação e acúmulo do produto C com simultâneos consumos de A e B, a composição no interior do volume de controle varia com o tempo. Uma ou mais variáveis tiverem seus valores alterados com o tempo.
Importante saber sobre os processos
Pelas suas próprias naturezas, ocorrem em estado não estacionário ou em regime transiente, pois em ambos os casos há alteração das variáveis de processo ao longo do tempo.
Processos contínuos são projetados para serem conduzidos em regime permanente.
No entanto, em algumas situações como a de partida do processo (start-up) ou de mudanças de condições de operação, os processos contínuos ocorremem regime transiente.
Um processo pode ocorrer em regime permanente em relação a uma dada variável e encontrar se em regime transiente em relação a outra(s). Deve se analisar o processo sob a ótica da variável de interesse.
Equação geral de balançoAtravés da SC
Dentro do VC
Exemplos
1- Se a corrente de alimentação de um decantador for 10 000 kg e 40% desta corresponder ao componente A e a massa de lodo for igual a 4800 kg, sendo 80% de A. Qual será a massa de efluente e qual a composição desta corrente? Considere processo em estado estacionário.
Balanço global:
Se a matéria não vai ser criada e nem destruída e nesse processo não tem transformação química, o termo relacionado a reação vai ser nulo.
Podemos dizer que a corrente de saída é uma vazão mássica, a entrada corresponde a uma vazão de alimentação e o termo de acumulo é relacionada a vazão de massa que vai ter no sistema em relação ao tempo.
Mas se está em estado estacionário, então é regime permanente e se tem esse regime, não há acumulo.
Então pela vazão de saída e entrada:
Se na entrada tinha uma parcela de líquido e de sólido, tanto o efluente, como o iodo também vão ter uma parcela.
Balanço parcial para o componente “A”:
Para saber a quantidade de líquido:
Ou podemos fazer o balanço parcial para “B”:
Se tem 80% tem 20% no XB3
2- Em uma operação de extração a acetona foi separada da água devido a sua afinidade com o clorofórmio, solvente responsável pela extração. As correntes de entrada são de 500 kg/h Na fase extrato tem solvente e 450 kg/h de acetona, enquanto na fase refinada tem clorofórmio, água e pode conter o produto principal.
Há acetona no refinado? Considere que sua composição era de 90% na alimentação.
Determine as quantidades de cada substância, sabendo que na fase extrato há 50% de cada constituinte.450 kg/h
Ac 50%
ms=50%
900 kg/h
450 kg/h
mC
mA+AC
100kg/h
500 kg/h
100%
500 kg/h
10%
90%
Balanço de massa global:
Balanço parcial
Na corrente 2, não há acetona.