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PQI 3103 Conservação de Massa e Energia Balanço de Energia III Pesquisa em Processos Oxidativos Avançados Research in Advanced Oxidation Processes Prof. Dr. Antonio Carlos S. C. Teixeira (acscteix@usp.br) Centro de Engenharia de Sistemas Químicos – Grupo de Pesquisa em Processos Oxidativos Avançados (AdOx) Departamento de Engenharia Química – Escola Politécnica da USP Edifício Semi-Industrial, bloco A, 3o andar http://sites.usp.br/adox processos com mudança de fase Temperatura de ebulição normal e DH de vaporização à temperatura de ebulição normal: Tabela 2, págs. 637-640 - Reklaitis, G.V. Introduction to Material and Energy Balances. J. Wiley, New York, 1983. DDD 2 1 )(ˆ)(ˆ)(ˆ)(ˆ)(ˆ)(ˆ)(ˆˆ ,LV,SL,12 T T vaporpebulição T T líquidopfusão T T sólidop ebulição ebulição fusão fusão dTTCTHdTTCTHdTTCTHTHH substância pura P constante Tfusão Tebulição )(ˆ SL fusãoTHD )(ˆ LV ebuliçãoTHD T1 T2 Tb DHLV (Tb) ~ (1 atm) estimação da entalpia de vaporização Equação de Clausius-Clapeyron D 12, , 11 ~ ln 2 1 TTR H P P LV Tvap Tvap Equação de Chen (entalpia padrão de vaporização à temperatura de ebulição normal Tb) )/(07,1 ]log0297,00327,0)/(0331,0[ )kJ/mol( ~ LV cb ccbb TT PTTT H D n c c TT TT THTH DD 1 1LVLV )( ~ )( ~ Correlação de Watson Tc = temperatura crítica (K) n = 0,38 para muitas substâncias T1 = temperatura (K) à qual se conhece )(ˆ 1LV THD exemplo 1 – trocador de calor com mudança de fase O2 1 bar, 25 oC 100 kmol/h 1 2 3 4 O2 1 bar, 200 oC 100 kmol/h C6H6 vapor superaquecido 5,5 bar 250 oC C6H6 líquido saturado 5,5 bar j = 1, ..., J correntes de entrada k = 1, ..., K correntes de saída s = 1, ..., S espécies químicas sistema aberto, estado estacionário, DEp e DEc desprezíveis; Q = Ws = 0 .. O2 1 bar, 25 oC 100 kmol/h 1 2 3 4 O2 1 bar, 200 oC 100 kmol/h C6H6 vapor superaquecido 5,5 bar 250 oC 13,156 kmol/h (1026 kg/h) C6H6 líquido saturado 5,5 bar 147 oC 13,156 kmol/h (1026 kg/h) trocador de calor: qual configuração de escoamento (co-corrente ou contra-corrente) é possível? 25oC 200oC 147oC 250oC contra-corrente co-corrente 25oC 200oC 147oC 250oC contra-corrente (possível) co-corrente (não é possível) trocador de calor (escoamento contra-corrente) O2 1 bar, 25 oC 100 kmol/h 1 2 3 4 O2 1 bar, 200 oC 100 kmol/h C6H6 vapor superaquecido 5,5 bar 250 oC C6H6 líquido saturado 5,5 bar 147 oC análise do No de GL em trocadores de calor D 3 4 666666 1 2 22 666666222 0] ~ )( ~ [ ~ 0) ~~ () ~~ ( )(HC,4HCLV,HC)(O,O 4,HC3,HCHC2,O1,OO T T gp T T gp dtCTHFdtCF HHFHHF BE NVI 2 vazões + 4 T NVEI 1 vazão + 4 T NBI 1 BE NRI 0 No GL 0 4,HC3,HC 2,O1,O 6666 22 FF FF balanço material é trivial: exemplos vistos até o momento exemplo 2 – mistura de correntes de vapor corrente 1 interpolando entre 10 e 20 bar: 2786,7 kJ/kg 196,15 oC corrente 1 corrente 2 corrente 3 D. M. Himmelblau e J. B. Riggs, Engenharia Química - Princípios e Cálculos. Trad. da 7ª. Ed. Editora LTC, Rio de Janeiro, 2006. 888p. 1 2 3 exemplo 2a – mistura não adiabática 20 kg/h vapor saturado 15 bar vapor 300 kg/h 15 bar superaquecimento de 51,7 oC vapor 15 bar, 325 oC 1 2 3 Q = ? . m2 = ? . 20 kg/h vapor saturado 15 bar vapor 15 bar, 325 oC 1 2 3 m2 = ? . m3 = ? . Q = 0 . vapor 15 bar superaquecimento de 51,7 oC exemplo 2b – mistura adiabática análise do No de GL BM e BE desacoplados: podem ser resolvidos separadamente BM e BE acoplados: sistema de equações 0ˆˆˆ 332211 sWQHmHmHm 0); 00611,0 ; 01,0(ˆ),,(ˆˆ o OHPTPTPTOH,OH 222 líquidobarCHPTHH ref para vapor d’água (tabelas de vapor ) estado de referência: água líquida no ponto triplo (PT) 0])ˆˆ()ˆˆ([ 1 1 ,OH,OH,OH 1 ,OH,OH,OH 222222 s S s K k refkj J j refjj WQHHmHHm 0]ˆˆ[ 1 1 ,OH,OH 1 ,OH,OH 2222 s S s K k kk J j jj WQHmHm balanço de energia incluindo condição de referência sistema aberto, estado estacionário, DEp e DEc desprezíveis, sem reações químicas 0] ~~ [ 1 1 ,, 1 ,, s S s K k ksks J j jsjs WQHFHF refsksrefsks refsjsrefsjs HFHF HFHF ,,,, ,,,, ~~ ~~ j = 1, ..., Jpara todo k = 1, ..., Kpara todo ),,( ~~ , refrefrefsrefs PTHH entalpia em uma condição de referência arbitrária Agregam-se os seguintes termos à equação do BE para todo s = 1, ..., S : 0] ~~ [ 1 1 ,, 1 ,, s S s K k ksks J j jsjs WQHFHF 0] ~~ [ ]) ~~ () ~~ ([ 1 1 ,, 1 ,, 1 1 ,,, 1 ,,, s S s K k refsks J j refsjs S s K k refsksks J j refsjsjs WQHFHF HHFHHF 0][ ~ ]) ~~ () ~~ ([ 1 1 , 1 ,, 1 1 ,,, 1 ,,, s S s K k ks J j jsrefs S s K k refsksks J j refsjsjs WQFFH HHFHHF 0][ ~ ]) ~~ () ~~ ([ 1 1 , 1 ,, 1 1 ,,, 1 ,,, s S s K k ks J j jsrefs S s K k refsksks J j refsjsjs WQFFH HHFHHF Em um sistema sem reações químicas: 0 1 , 1 , K k ks J j js FF 0]) ~~ () ~~ ([ 1 1 ,,, 1 ,,, s S s K k refsksks J j refsjsjs WQHHFHHF sistema aberto, estado estacionário, DEp e DEc desprezíveis, sem reações químicas 0])),,( ~ ),,( ~ ()),,( ~ ),,( ~ ([ 1 1 , 1 , s S s K k refrefrefskkksks J j refrefrefsjjjsjs WQPTHPTHFPTHPTHF 0]),,( ~ ),,( ~ [ 1 1 , 1 , s S s K k kkksks J j jjjsjs WQPTHFPTHF j = 1, ..., J correntes de entrada k = 1, ..., K correntes de saída s = 1, ..., S espécies químicas ),,( ~ refrefrefs PTH entalpia em uma condição de referência arbitrária exemplo 3 – quenching adiabático exemplo 3 – quenching adiabático C6H6 (B) líquido 1 atm, 20 oC 1000 kmol/h 1 atm, 400 oC, gás C6H6 40% (B) C6H5CH3 30% (T) CH4 10% (M) H2 20% (H) 1 2 3 1 atm, 200 oC, gás C6H6 (B) C6H5CH3 (T) CH4 (M) H2 (H) % molares FC6H6 = F1 = ? análise do No de GL BM e BE acoplados: sistema de equações 0]) ~~ () ~~ ([ 1 1 ,,, 1 ,,, s S s K k refsksks J j refsjsjs WQHHFHHF sistema aberto, estado estacionário, DEp e DEc desprezíveis, sem reações químicas ),,( ~~ , refrefrefsrefs PTHH entalpia em uma condição de referência arbitrária (1 atm) exercício – coluna de destilação a) Realize a análise do número de graus de liberdade completa para a coluna, condensador, refervedor, volume de controle global e processo. Com base nas informações fornecidas, é possível determinar todas as variáveis não especificadas? Justifique. b) Calcule a taxa de calor consumido pelo processo como um todo (em cal h-1). c) Calcule as cargas térmicas do refervedor e do condensador (em cal h-1).
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