Prévia do material em texto
<p>EB 602</p><p>Operações Unitárias</p><p>Profa. Marcela Cravo Ferreira</p><p>2° sem/2024</p><p>Aula Balanço de massa</p><p>Referências básicas</p><p>FOUST. Princípio das</p><p>Operações Unitárias.</p><p>LTC, 2013;</p><p>REYNOLDS, T.D.; RICHARDS,</p><p>P. Unit Operations and</p><p>Processes in environmental</p><p>Engineering. PWS Publishing,</p><p>1995.</p><p>CREMASCO. Operações</p><p>Unitárias em Sistemas</p><p>Particulados e</p><p>Fluidodinâmicos. Blucher,</p><p>2013.</p><p>Referências básicas</p><p>• McClabe. Unit Operations of Chemical Enginnerig. MCGraw Hill</p><p>• REYNALDO GOMIDE. Operações Unitárias.</p><p>• GEANKOPLIS. Transport Process and Unit Operations, PrenticeHall.</p><p>• METCALF & EDDY, Inc.: Wastewater Engineering: Treatment, Disposal and</p><p>Reuse. 4a. edição. McGraw-Hill, New York, 2002</p><p>E-BOOK</p><p>Princípios de engenharia ambiental</p><p>Mackenzie L. Davis ; Susan J. Masten.</p><p>E-BOOK</p><p>Princípios de tratamento de água</p><p>Kerry J. Howe</p><p>E-BOOK</p><p>Tratamento de efluentes e</p><p>recuperação de recursos</p><p>Metcalf and Eddy Inc.</p><p>E-BOOK</p><p>Operações unitárias em sistemas</p><p>particulados e fluidomecânicos</p><p>Marco Aurélio Cremasco.</p><p>E-BOOK</p><p>Tratamento de lodos de estações</p><p>de tratamento de água / Carlos A.</p><p>Richter</p><p>E-BOOK</p><p>Operação de caldeiras :</p><p>gerenciamento, controle e</p><p>manutenção</p><p>Manoel Henrique Campos</p><p>Botelho ; Hercules Marcelo</p><p>Bifano.</p><p>E-BOOK</p><p>Operações Unitárias na Indústria de</p><p>Alimentos</p><p>TADINI, Carmen Cecilia</p><p>E-BOOK</p><p>Operações Unitárias para Químicos,</p><p>Farmacêuticos e Engenheiros</p><p>TERRON, L.R</p><p>Operações</p><p>Unitárias</p><p>Operações Unitárias</p><p>Processo:</p><p>Para um engenheiro desenvolver, projetar, controlar e otimizar um processo é</p><p>preciso compreender sua natureza:</p><p>✓Aspectos microscópicos (propriedades físico químicas, grandezas</p><p>termodinâmicas e fenomenológicas)</p><p>✓Aspectos macroscópicos (balanço de matéria e de energia,</p><p>detalhamento de equipamentos e acessórios, instrumentação, etc.)</p><p>Relação entre fenômenos de</p><p>transporte e operações unitárias</p><p>✓ Operação unitária: Etapa do processo de natureza física</p><p>✓ Etapas individuais visando o tratamento, separação, transporte</p><p>físico de matéria ou energia presentes em um processo</p><p>Operações Unitárias</p><p>Sistemas Fluidomecânicos</p><p>✓ Bombas</p><p>✓ Ventiladores, compressores e sopradores</p><p>✓ Agitadores</p><p>Sistemas Fluidomecânicos</p><p>Escoamento de fluídos</p><p>✓ Transporte de fluídos newtonianos e não-newtonianos</p><p>✓ Dimensionamento de bombas e máquinas de fluxo</p><p>Sistemas Fluidomecânicos</p><p>Escoamento de fluídos</p><p>✓ Transporte de gases</p><p>Sistemas Fluidomecânicos</p><p>Agitadores</p><p>✓ Mistura</p><p>✓ Oxigenação</p><p>Sistemas particulados</p><p>Separação mecânica:</p><p>✓ Ciclones</p><p>✓ Centrífugas</p><p>✓ Sedimentação</p><p>✓ Flotação</p><p>✓ Filtração</p><p>Moagem</p><p>Sistemas particulados</p><p>Separação mecânica:</p><p>✓ Ciclones</p><p>✓ Aplicação: separação gás-sólido, sólido-sólido</p><p>Sistemas particulados</p><p>Separação mecânica:</p><p>✓ Centrífugas</p><p>Aplicação: separação líquido-sólido, líquido-líquido</p><p>Sistemas particulados</p><p>Separação mecânica:</p><p>✓ Sedimentadores</p><p>Aplicação: separação líquido-sólido, sólido-gás</p><p>Sistemas particulados</p><p>Filtração</p><p>Separação de sólidos e purificação</p><p>✓ Filtro prensa</p><p>✓ Filtro folha</p><p>✓ Meio filtrante granulado</p><p>✓ Tambor rotativo</p><p>✓ Filtros centrífugos</p><p>✓ Ultrafiltração</p><p>✓ Microfiltração</p><p>✓ Nanofiltração</p><p>✓ Osmose reversa</p><p>Sistemas particulados</p><p>Moagem</p><p>✓ Redução de tamanho</p><p>Operações Unitárias</p><p>Operações Energéticas</p><p>✓ Trocadores de Calor</p><p>✓ Secagem</p><p>✓ Evaporadores</p><p>Operações Energéticas</p><p>Secagem</p><p>Operações Energéticas</p><p>✓ Trocadores de Calor</p><p>✓ Evaporadores</p><p>Operações Energéticas</p><p>✓ Trocadores de Calor:</p><p>aquecimento, resfriamento</p><p>Operações Unitárias</p><p>Operações de transferência de massa</p><p>✓ Adsorção</p><p>✓ Absorção</p><p>✓ Troca de íons</p><p>Operações de transferência de massa</p><p>✓ Adsorção</p><p>✓ Absorção</p><p>Operações de transferência de massa</p><p>Troca de íons</p><p>Tratamento de água e águas</p><p>residuais:</p><p>•Desmineralização</p><p>•Remoção de amônia</p><p>•Remoção de matais pesados</p><p>Revisão de Fenômenos</p><p>DESEQUILÍBRIO</p><p>FORÇA MOTRIZ</p><p>GRADIENTE</p><p>TRANSPORTE</p><p>Exemplo: transporte de energia Exemplo: transporte de momento</p><p>Exemplo: transporte de massa</p><p>∆T</p><p>∆C</p><p>∆v</p><p>Sistemas Internacional SI</p><p>Dimensão Unidade</p><p>Comprimento metro (m)</p><p>Massa quilograma</p><p>(kg)</p><p>Tempo segundo (s)</p><p>Temperatura kelvin (K)</p><p>Corrente</p><p>elétrica</p><p>ampère (A)</p><p>Quantidade de</p><p>luz</p><p>candela (cd)</p><p>Quantidade de</p><p>matéria</p><p>mole (mol)</p><p>As sete dimensões fundamentais (ou</p><p>primárias) e suas unidades no SI</p><p>Múltiplo Prefixo</p><p>1012 tera, T</p><p>109 giga, G</p><p>106 mega, M</p><p>103 quilo, k</p><p>102 hecto, h</p><p>101 deca, da</p><p>10-1 deci, d</p><p>10-2 centi, c</p><p>10-3 mili, m</p><p>10-6 micro, µ</p><p>10-9 nano, n</p><p>10-12 pico, p</p><p>Prefixos padrão das unidades no SI</p><p>Balanço de massa</p><p>Processo industrial:</p><p>Quanto entra?</p><p>Quanto sai?</p><p>Quanto é gerado?</p><p>Acumulado?</p><p>Consumido?</p><p>Composição</p><p>Fração mássica da espécie i</p><p>𝑤𝑖 =</p><p>𝑚𝑖</p><p>𝑚</p><p>𝑤𝑖 = 1</p><p>Fração molar</p><p>𝑦𝑖 =</p><p>𝑁𝑖</p><p>𝑁</p><p>𝑦𝑖 = 1</p><p>𝑤𝑖 =</p><p>𝑚𝐴</p><p>𝑚𝐴 +𝑚𝐵</p><p>Relação: massa e mol</p><p>𝑁 =</p><p>𝑚</p><p>𝑀</p><p>M: massa molar</p><p>Massa molar da mistura</p><p>𝑀 =</p><p>𝑚</p><p>𝑁</p><p>=</p><p>σ𝑁𝑖𝑀𝑖</p><p>𝑁</p><p>=</p><p>𝑁𝑖</p><p>𝑁</p><p>𝑀𝑖 =𝑦𝑖𝑀𝑖</p><p>Fração mássica e molar</p><p>𝑤𝑖 =</p><p>𝑚𝑖</p><p>𝑚</p><p>=</p><p>𝑁𝑖 ∗ 𝑀𝑖</p><p>𝑁 ∗ 𝑀</p><p>= 𝑦𝑖</p><p>𝑀𝑖</p><p>𝑀</p><p>Composição</p><p>Fluxograma de processo</p><p>Os fluxogramas apresentam a sequência das operações unitárias, expondo</p><p>os aspectos básicos do processo. Indicam os pontos de entrada das</p><p>matérias-primas e da energia necessária e também os pontos de saída dos</p><p>produtos e subproduto</p><p>Blocos par representar as unidades</p><p>do processo</p><p>Setas para representar as correntes</p><p>de entrada e saída.</p><p>Fluxograma de processo</p><p>• Posicione as setas indicadoras das correntes de entrada e saída</p><p>em cada etapa, numerando cada corrente;</p><p>• Atribua símbolos algébricos às variáveis de processo em cada</p><p>corrente;</p><p>• Escreva os valores e as unidades de todas as variáveis conhecidas</p><p>nos locais adequados.</p><p>m = massa ṁ = vazão mássica xi = fração mássica</p><p>n = mols ṅ = vazão molar yi = fração molar</p><p>V = volume ሶ𝑉ሶ = vazão volumétrica</p><p>Fluxograma de processo</p><p>Balanço de massa</p><p>A denominação Balanço de massa ou</p><p>balanço material é utilizado para</p><p>definir os cálculos quantitativos em</p><p>processos de transformação físicos e</p><p>químicos da matéria, aplicando-se a</p><p>lei da conservação da massa.</p><p>Essa lei é o resultado de observações</p><p>experimentais que mostram que a</p><p>massa total de um sistema</p><p>permanece constante durante um</p><p>processo de transformação.</p><p>Balanço de massa - Sistema</p><p>Sistema: qualquer porção do universo selecionada para análise. Pode</p><p>ser: uma unidade do processo, um conjunto de etapas do processo ou</p><p>todo o processo.</p><p>O sistema é delimitado pelas suas fronteiras, que é uma linha</p><p>imaginária que o separa de sua vizinhança.</p><p>Sistema</p><p>Vizinhança</p><p>Fronteira</p><p>do sistema</p><p>Balanço de massa</p><p>Balanço de massa total ou global</p><p>Acúmulo de</p><p>massa no</p><p>sistema</p><p>Entrada de</p><p>massa pela</p><p>fronteira do</p><p>sistema</p><p>Saída de</p><p>massa pela</p><p>fronteira do</p><p>sistema</p><p>Balanço de massa por componente</p><p>Acúmulo de</p><p>massa no</p><p>sistema</p><p>Entrada de</p><p>massa pela</p><p>fronteira do</p><p>sistema</p><p>Saída de</p><p>massa pela</p><p>fronteira do</p><p>sistema</p><p>Geração de</p><p>massa e/ou</p><p>consumo no</p><p>interior do</p><p>sistema</p><p>Sistema Termodinâmico, Fronteira e Vizinhança</p><p>1</p><p>Construir o diagrama de fluxo completo, identificando as linhas</p><p>de corrente e suas variáveis (conhecidas e desconhecidas)</p><p>Definir o sistema de análise</p><p>Escrever as equações de balanço de massa global e de</p><p>componentes até que o número de equações</p><p>independentes seja igual ao número de incógnitas</p><p>2</p><p>3</p><p>4</p><p>Etapas para resolução de problemas envolvendo</p><p>balanços de massa</p><p>Resolver o sistema de equações</p><p>Base de cálculo</p><p>base de cálculo: a referência escolhida para a solução de um</p><p>determinado problema. A base de cálculo pode ser um período de</p><p>tempo, uma vazão mássica, uma vazão volumétrica, ou alguma</p><p>outra quantidade conveniente.</p><p>Graus de liberdade e múltiplos</p><p>processos</p><p>A análise dos graus de liberdade permite reconhecer se um dado problema</p><p>pode ou não ser resolvido com as informações conhecidas. A partir do</p><p>fluxograma do processo, contam-se as incógnitas no diagrama (ni) e</p><p>estabelecem-se as equações independentes</p><p>(ne). O número de graus de</p><p>liberdade (ng) do processo será: ng = ni - ne.</p><p>• Se ng = 0, o problema pode ser resolvido;</p><p>• Se ng > 0, existem mais incógnitas do que equações independentes (faltam</p><p>informações);</p><p>• Se ng < 0, existem mais equações que variáveis (o problema pode ser</p><p>resolvido).</p><p>Exemplo 1</p><p>Uma ração para cães contendo 40% de água é</p><p>fabricada numa taxa de 600 kg/h. Você necessita secar</p><p>o produto de modo que ele contenha apenas 10% de</p><p>umidade no produto final. Qual a taxa de água</p><p>evaporada?</p><p>Exemplo 2</p><p>Deseja-se preparar uma solução aquosa com 50% em massa de</p><p>ácido sulfúrico a partir de uma solução aquosa contendo 28% de</p><p>H2SO4 e do ácido comercial 96% de H2SO4. Quantos quilogramas de</p><p>ácido comercial devem ser utilizados para cada 100 kg da solução</p><p>final?</p><p>Exemplo 3</p><p>O efluente líquido de um processo é descartado em um rio. O rio tem uma vazão de 6 m3/s e</p><p>uma DBO de 3×10-5 g/L. Medidas de DBO após o ponto de descarga (mistura) indicaram</p><p>uma DBO de 5×10-3 g/L. Se corrente de descarga do processo tem uma vazão de 15.000</p><p>m3/dia, qual a DBO desta corrente?</p><p>Exemplo 4</p><p>A composição molar de uma mistura gasosa é dada por: 20% de</p><p>H2, 40% de CH4, 20% de CO e 20% de CO2. Qual a composição</p><p>mássica da mistura?</p><p>Exemplo 5</p><p>Muitos processos de tratamento de água e de efluentes empregam um</p><p>dispositivo de filtração para remover a água do lodo. Em um desses</p><p>processos, a concentração inicial do lodo é 2% (20000 mg/L) e o volume</p><p>de lodo é 100m³. Após a filtração a concentração dos sólidos presentes</p><p>no lodo é 35%. Suponha que a massa específica do lodo não varie</p><p>durante a filtração e que o líquido removido seja isento de lodo. Calcule o</p><p>volume de lodo após a filtração e o volume de líquido removido.</p><p>Exemplo 6</p><p>Um poço que flui a 45 m³/h está contaminado com tricloroetileno (TCE) a</p><p>uma concentração de 400 μg/L. Um dispositivo de tratamento instalado</p><p>remove a maior parte do TCE da água, deixando uma concentração</p><p>constante de 5 μg/L no efluente. A taxa de fluxo do efluente é 97% da taxa</p><p>de fluxo do afluente, e a água restante vai para um fluxo de resíduos.</p><p>Calcule a concentração de TCE no fluxo de resíduos.</p><p>Exemplo 7</p><p>Uma peça galvanizada é lavada em água para remover os restos do banho de</p><p>galvanização das superfícies. A água de lavagem contém teores de metais e precisa</p><p>ser tratada antes do lançamento. O banho de galvanização inicialmente contém 85g/L</p><p>de níquel. As peças carregam consigo 0,05 L/min da solução para o tanque de</p><p>enxágue. A vazão da água de enxágue para o interior do tanque é 150 L/min. Calcule</p><p>a concentração de níquel nos efluentes.</p><p>Exemplo 8</p><p>Suponha que um adensador em uma fábrica de metais receba uma</p><p>alimentação de 40 m3/h de resíduos de lâminas de metais precipitados com</p><p>uma concentração de sólidos suspensos de 5.000 mg/L. Se o adensador</p><p>funciona em estado estacionário, para que 30 m3/h ou uma vazão de saída</p><p>aconteça como sobrenadante, e essa vazão tem uma concentração de</p><p>sólidos de 25 mg/L, qual é a concentração de sólidos na descarga de fundo</p><p>e a recuperação dos sólidos na descarga de fundo?</p><p>Exemplo 9</p><p>Calcular as vazões mássicas e as composições das correntes 1, 2 e 3 do</p><p>fluxograma da figura abaixo. Considere um processo contínuo no estado</p><p>estacionário, sem reação química. Cada corrente contém dois</p><p>componentes, A e B, em diferentes proporções.</p><p>Atividade</p><p>Questão 1) Um sistema de secagem de lodos funciona com uma vazão mássica</p><p>de alimentação de 250kg/h recebendo um lodo com teor de sólidos de 45%</p><p>(=0,45 em fração mássica). Tem-se duas saídas desse sistema: o lodo seco (com</p><p>95% de sólidos) e o efluente líquido (com 8% de sólidos). Determine:</p><p>a) Qual a vazão da corrente "lodo seco" em kg/h</p><p>b) Qual a vazão da corrente "efluente" em kg/h</p><p>Questão 2) Uma unidade industrial produz uma corrente aquosa de vazão 10</p><p>kg/h contendo um sal de baixa solubilidade em água. Visando a recuperar o sal,</p><p>inicialmente empregou-se um processo de filtração. A corrente de filtrado</p><p>obtida apresentou apenas água e vazão de 6 kg/h. Por sua vez, a corrente de</p><p>concentrado foi encaminhada a uma etapa de evaporação, ao final da qual se</p><p>obteve uma corrente contendo apenas vapor d’água com vazão de 1 kg/h e outra</p><p>corrente contendo apenas o sal. Qual a concentração percentual de sal na</p><p>corrente inicial?</p><p>Slide 1</p><p>Slide 2</p><p>Slide 3</p><p>Slide 4</p><p>Slide 5</p><p>Slide 6</p><p>Slide 7</p><p>Slide 8</p><p>Slide 9</p><p>Slide 10</p><p>Slide 11</p><p>Slide 12</p><p>Slide 13</p><p>Slide 14</p><p>Slide 15</p><p>Slide 16</p><p>Slide 17</p><p>Slide 18</p><p>Slide 19</p><p>Slide 20</p><p>Slide 21</p><p>Slide 22</p><p>Slide 23</p><p>Slide 24</p><p>Slide 25</p><p>Slide 26</p><p>Slide 27</p><p>Slide 28</p><p>Slide 29</p><p>Slide 30</p><p>Slide 31</p><p>Slide 32</p><p>Slide 33</p><p>Slide 34</p><p>Slide 35</p><p>Slide 36</p><p>Slide 37</p><p>Slide 38</p><p>Slide 39</p><p>Slide 40</p><p>Slide 41</p><p>Slide 42</p><p>Slide 43</p><p>Slide 44</p><p>Slide 45:</p><p>Slide 46:</p><p>Slide 47</p><p>Slide 48</p><p>Slide 49</p><p>Slide 50</p><p>Slide 51</p><p>Slide 52</p><p>Slide 53</p><p>Slide 54</p><p>Slide 55</p><p>Slide 56</p><p>Slide 57</p><p>Slide 58</p>