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Integrantes Promopetro Coordenador: Professor Sérgio Lucena Edição de Apostilas: Aklécio N. Silva Paloma Boa Vista Felix Sérgio Lucena Valnísia Nogueira Capa: Cléber Souza SUMÁRIO Capítulo 1: Sistemas de equações lineares ................................................................................... 1 1.1 Sistemas e matrizes ............................................................................................................................. 1 1.2 Operações elementares ................................................................................................................ 2 1.3 Forma escada ....................................................................................................................................... 5 1.4 Soluções de um sistema de equações lineares ............................................................. 8 1.4.1 Caso geral ....................................................................................................................................... 8 1.4.2 Sistema com uma equação e uma incógnita ....................................................... 9 1.4.3 Sistema com duas equações e duas incógnitas .................................................. 9 1.5 Resolução de sistemas de equações utilizando métodos numéricos .......... 11 1.5.1 Métodos diretos ......................................................................................................................... 12 1.5.2 Métodos iterativos .................................................................................................................... 19 Capítulo 2: Balanço de Massa .............................................................................................................. 23 2.1. Classificação dos processos ..................................................................................................... 23 2.2 Balanços .................................................................................................................................................. 23 2.2.1 Equação geral do balanço .............................................................................................. 23 2.2.2 Balanço de processos contínuos em estado estacionário .......................... 25 2.2.3 Balanço integral de processos em batelada ....................................................... 26 2.2.4 Balanço integral de processos semi-batelada e processos contínuos 28 2.2.5 Cálculos de balanço de massa ..................................................................................... 29 2.2.6 Balanço de massa em processos com várias unidades ................................ 35 2.2.7 Reciclo ............................................................................................................................................. 37 Capítulo 3: Balanço de energia ........................................................................................................... 40 3.1 Formas da energia ........................................................................................................................... 40 3.2 Balanço de energia em sistemas fechados ................................................................... 40 3.3 Balanço de energia de sistemas abertos em estado estacionário ................ 42 Capítulo 4: Solução de problemas de balanço com auxílio da computação .. 45 4.4.1 Simulação sequencial modular ...................................................................................... 45 4.4.2 Simulação baseada em equações ............................................................................. 51 Capítulo 5: Estudo de caso ..................................................................................................................... 55 5.1 Produção de estireno ..................................................................................................................... 55 Bibliografia .......................................................................................................................................................... 76 1 CAPÍTULO 1: SISTEMAS DE EQUAÇÕES LINEARES Diversos problemas, que engenheiros, matemáticos e outros estudiosos se deparam, envolvem um sistema com várias equações. Devido a sua importância e utilidade, analisaremos este assunto neste capítulo. Vamos estudar um método para resolução de sistemas lineares, que pode ser usado em todos os sistemas de modo geral. 1.1 SISTEMAS E MATRIZES Conforme Boldrini (1986), um sistema de equações lineares com m equações e n incógnitas é um conjunto de equações, representadas da seguinte maneira: mnmnmm nn nn bxaxaxa bxaxaxa bxaxaxa ... ... ... 1 2211 22222121 11212111 Com aij, 1≤ i ≤ m, 1 ≤ j ≤ n, números reais ou complexos. Uma solução do sistema é uma n-upla de números (x1,x2,...,xn) que satisfaça simultaneamente todas as equações. O sistema (1) pode ser escrito em forma matricial: mnmnmm n n b b b x x x aaa aaa aaa 2 1 2 1 21 22221 11211 Ou de forma simplificada, BXA , sendo: mnmm n n aaa aaa aaa A 21 22221 11211 , chamada de matriz dos coeficientes, 2 nx x x X 2 1 , chamada de matriz das incógnitas, e mb b b B 2 1 , a matriz dos termos independentes. O sistema (1), também pode ser escrito na forma: mmnmm n n baaa baaa baaa 21 222212 111211 Que é chamada de matriz ampliada do sistema, cada linha dessa matriz representa de forma abreviada uma equação do sistema. 1.2 OPERAÇÕES ELEMENTARES Como Boldrini (1986) afirma, existem basicamente três operações elementares que podem ser efetuadas sobre as linhas de uma matriz: a) Permutação das i-ésima e j-ésima linhas. ji LL Exemplo: Permutação entre as linhas 2 e 3 32 LL da matriz a seguir: 48 34 10 34 48 10 b) Multiplicação da i-ésima linha por escalar não nulo z. ii zLL Exemplo: Multiplicação da segunda linha da matriz a seguir por 4. 22 4LL : 3 34 164 10 34 41 10 c) Substituição da i-ésima linha pela soma de z vezes a j-ésima linha mais a i- ésima linha. jii zLLL Exemplo: A terceira linha da matriz a seguir é igual ao seu valor inicial somado a 3 vezes o valor da segunda linha. 233 3LLL : 91 41 10 34 41 10 Consideremos agora que A e B são matrizes m x n, se B for obtida de A a partir de um número finito de operações elementares sobre as linhas de A, dizemos que B é linha equivalente a A. Podemos usar também as notações: BA ou A ~ B . Por exemplo: 93 04 31 é linha equivalente a 00 10 01 , pois 00 10 01 00 10 31 00 120 31 93 120 31 93 04 31 211 2 2 133122 31234 LLL L L LLLLLL As operações com linhas de um sistema produzem outro sistema equivalente ao inicial, este resultado é enunciado no teorema a seguir: Segundo Boldrini (1986, p.36): “Teorema 1.2.1: Dois sistemas que possuem matrizes ampliadas equivalentes são equivalentes.” Exemplo 1.1– Solucione o sistema de equações mostrado a seguir. 64 132 11265 321 21 321 xxx xx xxx 4 Solução: O sistema pode ser representado em forma de matriz, ou seja, sua matriz ampliada é: 6114 1032 11265 )3( )2( )1( Para isso,devemos usar o valor dos coeficientes e dos termos independentes, em suas respectivas posições. A resolução desse sistema de equações é encontrada seguindo os seguintes passos: 1º) Multiplica-se inicialmente a primeira linha da matriz por 1/5 de forma que o primeiro coeficiente seja igual a 1. Em seguida multiplica-se a linha 1 por -2 e soma-se o resultado obtido com a segunda linha da matriz, para que a primeira incógnita 1x seja eliminada da linha 2, isso irá resultar em novos valores para segunda linha. Finalmente, a terceira linha é modificada, quando se multiplica a primeira linha por -4, e soma-se o resultado com a linha 3. Resultando em: 5345535290 53524530 51512561 2º) A seguir multiplicamos a segunda linha da matriz por -5/3 para que o termo da segunda linha e segunda coluna seja igual a 1. 5345535290 1810 51512561 3º) Em seguida elimina-se o 2x das linha 1 e 3, ao se multiplicar a segunda linha por 6/5 e somar seu resultado a linha 1, e de forma semelhante, multiplica-se a segunda linha por -29/5 e soma-se seu resultado a terceira linha para obter: 15700 1810 11201 4º) A seguir multiplicamos a terceira linha da matriz por -1/57 para que o coeficiente de 3x dessa linha seja igual a 1. 5 571100 1810 11201 5º) Em seguida elimina-se o 3x das linha 1 e 2, ao se multiplicar a terceira linha por -8 e somar seu resultado a linha 2, e de forma semelhante, multiplica-se a terceira linha por -12 e soma-se seu resultado a primeira linha, gerando: 571100 5765010 5769001 Que é equivalente a escrever: 57/1 57/65 57/69 3 2 1 x x x Como as operações realizadas entre cada um dos sistemas apresentados manteve a igualdade, a solução encontrada será válida para todos os sistemas, ou seja, podemos afirmar que todos os sistemas são equivalentes. Um ponto importante deste procedimento é que essas etapas são reversíveis, e todas as operações num sistema produzem sistemas com mesmo conjunto solução. 1.3 FORMA ESCADA Como vimos no exemplo 1.1, foi utilizado um método para resolver o sistema por eliminação de incógnitas, partindo inicialmente da matriz ampliada do sistema até uma matriz de formato especial, que chamaremos de matriz-linha reduzida à forma escada. Este método consiste em obter por linha-redução a matriz reduzida à forma escada, por meio das quais podemos solucionar o sistema de forma simples. Segundo Boldrini (1986), uma matriz mxn é linha reduzida à forma escada quando: 1. O primeiro elemento não nulo de uma linha não nula é 1. 2. Cada coluna que contém o primeiro elemento não nulo de alguma linha temtodos seus outros elementos nulos. 3. Toda linha nula ocorre abaixo daquelas que possuem pelo menos um elemento não nulo. 6 4. Se as linhas 1, ..., t são as linhas não nulas, e se o primeiro elemento não nulo da linha i ocorre na coluna ki, então k1<k2<....<kt. A última condição impõe a forma escada à matriz, observe a fig.1.1. Fig.1.1 – Formato de uma matriz-linha reduzida à forma escada. Por exemplo, as três matrizes a seguir não estão na forma escada, pois: 0100 03210 0001 , a segunda condição não é satisfeita; 000 401 150 , a primeira e quarta condições não são satisfeitas; 23000 00000 10810 , a primeira e terceira condições não são satisfeitas. Segundo Boldrini (1986, p.38): “Teorema 1.3.1: Toda matriz Amxn é linha equivalente a uma única matriz-linha reduzida à forma escada.” Digamos que uma matriz Bmxn seja a matriz linha reduzida à forma escada linha equivalente a uma matriz Amxn. Definimos o posto de A (p), como o número de linhas não nulas de B, e a nulidade de A como o número (n-p), sendo (n) o número de colunas de A. Exemplo 1.2– Determine o posto e a nulidade da matriz A, onde: 7 8164 151 241 311 A Solução: Devemos reduzir a matriz A à forma escada realizando as seguintes operações: 000 000 9/110 9/1401 000 000 9/110 241 000 9/110 9/110 241 000 190 190 241 8164 151 312 241 8164 151 241 312 211233 3 3 2 2 144 133 122 21 4 9 9 4 2 LLLLLL L L L L LLL LLL LLL LL O posto de A é igual a 2 e a nulidade igual a 1. O sistema de quatro equações associadas à matriz inicial: 8164 15 24 32 yx yx yx yx , é equivalente ao sistema: 9/10 9/140 yx yx Observamos então que as duas últimas equações do sistema inicial são redundantes e poderiam ser desprezadas. Isso significa que o sistema inicial é equivalente ao sistema: 24 32 yx yx Então nesse caso dizemos que as duas primeiras equações são independentes, enquanto as duas últimas são dependentes destas. Uma linha é dependente quando ela pode ser escrita como a soma de produtos das outras linhas por constantes, de outra forma, uma linha dependente é uma combinação linear das outras linhas. Podemos concluir que o posto de uma matriz nos informa o número de equações independentes desta. 8 1.4 SOLUÇÕES DE UM SISTEMA DE EQUAÇÕES LINEARES 1.4.1 CASO GERAL Como pode ser visto em Boldrini (1986) se considermos um sistema de m equações lineares e n incógnitas (x1,...,xn), cujos coeficientes (aij) e termos constantes (bi) são números reais ou complexos: mnmnmm nn nn bxaxaxa bxaxaxa bxaxaxa ... ... ... 2211 22222121 11212111 Podemos ter: 1. Uma única solução: nn kx kx 11 Nesse caso dizemos que o sistema é possível e determinado. 2. Infinitas soluções: Nesse caso dizemos que o sistema é possível e indeterminado. 3. Nenhuma solução. Nesse caso dizemos que o sistema é impossível. De acordo com Boldrini (1986, p.45): “Teorema 1.4.1: I. Um sistema de m equações e n incógnitas admite solução se, e somente se o posto da matriz ampliada é igual ao posto da matriz dos coeficientes. II. Se duas matrizes têm o mesmo posto p, e p=n, a solução é única; III. Se duas matrizes têm o mesmo posto p, e p<n, podemos escolher n-p incógnitas, e as outras p incógnitas serão dadas em função destas.” No caso III do teorema 1.4.1, dizemos que o grau de liberdade do sistema é n- p. 9 Uma vez visto o caso geral, vamos partir agora para os casos mais simples. 1.4.2 SISTEMA COM UMA EQUAÇÃO E UMA INCÓGNITA Boldrini (1986) afirma que para um sistema de uma equação e uma incógnita: bax , existem três possibilidades: 1. Com 0a , a equação tem apenas uma solução; 2. Com 0a e 0b , temos 00x e qualquer número real é solução da equação. 3. Com 0a e 0b , temos bx0 . Não há solução para esta equação. 1.4.3 SISTEMA COM DUAS EQUAÇÕES E DUAS INCÓGNITAS Considere os seguintes exemplos: Exemplo 1.3–Qual seria a solução do sistema 63 52 yx yx ? Solução: A matriz ampliada do sistema é 631 512 , e sua matriz-linha reduzida à forma escada 110 301 , que é equivalente a: 10 30 yx yx Logo o sistema possui apenas uma única solução, x=3 e y=-1. Também poderíamos ter encontrado esta solução graficamente, lembrando que o conjunto de pontos RRyx, , que satisfaz cada equação do sistema representa uma reta no plano, sabendo que a solução é igual ao ponto comum às duas retas, observe a fig.1.2. 10 Fig.1.2 – A solução do sistema é dada pela intersecção das duas retas. Exemplo 1.4–Qual seria a solução do sistema 1536 52 yxyx ? Solução: A representação gráfica das retas do sistema está ilustrada na fig.1.3: Fig.1.3 – As retas nesse caso são coincidentes. Concluímos então que qualquer ponto de uma das retas é uma solução do sistema. Reduzindo a matriz ampliada do sistema à matriz reduzida à forma escada teríamos que: 000 2/52/11 1536 512 Por isso, o sistema é equivalente a: 000 2 5 2 1 yx yx Observamos que a segunda equação é redundante e não estabelece condições sobre x ou y . O conjunto de soluções é encontrado atribuindo-se 11 valores arbitrários para y , y , e fazendo yx 2 1 2 5 . Como pode assumiu qualquer valor, esse sistema tem infinitas soluções. Exemplo 1.5– Qual seria a solução do sistema 1036 52 yx yx ? Solução: A fig.1.4 representa as retas obtidas a partir das equações do sistema. Observe que são duas retas paralelas sem nenhum ponto em comum, ou seja, este sistema não possui solução. Fig.1.4 – Retas paralelas não coincidentes. Nesse caso a matriz ampliada do sistema é 631 512 , enquanto sua matriz- linha equivalente reduzida à forma escada é 100 02/11 . Por isso, o sistema inicial equivale a: 100 0 2 1 yx yx Podemos dizer então que o sistema inicial não possui solução, ele é incompatível, pois não existe nenhum valor de x e y que satisfaça a segunda equação deste último sistema encontrado. 1.5 RESOLUÇÃO DE SISTEMAS DE EQUAÇÕES UTILIZANDO MÉTODOS NUMÉRICOS A utilização de métodos numéricos é amplamente usada para solucionar sistemas de equações lineares que surgem em problemas de engenharia e 12 computação. Serão considerados neste texto, sistemas quadrados(sistemas nos quais o número de equações é igual ao número de incógnitas), e alguns dos principais métodos de resolução usualmente empregados. Considere o sistema dado a seguir, ele possui n equações lineares com n variáveis, onde ija , ib e jx são números reais, sendo ni ,,2,1 e nj ,,2,1 . BAxmatricialformanaou bxaxaxa bxaxaxa bxaxaxa nnnnnn nn nn : ... ... ... 2211 22222121 11212111 Note que este sistema é o mesmo descrito na seção 1.1, e todas as afirmações feitas anteriormente naquela seção continuam válidas. De modo geral, existem dois métodos de resolver o sistema (encontrar o vetor solução, que satisfaz todas as suas equações): 1. Métodos diretos 2. Métodos iterativos 1.5.1 MÉTODOS DIRETOS Os métodos diretos fazem uso de um número finito de operações e apresentam, teoricamente, a solução exata do sistema. 1.5.1.1ELIMINAÇÃO DE GAUSS Este método consiste em transformar o sistema linear original BAx num sistema linear equivalentecuja matriz dos coeficientes seja triangular superior, e assim tornar a determinação da solução, x , imediata. Para o sistema linear CTx , onde T : matriz nn , é uma matriz triangular superior com elementos da diagonal diferentes de zero,escrevemos as equações do sistema como: nnnn nn nn nn bxa bxaxa bxaxaxa bxaxaxaxa 33333 22323222 11313212111 ... ... 13 Este sistema de equações possui solução bastante trivial, dada por: .1,,2,1, / 1 nni a xab x abx ii n ij jiji i nnnn 1.5.1.1.1 DESCRIÇÃO DO MÉTODO DE ELIMINAÇÃO DE GAUSS Para modificar de forma conveniente o sistema linear dado inicialmente BAx , faremos uso das operações elementares vistas na seção 1.2, para obter um novo sistema CTx equivalente ao inicial. Podemos: I. Trocar duas linhas de uma matriz II. Multiplicar uma linha por uma constante não nula. III. Adicionar um múltiplo de uma linha a uma outra linha. A eliminação de Gauss é efetuada sobre as colunas da matriz. Assumiremos que ,0det A e vamos chamar de etapa k a fase do processo em que se elimina a variável kx das equações nkk ,,2,1 . Como Ruggiero (1996) afirma, a notação k ija é utilizada para denotar o coeficiente da linha i e coluna j ao final da k-ésima etapa, enquanto k ib denota o i-ésimo elemento do vetor constante no final da etapa k . Usando a operação elementar I, é possível reescrever o sistema linear de maneira que o elemento da posição 11a seja não nulo: 000 2 0 1 0 2 0 2 0 22 0 21 0 1 0 1 0 12 0 11 0 nnnnn n n baaa baaa baaa A , onde 0011a . Passo 1: Elimina-se a variável 1x das linhas ni ,,3,2 da seguinte forma: multiplica-se a 1º linha por 1im e em seguida soma-se o resultado com as linhas i , sendo 0 11 0 1 1 a a m ii , com ni ,,3,2 . O elemento 0 11a é chamado de pivô da primeira etapa e os elementos 0 11 0 1 1 a a m ii são chamados de multiplicadores. 14 Temos então a matriz: 111 2 1 2 1 2 1 22 1 1 1 1 1 12 1 11 1 0 0 nnnn n n baa baa baaa A , onde njparaaa jj ,,2,1, 0 1 1 1 e 0 1 1 1 bb . Sendo: njeniparaamaa ijiijij ,,2,1,,2, 0 1 01 niparabmbb iii ,,2, 0 11 01 Passo 2: Para manter a hipótese inicial que 0det A , o determinante da matriz 1A também deve ser diferente de zero 0det 1A . Para que isso ocorra é necessário ter pelo menos um elemento niparaai ,,3,20 1 2 . Podemos então reescrever a matriz 1A de forma que o pivô 0122a seja não nulo. Em seguida, devemos eliminar a variável 2x das linhas ni ,,4,3 , multiplicando-se a 2º linha por 2im , e em seguida somando o resultado com as linhas i , sendo 1 22 1 2 2 a a m ii . Obtemos então a matriz: 22 2 2 2 2 2 1 2 1 2 12 2 11 2 00 00 nnn n n ba ba baaa A onde niijeiparaaa ijij ,,1,2,1, 12 2,1,12 iparabb ii . e njeniparaamaa jiijij ,,2,,3, 1 22 12 niparabmbb iii ,,3, 1 22 12 Deve-se seguir este raciocínio até a etapa 1n , quando a matriz assumirá o seguinte aspecto: 15 11 1 2 1 2 1 1 1 1 1 12 1 11 1 00 00 n n n nn nn n nn n nn n ba ba baaa A O sistema 11 nn BxA éequivalente ao sistema inicial e também é triangular superior. 1.5.1.1.2 ALGORITMO DE ELIMINAÇÃO DE GAUSS Segundo Santos (2009, p.76)o método de eliminação de Gauss pode ser efetuado seguindo o seguinte algoritmo: Para k=1,2,..., (n-1) faça Para i=(k+1),(k+2),...,n faça m=aik/akk (supondo akk≠0) aik=0 Para j=(k+1),(k+2),...,n faça aij=aij-m*akj fim bi=bi-m*bk fim fim xn=bn/ann Para k=1,2,...,(n-1) faça xk=bk fim Para k=(n-1),(n-2),...,1 faça Para i=(k+1),(k+2),...,n faça xk=xk-aki*xi fim xk=xk/akk fim. Os exemplos a seguir mostram como utilizar o método de Gauss: Exemplo 1.6 – Utilize o método de Gauss na matriz abaixo, que representa a matriz ampliada de um sistema qualquer: 0 3 0 33 0 32 0 31 0 2 0 23 0 22 0 21 0 1 0 13 0 12 0 11 baaa baaa baaa , com 0011a Etapa1: Zerar os elementos da primeira coluna abaixo de 0 11a . 16 1 3 1 33 1 32 1 2 1 23 1 22 1 1 1 13 1 12 1 11 1. 0 3 0 33 0 32 0 31 0 2 0 23 0 22 0 21 0 1 0 13 0 12 0 11 0 0 013133 12122 baa baa baaa A baaa baaa baaa A LmLL LmLL Sendo 0 11 0 21 21 a a m , 0 11 0 31 31 a a m . E 0 22 0 1221 1 22 aama , 0 32 0 1231 1 32 aama , e assim por diante. Etapa 2: Zerar os elementos da segunda coluna abaixo de 1 22a , 0122a . 2 3 2 33 2 2 2 23 2 22 2 1 2 13 2 12 2 11 2 1 3 1 33 1 32 1 2 1 23 1 22 1 1 1 13 1 12 1 11 1 00 0 0 0 23233 ba baa baaa A baa baa baaa A LmLL Sendo 1 22 1 32 32 a a m . Esta última matriz representa um sistema triangular cuja solução é obtida facilmente através das seguintes substituições: 2 33 2 33 3 2 22 3 2 23 2 2 2 11 3 2 132 2 12 2 1 1 a b x a xab x a xaxab x Exemplo 1.7 – Encontre a solução do sistema abaixo utilizando o método de Gauss. 132 053 0 321 321 321 xxx xxx xxx , cuja matriz ampliada é: 1321 0531 0111 0A Etapa 1: Zerar os elementos da primeira coluna abaixo de 0 11a , 1011a 1410 0620 0111 1321 0531 0111 10 13133 12122 AA LmLL LmLL Sendo 121m , 131m . Etapa 2: Zerar os elementos da segunda coluna abaixo de 1 22a , 1122a 17 1100 0620 0111 1410 0620 0111 21 23233 AA LmLL Sendo 2 1 32m . Esta última matriz representa um sistema triangular superior: 1 062 0 3 32 321 x xx xxx Cuja solução é representada pelo vetor 1 3 4 x . 1.5.1.2 PIVOTAÇÃO Com a finalidade de reduzir o erro na solução dos sistemas, os processos de pivotação podem ser utilizados nas matrizes ampliadas dos sistemas lineares. Pivotação: processo utilizado para trocar, quando necessário, as linhas e/ou colunas de uma matriz de maneira que os elementos da diagonal principal (chamados de pivô) sejam diferentes de zero. A seguir descreveremos algumas estratégias de pivoteamento. 1.5.1.2.1 PIVOTEAMENTO PARCIAL Segundo Ruggiero (1996) , o pivoteamento parcial consiste em: I. No início da etapa k de eliminação de variáveis, usar o elemento de maior módulo entre os coeficientes nkkiparaa kik ,,1,, 1 , como pivô. II. Trocar quando necessário as linhas da matriz. Exemplo 1.8 –Utilize o pivoteamento parcial na seguinte matriz: 18 170260 35480 63010 91121 1A Solução: Esta matriz possui 4 linhas 4n e está no início da etapa 2 2k . Então primeiramente escolhemos o elemento de maior módulo entre os coeficientes 1 42 1 32 1 22 ,, aaa , e o utilizamos como pivô. Isso é efetuado trocando-se as linhas 2 e 3, observe: 170260 63010 35480 91121 1A Dessa forma os multiplicadores dessa etapa são: 8 1 32m e 8 6 42m . É possível observar que esse procedimento gera multiplicadores, que possuem valores em módulo, entre zero e um, e isso evita a ampliação de erros de arredondamento. 1.5.1.2.2 PIVOTEAMENTO TOTAL Ruggiero (1996) afirma que o pivoteamento total consiste em: I. No início da etapa k de eliminação de variáveis, usar o elemento de maior módulo entre os coeficientes que atuam no processo: 111 , k rs k rs k ij kji apivôaamáx Esta estratégia requer um maior esforço computacional, pois envolve uma enorme comparação entre os elementos kjia kij ,, 1 , com a troca de colunas e linhas. É importante ressaltar que a última coluna de uma matriz ampliada representa os termos independentes de um sistema linear, portanto essa coluna não é utilizada na troca de colunas. Exemplo 1.9 –Utilize o pivoteamento total na seguinte matriz: 19 150420 77530 63010 51123 1A Solução: No início da etapa 2 2k , devemos escolher como pivô o elemento de maior módulo entre todos os elementos das linhas e colunas 2, 3 e 4. Logo, o pivô da etapa 2 seria 7134a , e a matriz seria reescrita trocando-se as linhas 2 e 3, e em seguida as colunas 2 e 4. A matriz assumiria a forma: 152400 61030 73570 51123 1A 1.5.2 MÉTODOS ITERATIVOS Os métodos iterativos são utilizados quando o sistema de equações a ser resolvido é grande ou possui muitos elementos nulos.Ruggiero (1996) nos diz que inicialmente temos uma matriz do tipo BAx , sendo: A : a matriz dos coeficientes, nn ; x : vetor das variáveis, 1n ; B : vetor dos termos independentes, 1n . Este sistema é escrito na forma gMxx , sendo gMxx uma função de iteração dada na forma matricial. O esquema iterativo gera uma sequência de aproximações partindo de uma aproximação inicial 0x (vetor aproximação inicial), então construímos: gMxx 01 (primeira aproximação) gMxx 12 (segunda aproximação), etc. A aproximação 1kx pode ser calculada com a fórmula ,1,0,1 kparagMxx kk 20 Se a sequência de aproximações ,,, 10 kxxx é tal que, k kxlim , então é solução do sistema linear BAx . 1.5.2.1 CRITÉRIOS DE PARADA Segundo Lopes (1996) o processo interativo é interrompido quando o vetor kx é suficientemente próximo do vetor 1kx , observando a precisão estabelecida, . A distância entre kx e 1kx é medida por 1 1 k i k i ni k xxmáxh . O vetor kx será escolhido como x , solução aproximada do sistema, se kh . O teste do erro relativo também pode ser utilizado com boa precisão no teste de parada, nesse caso: k i ni k k xmáx h d 1 Aqui, o vetor kx será escolhido como x , solução do sistema, se kd . Outro critério de parada empregado é utilizar um número de iterações fixo. Este número pode ser estabelecido através de experimentações sucessivas. 1.5.2.2 MÉTODO DE JACOBI Considere o sistema linear BAx inicial, sendo „A‟ a matriz: niparaacom bxaxaxa bxaxaxa bxaxaxa ii nnnnnn nn nn ,,2,10, ... ... ... 2211 22222121 11212111 Isolamos o vetor x mediante a separação pela diagonal: nnnnnnnnnn nn nn axaxaxabx axaxaxabx axaxaxabx 1,1,2211 22131312122 11131321211 Desta forma obtemos a matriz na forma gMxx , sendo: 21 0 0 0 2111 22 2 22 23 22 21 11 1 11 13 11 21 nnnn n nn n n n a a a a a a a a a a a a a a a a a a M e nnn ab ab ab g / / / 222 111 Então, partindo de 0x , e usando a fórmula ,1,0,1 kparagMxx kk , obtemos ,,1 kxx : nn k nnnn k n k nn k n k nn kkk k nn kkk axaxaxabx axaxaxabx axaxaxabx 1,1,2211 1 22232312121 2 1113132121 1 1 (RUGGIERO, LOPES, 1996). 1.5.2.2.1 ALGORITMO DE JACOBI De acordo com Santos (2009, p.88) o método de Jacobi pode ser efetuado seguindo o seguinte algoritmo: 1. Se a estimativa inicial for desconhecida, escolher uma estimativa inicial 0x (geralmente nixi ,,2,1,0 0 ). 2. Para k=0,1,2,...faça Para i=1,2,...,n faça ii n ij j k jiji k i a xab x 1 1 Fim. Se Nkou x xx máx k i k i k i ni 1 1 Pare ( é a precisão dada e N um número natural que informa a quantidade de iterações a ser realizada). Fim 22 Exemplo 1.10 – Resolva o seguinte sistema linear pelo método de Jacobi: 1924 54122 2238 321 321 321 xxx xxx xxx Solução: Neste exemplo, observamos que nem a estimativa inicial foi fornecida nem a precisão requerida, logo devemos estabelecer estes valores. O sistema no qual o método iterativo deve ser aplicado, é escrito na forma: 9241 12425 8232 213 312 321 xxx xxx xxx Se escolhermos como vetor aproximação inicial 0 0 0 0x com erro 00001,0 , montamos a seguinte tabela usando o método de Jacobi: Iteração (k) kx1 kx2 kx3 0 0,0000 0,0000 0,0000 1 0,2500 0,4167 0,1111 2 0,0660 0,3380 -0,0926 3 0,1464 0,4365 0,0067 4 0,0846 0,3900 -0,0510 5 0,1165 0,4196 -0,0132 6 0,0960 0,4016 -0,0339 11 0,1040 0,4084 -0,0249 15 0,1035 0,4080 -0,0254 21 0,1034 0,4079 -0,0255 23 0,1034 0,4079 -0,0255 Observa-se nesta tabela que a partir da iteração 23, o sistema converge para uma solução. Podemos dizer então que a solução do sistema é representada pelo vetor 0255,0 4079,0 1034,0 23x . 23 CAPÍTULO 2: BALANÇO DE MASSA 2.1. CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS De acordo com Rosseau (2005), antes de fazer o balanço de massa em um sistema é necessário saber em qual categoria ele se encontra. Os processos químicos podem ser classificados em: Batelada: inicialmente o tanque é alimentado, e somente ao final do processo seu conteúdo é removido, ou seja, não existe massa sendo transferida através das fronteiras do sistema no intervalo de tempo entre o carregamento do tanque e a retirada do produto. Contínuo: durante o processo há um fluxo contínuo de massa entrando e deixando o sistema. Semi-batelada: qualquer processo que não se enquadre em batelada ou contínuo. Podemos ainda classificar o processo analisando as condições de operação, o processo poderá estar em estado estacionário ou estado transiente. Se todos os valores das variáveis do processo não variam com o tempo o processo é dito estar operando em estado estacionário, do contrário é dito que o processo está operando em estado transiente ou não-estacionário. Por natureza, operações em batelada ou semi-batelada são transientes, enquanto as operações dos processos contínuos podem ser transientes ou estacionárias. Os processos em batelada são normalmente utilizados quando não existe grande demanda de produtos, já os processos contínuos são utilizados quando se necessita ter elevada taxa de produção. 2.2 BALANÇOS 2.2.1 EQUAÇÃO GERAL DO BALANÇO Para realizar um balanço em qualquer sistema é necessário inicialmente delimitar as suas fronteiras. O volume englobado por essas fronteiras é 24 chamado de volume do sistema. Vamos realizar um balanço de massa na unidade de processo da fig.2.1para um instante de tempo qualquer t . Fig.2.1 – Unidade de processamento qualquer. Observe que existe um único componente nas correntes de entrada e saída, o componente j . Temos então a seguinte expressão para um balanço: ACGSE (2.1) Sendo: sistemadofronteirasdasatravésjespéciedaentradaE sistemadofronteirasdasatravésjespéciedasaídaS sistemadodentrojespéciedaproduçãoG sistemadodentrojespéciedaconsumoC sistemadodentrojespéciedaacúmuloA Segundo Rousseau (2005), o balanço pode ser escrito de duas maneiras: Balanço diferencial – este balanço indica o que está ocorrendo no sistema num instante de tempo, os termos da equação do balanço são taxas. Este balanço é normalmente usado em sistemas contínuos. Balanço integral – este balanço indica o que está ocorrendo no sistema entre dois instantes de tempo, o momento após a alimentação e o momento após a retirada do produto, os termos da equação do balanço são quantidades. Este balanço é usado geralmente para processos em batelada. A equação do balanço de massa pode ser simplificada nos seguintes casos: Se a quantidade do balanço é totalmente mássica – nesse caso o termo de geração e consumo são nulos, 0G e 0C . Se as substâncias do balanço são espécies não-reativas (nem o reagente e nem o produto) – nesse caso o termo de geração e consumo também são nulos, 0G e 0C . Se o sistema está em estado estacionário – o termo de acúmulo é nulo, 0A independente do que está sendo considerado no balanço, pois por definição, num sistema em estado estacionário nada pode mudar com a variação de tempo. 25 2.2.2 BALANÇO DE PROCESSOS CONTÍNUOS EM ESTADO ESTACIONÁRIO Nos processos contínuos em estado estacionário, o termo de acúmulo na equação geral do balanço é nulo, 0A , logo a equação assume a forma: 0CGSE (2.2) Se a o balanço for feito sobre alguma espécie não reativa, o balanço é simplificado novamente, pois 0G e 0C , logo: 0SE Exemplo 2.1– Considere um processo em estado estacionário, no qual um tanque é alimentado continuamente com uma mistura de benzeno (B) e tolueno (T) numa vazão de 500 kg/h, sendo 50% de benzeno em massa. Essa mistura é separada em duas frações por destilação, de modo que a vazão de benzeno na saída superior do tanque seja 200 kg/h, enquanto a saída de tolueno na parte inferior seja de 225 kg/h. Calcule a vazão desconhecida dos componentes nas saídas do tanque utilizando o balanço de massa sobre as espécies. Solução: Como o processo está em estado estacionário e não há ocorrência de reações no tanque, os termo de acúmulo, geração e consumo devem ser nulos, 0A , 0G e 0C . A equação geral do balanço de massa é então escrita na forma: SE Como são duas espécies entrando no tanque, dois balanços devem ser efetuados. 26 Para o benzeno: SE 2/200/250 mhBkghBkg hBkgm /502 Para o tolueno: SE 1/225/250 mhTkghTkg hTkgm /251 Podemos verificar nossos cálculos fazendo um balanço de massa global: hkgmmhkghkg /225/200/500 21 Já calculamos 1m e 2m , substituindo seus valores na expressão anterior, temos que: hkghkg /500/500 2.2.3 BALANÇO INTEGRAL DE PROCESSOS EM BATELADA Nos sistemas em batelada não há nem entrada nem saída de componentes durante o processo, 0E e 0S . Existe somente a entrada de espécies no instante 0t e saída ao final do processo, no instante ft . Então o acúmulo de determinada espécie no sistema é por definição igual à quantidade de moles que sai no momento final menos a quantidade de moles da espécieque entra no momento inicial: inicialentradafinalsaídaacúmulo (2.3)Se utilizarmos a eq.(2.1) para analisar este caso, vamos descobrir que o termo de acúmulo é também: CGA (2.4) Então igualando as expressões (2.3) e (2.4), temos que: CGinicialentradafinalsaída (2.5) A eq.(2.5) é semelhante a eq.(2.2) (equação de balanço para processos em regime estacionário), exceto que na eq.(2.5) os termos “entrada inicial” e “entrada final” se referem aos momentos específicos de entrada e saída, respectivamente, enquanto que na eq.(2.2), os termos de entrada e saída se referem à alimentação e a retirada contínua da substância no balanço. 27 Exemplo 2.2– Suponha que existam dois frascos contendo uma mistura de água e metanol. A primeira mistura possui 30% em massa de metanol, enquanto a segunda mistura contém 60% em massa de metanol. Se 400g da primeira mistura são misturados com 300g da segunda mistura num terceiro frasco, qual seria a massa e composição do produto? Solução: Como não existem reações envolvidas os termos de acúmulo e consumo são omitidos, dessa forma, todos os balanços tem a forma SE . Balanço de massa global: mgg 400300 .700 solgm Balanço de massa do metanol: A mistura 1 contém 30% em massa de metanol que equivale a 120g, e a mistura 2 contém 60% em massa de metanol que equivale a 180g. Logo a quantidade de metanol na mistura final será igual a 120g + 180g = 300g. Ou em termos de fração mássica: ./429,0 .700 300 3 3 3 solgOHCHg solg OHCHg x OHCH Balanço de massa da água: Como a fração mássica do metanol é conhecida temos que: ./571,01 232 solgOHgxx OHCHOH Da equação do balanço: SE 700571,03004,04007,0 OHgOHg 22 400400 28 2.2.4 BALANÇO INTEGRAL DE PROCESSOS SEMI-BATELADA E PROCESSOS CONTÍNUOS Rousseau (2005) afirma que o balanço de massa para processos contínuos ou em semi-batelada também podem ser escritos na forma integral. O procedimento usado é utilizar o balanço diferencial e integrá-lo entre dois instantes de tempo. Na maioria dos casos são necessários cálculos mais complexos que os casos anteriores, mas também podemos encontrar problemas de resolução simples, como o seguinte exemplo. Exemplo 2.3– Ar é borbulhado em uma coluna contendotoluenolíquido numa vazão molar de 0,800 kmol/min. A corrente gasosa deixando a coluna contém 30% em mol de vapor de tolueno.Considerando que o ar é insolúvel em tolueno líquido. Use a forma integral do balanço de massa para estimar o tempo necessário para que 30m3 de tolueno seja vaporizado. Solução: Começando com um balanço diferencial sobre o ar e sabendo que ele foi considerado insolúvel em tolueno, podemos anular o termo de acúmulo. Como o ar não reage com o tolueno na unidade de processo, tanto o termo de geração quanto o de consumo são nulos, então a expressão do balanço geral fica: SE Como o enunciado afirma, a corrente gasosa na saída contém 30% em mol de vapor de tolueno, então essa corrente possui 70% em mol de ar, logo: min 7,0 min 800,0 kmol n kmol arkmolarkmol min 143,1 arkmol n Em seguida escrevemos o balanço integral para otolueno, iniciando no tempo t=0 até o tempo t=tf (valor procurado). O balanço fica: SA O termo de acúmulo, que é variação total no número de moles no tempo tf, é negativo, pois o tolueno deixa o sistema. Como o volume total ocupado pelo tolueno é de 30m3 e a massa específica do tolueno líquido é 0,87 kg/L, o termo de acúmulo é igual a: 873 33 69,283 92 11087,030 HCkmol kg kmol m L L kg mn 29 O termo de saída do balanço é igual àvazão molar na qual o tolueno deixa o sistema vezes o tempo de processamento final, tf. Por isso o balanço SA , resulta em: ftnHCkmol 300,069,283 87 , Vimos que min 143,1 arkmol n , então: min827ft 2.2.5 CÁLCULOS DE BALANÇO DE MASSA 2.2.5.1 FLUXOGRAMAS Quando você recebe informações de um processo e é necessário determinar alguma coisa sobre esse processo, é bastante útil organizar as informações de modo conveniente, antes de efetuar os cálculos necessários. A melhor maneira de fazer isso é desenhar um fluxograma do processo, usando caixas e outros símbolos que representam as unidades do processo, e linhas com setas que representam as entradas e saídas. Quando usado corretamente, o fluxograma pode ajudar a realizar os cálculos do balanço de massa. Inicialmente você deve preencher seu desenho com todas as informações disponíveis, usando valores para as variáveis conhecidas e símbolos para as variáveis desconhecidas, para as linhas de entrada e saída. Exemplo 2.4– Deseja-se obter uma corrente final para realização de um experimento com elevado percentual de oxigênio. Três correntes de entrada são alimentadas numa câmara de evaporação para produzir uma corrente de saída com a composição desejada. Considere que as condições de entrada são: Corrente S1: ar (21 mol% de O2 e 79 mol% de N2), Corrente S2: água (fase líquida), com vazão volumétrica min/504 3cm , Corrente S3: oxigênio puro, com vazão molar igual a 1/5 da vazão molar da corrente S1. O gás na corrente de saída contém 3 mol% de água. Desenhe o fluxograma, escreva as variáveis conhecidas do processo, e ao final calcule todas as variáveis desconhecidas. Solução: 30 1. Escreva os valores e a unidades de todas as variáveis conhecidas, sobre as linhas que representam as correntes de entrada ou saída. 2. Atribua símbolos para as variáveis desconhecidas utilizando as unidades corretamente. Como a única vazão volumétrica dada no enunciado min/20 2 3 lOHcm é medida por minuto, vamos adotar esta unidade como base para as vazões das outras correntes. Como a variável adotada para representar o fluxo molar de ar é 1n , então a vazão molar de oxigênio puro corresponde a 12,0 n . O somatório das frações molares dos componentes em qualquer corrente deve ser igual à unidade. Como representamos a fração molar de oxigênio por y , a fração molar do nitrogênio será molNmolyy /97,03,01 2 Podemos calcular o fluxo molar de água 2n , com a relação: min 28 18 min 5041 2 2 2 3 3 2 2 OHmol mol OHg OHcm cm OHg MM m n As variáveis restantes podem ser determinadas usando balanços de massa, que assumem a forma SE , uma vez que o processo ocorre em estado estacionário e sem reação. Olhando o fluxograma podemos facilmente realizar os balanços: Para água: mol OHmolmol n OHmol n 23 2 2 03,0 minmin min 33,9333 mol n Balanço molar global: 31 32112,0 nnnn min 44,754 2,1 2833,933 2,1 23 1 armolnn n Para o nitrogênio: mol Nmol y mol n mol Nmolarmol n 23 2 1 97,0 min 79,0 min mol Omol n n y 2 3 1 331,079,097,0 Exemplo 2.5– Uma mistura de dois componentes A e B, com 70 mol% de A e 30 mol% de B, é separada em duas frações. O fluxograma deste processo é ilustrado abaixo: Dimensione o fluxograma de forma a obter a mesma separação, usando uma alimentação contínua de 4500 lbmol/h. Solução: O fator de escala é: mol hlbmol mol hlbmol / 406,1 3200 /4500Multiplicando-se o número de moles das correntes do processo pelo fator de escala podemos obter as vazões molares: Alimentação: hlbmol/4500 Corrente superior: hlbmol /1406406,11000 32 Corrente inferior: h Albmol 64,2024406,11440 h Blbmol 56,1068406,1760 A unidade das frações molares pode ser alterada de molmol / para lbmollbmol / , mas seus valores permanecem os mesmos. O fluxograma fica: 2.2.5.2 BALANCEANDO UM PROCESSO Considere fluxograma ilustrado na fig.2.2, no qual min3kg de benzeno são misturados com min/1kg de tolueno. Fig. 2.2 – Fluxograma com duas correntes de entrada e uma de saída. Existem duas incógnitas associadas a este processo, m e x . Todas as equações do balanço de massa deste processoassumem a mesma forma SE , pois é um processo sem reação e em estado estacionário. Existem três equações de balanço que podem ser escritas (balanço global, balanço sobre o benzeno ou um balanço sobre o tolueno), a escolha de duas dessas equações fornece o valor das incógnitas procurado. Por exemplo: Balanço global: min 18 min 10 min 8 kg mm kgkg 33 Para o benzeno: kg HCkg x kg HCkg x kg m HCkg 636363 44,0 minmin 8 A dúvida nesse momento é até onde é possível continuar com esse procedimento. Por exemplo, se a vazão de uma das correntes de entrada fosse desconhecida, um balanço sobre o tolueno resolveria o problema? E se este fosse um processo envolvendo reações químicas, quais balanços utilizar quando existe a possibilidade de escolha, e em que sequência eles devem ser escritos? As duas regrasa seguir, como Rousseau (2005) descreve, podem ser aplicadas para processos sem reação: 1. O número máximo de equações independentes que podem ser derivadas ao escrever os balanços de massa para sistemas sem reação é igual ao número de espécies químicas nas correntes de entrada e saída. No exemplo dado, o benzeno e o tolueno constituem as correntes de entrada e saída do processo, vimos que podemos escrever três equações de balanço, mas apenas duas dessas equações são necessárias para concluir o problema. 2. Escrever primeiramente balanços que envolvem o menor número de incógnitas. No exemplo dado, o balanço de massa total foi escrito primeiramente porque a equação envolvia apenas uma incógnita, m , enquanto a equação do balanço para o benzeno ou tolueno envolveria duas, m e x ;se tivéssemos escolhido iniciar por uma dessas expressões chegaríamos ao mesmo resultado com um esforço maior. Exemplo 2.6– Uma solução aquosa com fração de mássica de 40% de HCl entra numa unidade de processamento, e deseja-se reduzir esse percentual para10%. Para isso uma corrente de água pura é utilizada na diluição. Calcule as razões (litros de água pura/kg solução deHCl) e (kg de solução resultante/kg solução de HCl). Solução: 1. Escolha uma base de cálculo (uma taxa ou quantidade de uma das correntes de alimentação ou de produtos) e desenhe o fluxograma com as informações disponíveis. Vamos escolher arbitrariamente uma base de 300 kgda corrente de alimentação com 40% de HCl (essa escolha não altera os resultados finais, pois estamos apenas procurando razões de valores das correntes). Desenhamos então o fluxograma: 34 2. Expresse o que o problema pede para você determinar em termos das variáveis do fluxograma. As quantidades desejadas são: 100 1V (litros de água/kg de solução inicial) e 100 2m (kg de solução final/kg solução inicial) Então temos que determinar 1V e 2m . 3. Conte as variáveis desconhecidas e relacione-as com as equações. Se o número de equações independentes for igual ao número de variáveis, você será capaz de resolver o problema, mas se isso não ocorrer não desperdice seu tempo com esse tipo de problema. Analisando o fluxograma percebemos que existem três variáveis desconhecidas ( 1V , 1m e 2m ). Para um processo sem reações envolvendo n componentes, é possível escrever mais de n equações de balanço. Como no processo do exemplo existem duas espécies, escrevemos duas equações de balanço. A terceira variável pode ser determinada analisando a relação entre a massa e o volume da água utilizada para diluição através da densidade. Dessa forma o problema pode ser solucionado. Todos os balanços do sistema assumem a forma SE . Analisando o fluxograma podemos ver que as equações do balanço da água e do balanço de massa global envolvem duas variáveis indeterminadas ( 1m e 2m ), enquanto o balanço sobre o ácido clorídrico envolve apenas uma 2m . Portanto, é mais simples iniciar a solução do problema através do balanço do HCl: Para o HCl: SE 35 kgmm kg HClkg kg kg HClkg 4001,01004,0 22 Substitua esse valor calculado diretamente no fluxograma para facilitar os próximos cálculos. Balanço de massa global: OHkgmmmkg 2121 100300 Podemos calcular o volume de água na corrente de entrada inferior com a relação: litros litrokg kgm V V m 100 /1 1001 1 1 1 Finalmente podemos calcular as razões requisitadas no problema: HClsoldekgáguadelitros V ./1 100 100 100 1 HClsoldekgresultsoldekg m ./..4 100 400 100 2 2.2.6 BALANÇO DE MASSA EM PROCESSOS COM VÁRIAS UNIDADES Os processos em indústrias químicas raramente envolvem apenas uma unidade de processamento, geralmente existem um ou mais reatores químicos, misturadores, sistemas de aquecimento e resfriamento, etc. Antes de analisar estes processos, vamos definir um sistema. Um sistema é qualquer parte do processo englobado por fronteiras imaginárias, logo, o processo inteiro pode estar contido no sistema, várias unidades, ou até mesmo uma única unidade de processamento. As correntes de entrada e saída do sistema são aquelas que interceptam suas fronteiras. Inicialmente definem-se as fronteiras do sistema, e em seguida o balanço é feito sobre as unidades contidas no sistema. Exemplo 2.7– O fluxograma da figura abaixo ilustra um processo contínuo em estado estacionário com duas unidades de processamento. Existem três correntes(a, b, c) cujas vazões cba mmm ,, e/ou composições são desconhecidas. 36 Calcule as vazões e composições desconhecidas. Solução: Os sistemas que podemos escolher para análise estão representados por linhas pontilhadas na figura abaixo. Balanço de massa global: O balanço de massaglobal é feito escolhendo-se como sistema aquele com as linhas pontilhadas mais externas, que engloba todo o processo (duas correntes de entrada e três correntes de saída). Para este sistema a equação geral do balanço pode ser escrita na forma SE , então: hkgmm cc 50250300100500 Balanço de massa global sobre A: kgAkgxx cc /6,0)50(2502,03009,010075,050055,0 37 Balanço de massa sobre a unidade 1: hkgmm aa 200300500 Balanço de massa sobre A na unidade 1: kgAkgxx aa /025,0)200(3009,050055,0 Balanço de massa sobre o ponto de mistura: hkgmmm bba 300100 Balanço de massa de A sobre o ponto de mistura: kgAkgxmxmx bbbaa /267,010075,0 O problema pode se tornar maiscomplicado quando existem mais de duas unidades de processamento, pois além do balanço global e dos balanços sobre as unidades devemos considerar os balanços das combinações das unidades. 2.2.7 RECICLO É incomum que uma reação, por exemplo, BA , seja totalmente convertida num reator (ou seja, que todo o reagente seja consumido). Existe sempre uma quantidade de A, mesmo que pequena, presente na corrente dos produtos. Essa quantidade de A não consumida é vista como desperdício de recursos, pois você tem que pagar pela utilização do reagente. Uma saída viável para este problema é tentar reciclar esta quantidade de reagente não consumida, realimentando-a no reator. Dessa forma você iria economizar e ao mesmo tempo produzir B puro. O exemplo a seguir mostra como resolver problemas de balanço de massa em sistemas com reciclo. Exemplo 2.8– Uma corrente de ar seco contendo 8 mol% de água deve ser resfriada e desumidificada, de modo a conter apenas 0,70 mol% de água. A corrente de ar é combinada com uma corrente de reciclo proveniente de um resfriamento e desumidificação anteriores. A corrente misturada contém 5,6 mol% de água. No ar condicionado, parte da água é condensada e removida na forma líquida. Uma fração do ar desumidificado que deixa o condensador é reciclada e o restante é liberada no ambiente. Tomando 1 mol de ar desumidificado como base de cálculo, calcule o número de moles da corrente inicial, da água condensada, e do ar reciclado. Solução: 38 O fluxograma desse processo é mostrado na figura abaixo. As linhas pontilhadas destacam os subsistemas nos quais os balanços de massa podem ser aplicados. A forma do balanço de massa tem a forma SE . O sistema global e o subsistema demarcado ao redor do ponto de mistura são apropriados para análise do problema, pois envolvem as variáveis que queremos determinar. Balanço global do ar seco: molesnn 079,11993,092,0 11 Balanço molarglobal: condensadaáguademolesnnn 079,01 331 Balanço de massa no ponto de mistura: 512 nnn Balanço de massa da água no ponto de mistura: 251 056,0007,008,0 nnn Utilizando o valor conhecido de 1n nas duas últimas equações, montamos o seguinte sistema: 086,0007,0056,0 079,1 52 52 nn nn 39 O valor das variáveis pode ser facilmente encontrado se utilizarmos o método de Gauss (visto anteriormente no cap.01): 0256,0049,00 079,111 086,0007,0056,0 079,111 10 12122 AA LmLL Sendo 056,021m . Podemos agora escrever o seguinte sistema equivalente: 0256,0049,0 079,1 5 52 n nn Cuja solução é imediata e pode ser representada pelo vetor 5224,0 6014,1 n . Ou seja, 6014,12n e 5224,05n . 40 CAPÍTULO 3:BALANÇO DE ENERGIA 3.1 FORMAS DA ENERGIA A energia total de um sistema de acordo com Rousseau (2005) é composta basicamente por 3 componentes: 1. Energia cinética Energia devido ao movimento de translação do sistema como um todo em relação a um corpo de referência ou em relação à rotação do sistema sobre um eixo. 2. Energia potencial Energia do sistema associada à posição do sistema num campo potencial, como o campo gravitacional, por exemplo. 3. Energia interna Toda energia intrínseca do sistema excluindo-se as energias cinética e potencial, como a energia devido à movimentação, rotação e vibração das moléculas e as interações entre elas. 3.2 BALANÇO DE ENERGIA EM SISTEMAS FECHADOS Os sistemas podem ser classificados como abertos ou fechados ao avaliar se existe ou não massa cruzando as fronteiras do sistema durante uma análise. Um processo em batelada é por definição um sistema fechado, enquanto os processos em semibatelada e contínuos são sistemas abertos. Podemos utilizar a equação geral do balanço eq.(2.1), para escrever a equação integral do balanço de energia entre dois instantes de tempo. Como a energia de um sistema não pode ser nem criada nem destruída, os termos de geração e consumo são desconsiderados, temos então: SEA Num sistema fechado a energia pode ser transferida através das fronteiras do sistema na forma de calor ou trabalho, diferentemente do balanço de massa num sistema fechado, no qual a massa não atravessa as fronteiras do sistema 41 e os termos de entrada e saída eram desconsiderados. Podemos também escrever a expressão anterior na seguinte forma: SEsistemaopara atransferidtotalenergia sistemado inicialenergia sistemado finalenergia (3.1) PiCii EEU sistemado inicialenergia PfCff EEU sistemado finalenergia WQ SEsistemaopara atransferidtotalenergia Onde os subscritos i e f indicam os estados inicial e final do sistema, e WeQEEU PC ,,, representam a energia interna, a energia cinética, a energia potencial, o calor recebido pelo sistema do meio, e o trabalho realizado pelo sistema sobre o meio, respectivamente. Então reescrevemos a eq.(3.1) na forma: WQEEEEUU PiPfCiCfif ou WQEEU PC (3.2) A eq.(3.2) é a forma básica da primeira lei da termodinâmica para sistemas fechados. Como Rousseau (2005) afirma, as seguintes observações podem ser feitas antes de utilizar esta equação: A energia interna do sistema depende quase exclusivamente da composição química, do estado de agregação e da temperatura dos materiais. É dependente também da pressão para gases ideais (sólidos e líquidos sofrem pouca influência da pressão). Se não ocorrem variações de temperatura, mudanças de fase, ou reações químicas num sistema fechado e a variação de pressão for desprezível, então 0U . Se o sistema não está acelerando, então 0CE . Se o sistema não tem quedas ou subidas, então 0PE . Se o sistema é isolado ou se o sistema e suas redondezas estão à mesma temperatura, então o processo é adiabático, então 0Q . O trabalho é realizado pelo ou sobre o sistema pela movimentação das fronteiras do sistema contra uma força de resistência, ou pela passagem de uma corrente elétrica ou radiação através das fronteiras. Se não houverem partes em movimento, correntes elétricas ou radiação, então 0W . 42 3.3 BALANÇO DE ENERGIA DE SISTEMAS ABERTOS EM ESTADO ESTACIONÁRIO O sistema é dito aberto quando existe massa atravessando suas fronteiras enquanto o processo está ocorrendo. Trabalho deve ser realizado sobre o sistema para que haja a entrada de massa, e trabalho deve ser feito pela massa na saída sobre o meio. Estes termos devem ser considerados na equação do balanço de energia. O trabalho resultante realizado pelo sistema sobre o meio pode ser escrito como: flS WWW (3.3) Sendo o SW trabalho de eixo, que é a taxa de trabalho feito pelo fluido do processo sobre um eixo de movimentação dentro do sistema; e flW a taxa de trabalho do fluido na saída do sistema menos a taxa de trabalho na entrada do sistema. Por exemplo, para calcular a taxa de trabalho da seguinte unidade de processo com uma única entrada e uma única saída. Fig.3.1 – Unidade de processamento qualquer. O fluido que entra no sistema tem trabalho, feito sobre ele pela quantidade de fluido anterior, dadopela relação: ententent VPW (3.4) E o fluido que deixa o sistema executa trabalho com a taxa: saisaisai VPW (3.5) Logo a taxa resultante será: ententsaisaifl VPVPW (3.6) Se houvessem várias correntes de entrada e saída no sistema, teríamos simplesmente que somar o trabalho efetuado pelas correntes de saída 43 saiisaii VP ,, e subtrair pelo somatório do trabalho das correntes de entrada entienti VP ,, . A primeira lei da termodinâmica para um sistema aberto em estado estacionário pode ser escrita na forma, SE . O termo de entrada representa a taxa total de transporte de energia cinética, potencial e energia interna de todas as correntes de entrada mais a taxa na qual a energia é transferida como calor. O termo de saída representa a taxa de energia total transportada pelas correntes de saída mais a energia que sai como trabalho. Se jE representa a taxa total de energia transportada pela j-ésima corrente de entrada ou saída, e as taxas de calor e trabalho na entrada e saída do processo são Q e W , podemos escrever: SE WQEEEWEQ entradade correntes j saídade correntes j saídade correntes j entradade correntes j (3.7) Se PjCj EEm ,, e jU são taxas de massa, energia cinética, energia potencial e energia interna para a j-ésima corrente de processo, então a taxa de energia na qual a energia entra ou sai do sistema através desta corrente é: PjCjjj EEUE jj j jjjj gzm u mUmE 2 ˆ 2 j j jjj gz u UmE 2 ˆ 2 (3.8) Onde ju é a velocidade da j-ésima corrente e jz é a altura da corrente referente a um plano no qual 0PE . (O acento circunflexo sobre as variáveis indica que ela é específica). O trabalho total realizado pelo sistema sobre o meio é igual ao trabalho de eixo mais o trabalho do fluido em movimento, se jV é o fluxo volumétrico da j- ésima corrente e jP é a pressão dessa corrente enquanto cruza as fronteiras do sistema, então: entradade correntes jj saídade correntes jjfl VPVPW , sendo jjj VmV ˆ , então: entradade correntes jjj saídade correntes jjjSfl VPmVPmWW ˆˆ (3.9) Substituindo as eqs.(3.8) e (3.9) na eq.(3.7), e colocando os termos VP ˆ no lado esquerdo da igualdade, resulta em: 44 s entradade correntes j j jjjj saídade correntes j j jjjj WQgz u VPUmgz u VPUm 2 ˆˆ 2 ˆˆ 22 (3.10) A eq.(3.10) pode ser utilizada pode ser utilizada para resolver qualquer problema de balanço de energia de sistemas abertos em estado estacionário. Entretanto, podemos simplificar esta expressão, pois o termo jjj VPU ˆˆ pode ser escrito como jHˆ (entalpia específica), logo reescrevemos a eq.(3.10) na forma: s entradade correntes j j jj saídade correntes j j jj WQgz u Hmgz u Hm 2 ˆ 2 ˆ 22 (3.11) Mas entradade correntes jj saídade correntes jj HmHmH ˆˆ entradade correntes j j saídade correntes j jC u m u mE 22 22 entradade correntes jj saídade correntes jjP gzmgzmE Então a eq.(3.11) se torna: SPC WQEEH (3.12) 45 CAPÍTULO 4:SOLUÇÃO DE PROBLEMAS DE BALANÇO COM AUXÍLIO DA COMPUTAÇÃO A resolução das equações de balanço de massa e energia em muitos casos pode consumir muito tempo. Uma alternativa para solucionar estes problemas é desenvolver um algoritmo para resolução dos cálculos e utilizar um programa computacional para implementá-lo. De modo geral existem dois métodos de resolução que podem ser aplicados sobre as equações de balanço dos processos: simulação sequencial modular e a simulação baseada em equações. 4.4.1 SIMULAÇÃO SEQUENCIAL MODULAR O primeiro passo na montagem do processo na abordagem sequencial modular é reconstruir o fluxograma do processo em termos de blocos ou módulos (unidades de processo ou operações) com as correntes interconectando-os. A seguinte nomenclatura é pode ser utilizada para identificar estes blocos: MIST - mistura de várias correntes de entrada adiabaticamente na formação de uma corrente de produto; SEP – separação de uma corrente única de entrada em duas ou mais correntes de produtos; COMP – aumento da pressão de um gás de um determinado valor; BOMBA – aumento da pressão de um líquido de um determinado valor; FLASH–converte uma corrente líquida numa pressão para uma corrente de vapor numa pressão mais baixa; DESTILA EXTRAI CRISTALIZA ABSORVE REATOR – simula o reator químico. Para simular um processo você pode utilizar um programa de computador, você irá construir um fluxograma, e depois atribuir os valores conhecidos para simula os processos de separação da destilação, extração, cristalização e absorção; 46 os blocos e correntes do sistema. Posteriormente a simulação é iniciada, e uma série de blocos chamados de sub-rotinas lhe guiará até a solução das equações de balanço de massa ou energia. Por exemplo, suponha que duas correntes de entrada S1 e S2 são misturadas adiabaticamente formando uma corrente de saída S3, neste caso o bloco MIX pode ser utilizado para simular esta operação, observe a fig.4.1. Fig.4.1 – Bloco (ou módulo) usado na mistura de correntes. As correntes S1, S2 e S3 podem ser vetores contendo informações sobre composição, temperatura, fluxo, etc. em cada corrente, nesse caso o programa deve calcular o valor dos componentes da corrente de saída S3 a partir dos balanços de massa e energia. Exemplo 4.1–Duas correntes devem ser misturadas adiabaticamente. Cada corrente pode conter qualquer um dos componentes A, B, C, D e E. Não há mudança de fase, a capacidade calorífica do todos os componentes são constantes e o calor da mistura é desprezível. É necessário calcular o fluxo molar e a temperatura da corrente de saída a partir de valores específicos das correntes de entrada, para isso você deve criar uma rotina para ser executada por um programa. a) Escreva equações para os fluxos da corrente do produto e temperatura. b) Crie uma tabela para determinar os valores das variáveis da corrente do produto para quaisquer valores de fluxo e temperatura das correntes de 47 alimentação. Utilize os seguintes valores para capacidade calorífica das espécies: Espécie A B C D E CmolJC op / 87,2 125,9 160,4 174,8 187,3 Solução: a) As equações do balanço de massa são bastante simples: 321 AAA nnn (1) 321 BBB nnn (2) 321 CCC nnn (3) 321 DDD nnn (4) 321 EEE nnn (5) Vamos escolher um estado de referência para cada componente do sistema: fase líquida ou gasosa, temperatura 1T e pressão 1 atm. Sabendo que a entalpia específica de um componente, por exemplo, o componente A, equivale a 133 ˆ TTCH pAA , escrevemos o balanço de energia para este sistema aberto e adiabático: entradade correntes jj saídade correntes jj HnHnH ˆˆ0 01222222 1333333 TTCnCnCnCnCn TTCnCnCnCnCn pEEpDDpCCpBBpAA pEEpDDpCCpBBpAA Todas as entalpiada corrente 1 são nulas, por isso não foram escritas na expressão anterior. Resolvendo a equação para 3T temos: 12 33333 22222 13 TT CnCnCnCnCn CnCnCnCnCn TT pEEpDDpCCpBBpAA pEEpDDpCCpBBpAA (6) b) Podemos construir uma tabela associada ao fluxograma para determinação das variáveis desconhecidas em função das variáveis das duas correntes de entrada. Para isso vamos utilizar o Excel®, que é bastante útil e simples neste caso, pois se o valor de alguma variável for modificado, os resultados são automaticamente atualizados. 48 Se os valores das correntes de entrada forem iguais aos mostrados na tabela da figura acima, então: 8;9,27;44;56;5,43 33333 EDCBA nnnnn e CT o9,363 . Estes valores referentes a corrente de saída, foram calculados da seguinte forma: 1679 1568 AAL AAL 18911 17810 AAL AAL 191012 AAL Que são equivalentes as equações (1), (2), (3), (4), (5), e 1120* 3*123*113*103*93*8 3*193*183*173*163*15 113 AA GLFLELDLCL GAFAEADACA AT Que é equivalente a temperatura dada pela equação (6). Exemplo 4.2– A figura abaixo ilustra um sistema com duas unidades de processamento e uma corrente de reciclo. Calcule a quantidade reciclada R como uma função de (fração de reciclada de A). Use 5,0 e 9,0 para comparação. 49 Solução: Balanço de massa para a unidade 1: BRBRA 100 Balanço de massa para unidade 2: PRB Sendo a fração de reciclo RB . Assim, temos um problema com três equações e três incógnitas a ser resolvido, por isso, como visto no cap.01, podemos encontrar a solução deste sistema reduzindo-o à forma escada. O sistema: 0 0 100 RB PRB RB possui a seguinte matriz ampliada: 001 0111 100011 Entuando as operações a seguir o sistema é reduzido à forma escada: 50 100100 1 100010 1 1 100001 100100 11 100 010 11 100 100001 100100 11 100 010 100011 100100 1000/110 100011 1000110 100100 100011 0011 100100 100011 001 0111 100011 121 2233 32 133 3 3 122 11/ LLL LLLL LL LLL L L LLL E assim podemos obter os seguintes resultados: 1 1 100B 1 100R 100P Substituindo os valores de dados no enunciado da questão: Para 5,0 : 200B 100R 100P Para 8,0 : 500B 400R 100P A simulação modular para encontrar a solução envolveria resolver a equação da unidade 1 para encontrarB assumindo um valor para R. A unidade 2 seria então resolvida para R, esse valor de R seria comparado com o valor de R assumido. Se o erro for grande, o valor de R calculado usando a unidade 2 seria o novo valor assumido, então resolveríamos novamente a unidade 1 para B, e resolveríamos a unidade 2 para R outra vez. Esse procedimento é repetido até que o erro seja suficientemente pequeno. 51 Se a estimativa inicial é que R=0, então o valor inicial de B será igual a 100, e as equações são escritas na seguinte forma: kk RB 100 kk BR Sendo k o índice usado na contagem das iterações. Uma quantidade suficente de iterações resulta na convergência das variáveis para o resultado desejado. Para 5,0 : k R RB 100 BR 1 0 100 50 2 50 150 75 3 75 175 87,5 4 87,5 187,5 93,75 100 200 100 Para 8,0 : k R RB 100 BR 1 0 100 80 2 80 180 144 3 144 244 195,2 4 195,2 295,2 236,16 400 500 100 4.4.2 SIMULAÇÃO BASEADA EM EQUAÇÕES Enquanto a abordagem sequencial modular resolve sistema de equações em blocos, que correspondem as operações unitárias do processo, a simulação baseada em equações coleta as equações das unidades e as resolve simultaneamente. Cada método possui suas desvantagens. A simulação sequencial modular encontra dificuldade ao tentar solucionar problemas de duas categorias: 1. Conhecendo as condições do processo e as variáveis da corrente dos produtos, calcular as variáveis da corrente na alimentação; 2. Conhecendo as variáveis das correntes de alimentação e dos produtos, calcular as condições do processo. Em ambos os casos é necessário usar cálculos iterativos usando as especificações do projeto, e este problema é resolvido quando o sistema de equações é coletado e resolvido para as variáveis desconhecidas 52 simultaneamente, usando programas como Matlab®, Maple®,etc. Entretanto a solução de um grande número de equações simultaneamente pode ser pesado e demorado até mesmo para computadores potentes. O exemplo a seguir ilustra a simulação baseada em equações. Exemplo 4.3– Uma corrente é alimentada numa coluna de destilação contendo o seguinte percentual em massa: 40% de benzeno (B),25% de tolueno(T) e 35% de xileno (X). O produto da corrente superior dos produtos contém 72,2% de benzeno e 28,6% de tolueno em massa. A corrente da saída inferior da primeira coluna é usada para alimentar uma segunda coluna. O produto da corrente superior dos produtos da segunda coluna contém 4,3% de benzeno e 92,6% de tolueno em massa. Um percentual de17 % do tolueno e 85% do xileno alimentados no processo são recuperados na corrente de saída inferior da segunda coluna. Estabeleça as equações de balanço de massa do processo. Solução: Tomando como base uma alimentação de 100 kg, escrevemos as equações do problema: Para coluna 1: B 21673,035 mm T 31306,050 mm X 41021,015 mm Para a coluna 2: B 652 059,0 mmm T 753 926,0 mmm X 854 015,0 mmm Das especificações do processo: Recuperação de 10% de T: 5501,07m 53 Recuperação de 93,3% de X: 1415933,08m Podemos resolver este conjunto de equações utilizando o método de Gauss, (revise o cap.01) juntamente com a estratégia de pivoteamento parcial, escrevemos inicialmente a matriz ampliada do sistema: 140015,01000 50926,00100 01059,00010 1500100021,0 5000010306,0 3500001673,0 0A Efetuamos então as operações 13133 12122 LmLL LmLL , sendo 455,0 673,0 306,0 21m , 0312,0 673,0 021,0 31m , para obtermos: 140015,01000 50926,00100 01059,00010 908,1300100312,00 075,340001455,00 3500001673,0 1A Realizamos a seguir a troca das linhas 2 e 4 42 LL e efetuamos as operações 24244 23233 LmLL LmLL , sendo 0312,0 1 0312,0 32m , 455,0 1 455,0 42m : 140015,01000 50926,00100 075,34455,000268,00100 908,130312,000184,01000 01059,00010 3500001673,0 2A Organizamos novamente a matriz ao trocar as linhas 2 e 4 43 LL e efetuando a operação 35355 LmLL , sendo 153m , para obtermos: 54 140015,01000 075,29455,0923,00000 908,130312,000184,01000 075,34455,000268,00100 01059,00010 3500001673,0 3A Efetuamos então a operação 46466 LmLL , sendo 164m : 092,00312,001316,00000 075,29455,0923,00000 908,130312,000184,01000 075,34455,000268,00100 01059,00010 3500001673,0 4A E finalmente a operação 56566 LmLL , sendo 0143,0 923,0 01316,0 65m , resultando em: 5078,00247,000000 075,29455,0923,00000
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