Aula 3 - Representação e Balanco de Massa_Parte 1

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Cap 2. Elementos e Representações 
de Processos Químicos
Prof. Marcus Vinicius C. Tolentino
Referência bibliográfica:
Princípios Elementares dos Processos Químicos, 4ª edição
FELDER, Richard M.; ROUSSEAU, Ronald W.; BULLARD, Lis..
Processos de Fabricação Química
MACHADO, Luis Sidnei Barbosa
Processo versus operações unitárias
Processo : é denominado todo o sistema que promove a obtenção do produto.
Operações unitárias são as etapas do processo para obtenção do produto.
Tipos de Processos
Processo em Batelada (Descontinuo): A alimentação de matérias-primas é feita
no inicio do processo e os produtos são retirados todos juntos depois de algum
tempo .
Como é feito?
Adicionar rapidamente os reagentes a um tanque e retirar os produtos eAdicionar rapidamente os reagentes a um tanque e retirar os produtos e
reagentes não consumidos algum tempo depois de o sistema ter atingido o
equilíbrio.
Exemplos: Polimerização ,
fabricação de produtos
farmacêuticos, etc.
O processo descontínuo é utilizado
quando o volume de produção é
pequeno, quando o custo de produção é
mais favorável que o do processo
contínuo ou quando condições de
segurança são fundamentais.
Processos Contínuos: As entradas e saídas fluem continuamente ao longo do
tempo total de duração do processo.
Exemplo: Bombear uma mistura de líquidos para uma coluna de destilação com
vazão constante e retirar de forma constante as correntes de líquido e de vapor
no fundo e no topo da coluna.
Necessário: 
-Instrumentação capaz de controlar variáveis do processo ( temperatura, vazão, pressâo);
- Controle Informatizado do Processo;
- Custos são altos para pequenas produções, mas se diluem com o aumento da produção.
Representação dos Tipos de Processos
Processos em semibatelada (ou semicontínuos): Qualquer processo que não é
nem contínuo nem em batelada.
Exemplos: Permitir que o conteúdo de um tanque pressurizado escape para a
atmosfera; misturar lentamente vários líquidos em um tanque sem nenhuma
retirada.
Processo em Condição Estacionário: os valores de todas as variáveis no processo
(quer dizer, temperaturas, pressões, volumes, vazões etc.) não variam com o
tempo, excetuando possíveis flutuações menores em torno de valores médios
Tipos de Processos
tempo, excetuando possíveis flutuações menores em torno de valores médios
constantes, se diz que o processo está operando em estado estacionário.
Processo em Condição Transiente: Se qualquer das variáveis do processo muda
com o tempo, diz-se que a operação é transiente ou no estado não estacionário.
Observação: Os processos em batelada e semibatelada são transientes por
natureza, enquanto os processos contínuos podem ser tanto estacionários quanto
transientes.
Classifique os seguintes processos como em batelada, contínuos ou semicontínuos,
e como transientes ou no estado estacionário.
1. Um balão é enchido com ar a uma taxa constante de 2 g/min.
R.:
2. Uma garrafa de leite é tirada da geladeira e deixada sobre a mesa da cozinha.
R.:
Tipos de Processos
3. Água é fervida em um recipiente aberto.
R.:
4. Monóxido de carbono e vapor de água alimentam um reator tubular com uma vazão
constante e reagem para formar dióxido de carbono e hidrogênio. Os produtos e reagentes
não usados são retirados pelo outro extremo do reator na mesma taxa que os reagentes
alimentam o processo. A temperatura é constante e a composição e vazão da corrente de
reagentes que entram no processo são também independentes do tempo. Classifique este
processo (a) no início e (b) depois de um longo período de tempo
R.:
Diagrama de Processos
Aplicação do Diagrama de Fluxo de Processos: Representa as operações
(reatores, separadores, misturadores, etc.) de um processo, além de especificar
frações mássica, molares, vazões presentes em cada etapa do processo
Vantagem na sua utilização:
- O fluxograma facilita muito a interpretação e o entendimento do processo;
- Reúne um imenso número de informações em uma simples imagem.
Tipos de Fluxograma de Processos
Os três tipo de diagramas usados para descrever os fluxos de correntes químicas
através de um processo são:
-Fluxograma de Blocos ( block flow diagrams – BFD)-Fluxograma de Blocos ( block flow diagrams – BFD)
- Fluxograma do Processo ( process flow diagram – PFD)
- Fluxogramas de tubulação e instrumentação ( piping and instrumentation
diagram – P&ID)
Fluxograma de Blocos
Permite a rápida visualização do processo
Cada bloco ou retângulo representa uma operação unitária ou processo unitário
Fluxograma do Processo
Fluxograma de Tubulação e Instrumentação
Fluxograma de Processo Industrial
Em um projeto o ideal é sempre partir do mais simples para o mais complexo,
ou seja, começar pelo desenho do BFD e por último o P&ID.
Essa abordagem é importante não só por ser um método mais simples, mas
principalmente por que durante o desenvolvimento do projeto diversas
decisões devem ser feitas que não dependem somente do engenheirodecisões devem ser feitas que não dependem somente do engenheiro
projetista, mas também do cliente, da disponibilidade de fornecedores e de
legislações.
Assim, conforme as grandes decisões do processo vão sendo tomadas
podemos passar a prestar atenção em detalhes sem arriscar que muita coisa
tenha que ser refeita.
Vamos Construir um Fluxograma de Blocos
Represente através do fluxograma de Blocos, o processo descrito a seguir, especificando
operações e espécies químicas que reagem. Não deixe de representar as espécies químicas
que não reagem e as que não reagem por completo e são liberadas para as outras etapas
do processo.
Processo: Suponha que um gás contendo N2 e O2 é combinado com propano em uma
câmara de combustão em batelada na qual parte do O2 (mas não todo) e o C3H8 reagem
para formar CO2 e H2O, e que o produto é então resfriado, condensando a água. O
fluxograma deste processo de duas unidades pode ser como aparece na Figura.
Exemplo 1
Dicas Construção de Fluxogramas
A seguir, várias sugestões para rotular o seu diagrama de fluxo de modo a tirar
o maior proveito possível dele em cálculos de balanços de massa.
- Escreva os valores e as unidades de todas as variáveis das correntes
conhecidas na localização apropriada no diagrama. Por exemplo, uma corrente
contendo 21% molar O2 e 79% molar N2 a 320°C e 1,4 atm fluindo com uma
vazão de 400 mol/h pode ser rotulada
A massa não pode ser criada nem destruída, porém, pode ser transformada”
Caracteristicamente, os balanços de massa levam em consideração todas as entradas
(alimentações dos processos produtivos) e as saídas, que são os pontos de
recolhimento de produtos, subprodutos, resíduos do processo produtivo (gasosos,
líquidos e sólidos). Observe:
Balanço de Massa
Balanço de Massa
Caso as variáveis: geração, saída e consumo estejam presentes no processo
analisado, estas devem ser descritas na equação do balanço de massa.
Exemplo da aplicação da equação geral do balanço
A cada ano: 50.000 pessoas se mudam para uma cidade; 75.000 pessoas
abandonam a cidade; 22.000 pessoas nascem; 19.000 morrem.
Balanço de Massa
Resolução:
Acúmulo = Entrada + Geração – Saída – Consumo 
Com a análise dos dados, é possível enquadrá-los em cada uma etapa
do esquema acima. Entrada = 50.000 pessoas/ano; Geração = 22.000
pessoas/ano; Consumo = 19.000 pessoas/ano; Saída = 75.000
pessoas/ano; Acúmulo = ??? pessoas/ano.
Acúmulo = Entrada + Geração – Saída – Consumo 
Acúmulo = 50000 + 22000 – 75000 – 19000 Substituindo na equação
geral do balanço de massa
Acúmulo = - 22.000 pessoas/ano Assim sendo, a cada ano, a população da cidade 
diminui em 22.000 habitantes. 
Balanço de Massa – Processos Contínuos sem reação
-Quando o processo é continuo não há acúmulo de massa. Acumulo =0;
- Se considerarmos que neste processo não a reação química, as 
variáveis : Geração = 0 e Consumo = 0.
- Assim a equação geral do balanço de massa é resumida em:
Como Resolver um Problema de Balanço de Massa?
Exercício de Balanço de Massa
Exemplo 2
Resolução do Exercício deBalanço de Massa
Resolução do Exercício de Balanço de Massa
E qual é o valor de recuperação do Benzeno?
Fluxograma
Resolução do Exercício de Balanço de Massa
2) Em uma coluna de extração temos uma solução aquosa contendo 37 %
em peso de composto A, o qual foi extraído com 45 kg Xilol, obtendo-se
assim 2 soluções, uma com 40 % em peso de A em xilol e a outra com 10%
em peso de A em água. Calcule a massa da solução aquosa, ou seja do
resíduo.
Exemplo 3
Resolução:
BMP (Balanço de Massa Parcial):
Água: F=R 0,63.F=0,9.R R=0,7.F (Equação 1)
Composto A: 0,37.F=0,4.E+0,1.R 0,37.F=0,4(75)+0,1.R 
0,37.F=30+0,1.R (Equação 2)
Substituindo a equação 1 na equação 2
0,37.F=30+0,1.R 0,37.F=30+0,1(0,7.F) 0,30.F=30 F=100 kg
Deseja-se secar 5000 kg de um produto contendo 25 % de água com ar quente 
contendo 5% em peso de água. O produto final apresenta 3% em peso de água 
e o ar sai com 20 % em peso de água. Calcule a massa de ar quente necessária.
Fluxograma
Exemplo 4
Resolução:
BMT (Balanço de Massa Total):
A + B = C + D (Equação 1)
BMP (Balanço de Massa Parcial):
Produto: B = D 0,75.B = 0,97.D 0,75.(5000) = 0,97.D 
D = [0,75.(5000)] / 0,97 = 3866 Kg
Ar: A=C 0,95.A=0,8.C A=0,8.C/0,95 A=0,8421.C (Equação 2)
Substituindo equação 2 na equação 1
A+B = C+D 0,8421.C+5000 = C+3866 C−0,8421.C = 5000−3866 
C = 1134 / 0,1579 = 7181,76 Kg
Agora substitui esse resultado na equação 2
A = 0,8421C A = 0,8421.(7181,76) = 6048 Kg
Balanço de Massa – Processos em Batelada
Expressão para o balanço de massa no regime em batelada do processo
A expressão acima é resultante da determinaçãoA expressão acima é resultante da determinação
que não há acumulo em sistemas de batelada. A
mesma quantidade que entra no sistema será a
quantidade que sai. (Acúmulo = 0)
Vamos aplicar um exemplo para este caso. Segue no próximo slide 
Exemplo : Balanços em um Processo de Mistura em Batelada Duas misturas metanol-
água estão contidas em recipientes separados. A primeira mistura contém 40,0% em
peso de metanol e a segunda contém 70,0%. Se 200 g da primeira mistura são
combinados com 150 g da segunda, quais são a massa e a composição do produto?
Balanço de Massa – Processos em Batelada
Equação geral balanço de
massa processo em
batelada
Solução: Observe que as “correntes” de entrada e saída mostradas no esquema
representam os estados inicial e final para este processo em batelada. Já que não há
reações químicas envolvidas:
Geração = 0 e Consumo = 0
Assim, a equação do balanço pode ser expressa para este caso como:
Entrada inicial = Saída final
Continua a resolução do exemplo:
Exemplo : Balanços em um Processo de Mistura em Batelada Duas misturas metanol-
água estão contidas em recipientes separados. A primeira mistura contém 40,0% em
peso de metanol e a segunda contém 70,0%. Se 200 g da primeira mistura são
combinados com 150 g da segunda, quais são a massa e a composição do produto?
Balanço de Massa – Processos em Batelada
Ilustração do Fluxograma
do Processo
Balanço de Massa Total
Como: Entrada = Saída
200 g + 150 g = m(saída) 
Balanço de Massa Parcial Metanol
(0,4 . 200g) + (0,7 . 150 g) = X . 350 g
 350 g = m(saída) 
X = 0,53 g CH3OH/g solução ou 53% etanol
Massa do produto
Exemplo : Balanços em um Processo de Mistura em Batelada Duas misturas metanol-
água estão contidas em recipientes separados. A primeira mistura contém 40,0% em
peso de metanol e a segunda contém 70,0%. Se 200 g da primeira mistura são
combinados com 150 g da segunda, quais são a massa e a composição do produto?
Ilustração do Fluxograma
do Processo
Balanço de Massa – Processos em Batelada
A composição do produto será: 
Continuação:
Metanol = 53 % em massa , ou seja, 53% de 350 g, que corresponde a 185,5 g
Água = 47% em massa, ou seja, 47% de 350 g, que corresponde a 164,5 g.
Balanço de Massa – Processos em Batelada
Mais um exemplo:
O remédio para dor Aleve-D® é feito combinando-se sódio naproxen (A) e pseudoefedrina
(B) em uma razão mássica de 220 mg A/120 mg B. O processo mostrado abaixo é usado
para produzir 100 kg/dia da mistura requerida. Depois da etapa de mistura mostrada,
outros ingredientes são adicionados para facilitar a formulação do produto final.
Resolução:
Existem três quantidades desconhecidas mA e mB associadas com o processo, então, três
equações são necessárias para calcular seus valores. Uma delas é dada pela razão de A
para B especificada: 220 mg A/120 mg B, isto é:
Continua:
Balanço de Massa – Processos em Batelada
Mais um exemplo:
O remédio para dor Aleve-D® é feito combinando-se sódio naproxen (A) e pseudoefedrina
(B) em uma razão mássica de 220 mg A/120 mg B. O processo mostrado abaixo é usado
para produzir 100 kg/dia da mistura requerida. Depois da etapa de mistura mostrada,
outros ingredientes são adicionados para facilitar a formulação do produto final.
Resolução:
Balanço de massa total:
ou