Capítulo 11 - Múltiplas Unidades

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Capítulo 11
Fundamentos da 
Engenharia de 
Processos
Professora Fabíola Oliveira da Cunha
DEQ/IT/UFRRJ
Escalonamento 
Suponha o sistema: 
1 kg de benzeno sendo 
misturado com 1 kg de tolueno. 
Este processo está 
“balanceado”, pois os balanços 
de massa dos dois componentes 
são satisfeitos.
ESCALONAMENTO: 
Procedimento de mudar os 
valores de todas as quantidades 
ou vazões mássicas das 
correntes por uma quantidade 
proporcional, deixando as 
composições das correntes 
inalteradas.
Escalonamento – Exemplo 
Na conversão de biomassa em etanol, que pode ser usado como
combustível ou na síntese de outros produtos químicos, o etanol
sintetizado sai do reator de fermentação em uma solução aquosa
contendo aproximadamente 3,0% molar com (para fins desta ilustração) o
restante de água. Cem mols da mistura é alimentada a uma coluna de
destilação na qual ela é separada em duas correntes: o destilado, que
contém a maior parte do etanol (E) da alimentação, e uma corrente de
rejeito contendo basicamente água (W). Um fluxograma do processo é
mostrado abaixo.
A mesma separação é desejada para
um processo com a produção contí-
nua de 100,0 lb-mol/h de destilado.
Após confirmar que os balanços em
etanol e água fecham, aumente a
escala do fluxograma de acordo com
a nova condição.
Escalonamento 
Fator de Escala:
Escalonamento:
Novo Diagrama de Fluxo:
Balanço Material Envolvendo Múltiplas Unidades
Fluxograma de Processo: é uma representação gráfica de um 
processo. Descreve o processo real com suficientes detalhes de 
modo que você pode usá-lo para formular balanços materiais e 
de energia. 
Balanço Material Envolvendo Múltiplas Unidades
Diagrama de Blocos: as unidades aparecem como boxes 
simples chamados subsistemas, em vez da descrição mais 
elaborada do fluxograma.
Balanço Material Envolvendo Múltiplas Unidades
Misturador: duas ou mais correntes de entrada 
de diferentes composições são combinadas.
Divisor: duas ou mais correntes saem todas 
tendo a mesma composição.
Separador: duas ou mais correntes saem 
podendo ter diferentes composições. 
Balanço Material Envolvendo Múltiplas Unidades
Examine a figura: Combinação sequencial de 
unidades. Mistura e divisão seriais em um 
processo sem reação.
3 componentes no misturador 
4 componentes no bloco
1) Quantas unidades de processo existem?
2) A composição da corrente 5 é a mesma do 
interior do bloco?
3) Existem correntes de mesma composição?
Quantos Balanços Materiais podem ser formulados?
Subsistemas
Balanço Material 
Global: todas as 
unidades estão dentro 
do limite estabelecido.
Balanços por Unidade
Balanços sobre 
combinações de duas 
ou mais unidades 
simultaneamente Total: 6
Equações
Balanços Equações
Global 4 BM Componente + 1 BM Total 
Por Unidade 3 BM Componente + 1 BM Total
4 BM Componente + 1 BM Total
4 BM Componente + 1 BM Total
Combinação 1 4 BM Componente + 1 BM Total
Combinação 2 4 BM Componente + 1 BM Total
Total 29 BM
Equações Independentes
Balanços Equações
Unidade 1 – Misturador 3 BM Componente 
Unidade 2 – Misturador 4 BM Componente
Unidade 3 – Divisor 1 BM Total
Total 8 BM
Em geral, podemos escrever uma Equação Independente 
de balanço material para cada componente presente em 
cada unidade.
EXCEÇÃO: Divisores – nesse caso, só existe UMA Equação 
Independente.
Estratégia
Determinar os graus de liberdade para os vários 
subsistemas, onde aquele que possuir GL = 0 é o 
ponto de partida. 
Frequentemente, a melhor maneira é começar 
pelos balanços materiais do processo global. 
Reciclo, Desvio (By-pass) e Purga
Reciclo: material é retroalimentado de uma unidade a 
jusante para uma unidade a montante do sistema. 
By-pass: corrente que desvia de um ou mais estágios do 
processo, isto é, vai diretamente a outro estágio a jusante do 
sistema.
Purga: corrente que “sangra” do processo um acúmulo de 
inertes ou material indesejado.
Reciclo
Exemplo
Acetona é usada na fabricação de 
muitos produtos químicos e 
também como solvente. Nesse 
último caso, muitas restrições são 
colocadas na liberação do vapor 
de acetona para o meio ambiente. 
Pediram para você projetar um 
sistema de recuperação de 
acetona, tendo o fluxograma 
ilustrado na Figura. Todas as 
concentrações de gases e 
líquidos, aí mostradas, são 
especificadas em percentagem 
em peso, nesse caso especial, 
para tornar os cálculos mais 
simples. Calcule A, F, W, B e D em 
quilogramas por hora, sabendo 
que G = 1400 kg/h.
Exemplo
A Figura mostra o processo 
e os dados conhecidos. 
Pediram para você calcular 
as composições de cada 
corrente de escoamento e a 
fração do açúcar na cana 
(F) que é recuperada em M.
Exemplo
Uma unidade de separação em dois 
estágios é mostrada na Figura ao 
lado. Dado que a corrente de 
entrada F1 é 1000 lb/h, calcule o valor 
de F2 e a composição de F2.
Estado Estacionário
Sem Reação Química
Entra = Sai
Base de Cálculo: F = 1000 lb/h
Subsistema NI NE
1 5 3 BM + i
F2
2 6 3 BM + i
F2
1+2 3 3 BM
Face aos altos custos de combustíveis e a 
incerteza de suprimento de um 
combustível particular, muitas 
companhias operam dois fornos: um que 
queima gás natural e o outro que queima 
óleo combustível. Na RAMAD Corp., cada 
forno tem seu próprio suprimento de 
oxigênio; o forno a óleo usa, como fonte 
de oxigênio, uma corrente que tem a 
seguinte composição: 20% de O2; 76% de 
N2 e 4% de CO2. Os gases de exaustão de 
ambos os fornos saem pela mesma 
chaminé. Veja a Figura. Note que as duas 
saídas são mostradas na chaminé em 
comum para assinalar que a análise do 
gás de exaustão está em base seca, mas 
vapor de água também existe.
A composição do óleo combustível é dada em frações 
molares para poupá-lo do incômodo de converter 
frações mássicas em frações molares. Durante uma 
tempestade de neve, todos os transportes para a 
RAMAD Corp. foram interrompidos e os oficiais 
estavam preocupados com a diminuição nas reservas 
de óleo combustível, visto que o suprimento de gás 
natural estava sendo usado na sua máxima taxa 
possível. A reserva de óleo combustível era apenas de 
560 barris. Por quantas horas a companhia poderia 
operar antes de encerrar as atividades, se nenhum 
combustível adicional fosse obtido? Quantos libra-mols
por hora de gás natural estavam sendo consumidos? A 
carga mínima de aquecimento para a companhia 
quando transformada em saída de gás de exaustão foi 
6205 lb mol/h de gás seco de exaustão. A análise dos 
combustíveis e do gás de exaustão nesse tempo estão 
mostradas na Figura. A massa molar do óleo 
combustível era 7,91 lb/lb mol e sua massa específica 
era 7,578 lb/galão.
Base de Cálculo: 1 hora de processo ou 
P = 6205 lb mols
Número de Incógnitas = 5 (A, G, F, A* e W)
Número de Equações = 5 (5 BM por elemento)
Entrada = Saída
H G.[(0,96).(4) + (0,02).(2)] + F.(0,47).(2) = W.(1).(2)
N A.(0,79).(2) + A*.(0,76).(2) = 6205.(0,8493).(2) 
O A.(0,21).(2) + A*.[(0,20).(2) + (0,04).(2)] + G.(0,02).(2) = 6205.(0,0413 + 0,001 + 0,1084).(2) + W 
S F.(0,03).(1) = 6205.(0,0010).(1)
C G.[(0,96).(1) + (0,02).(2) + (0,02).(1)] + F.(0,50) + A*.(0,04) = 6205.(0,1084).(1)
F = 207 lb mol/h 
G = 498 lb mol/h
Cálculo do Consumo de Óleo Combustível:
Cálculo do tempo de duração dos 560 barris: