[Parte III] Balanco Material com Reacao

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PROCESSOS QUÍMICOSPROCESSOS QUÍMICOS
Parte III Parte III -- Balanço MaterialBalanço Material
em Sistemasem Sistemas com Reaçãocom Reação
Rev. 2007.1Rev. 2007.1
em Sistemas em Sistemas com Reaçãocom Reação
Paulo Roberto Britto Guimarães,Paulo Roberto Britto Guimarães,
e Regina Ferreira Viannae Regina Ferreira Vianna
Processos Processos 
QuímicosQuímicos
Balanço Material Balanço Material com Reaçãocom Reação
Conceitos FundamentaisConceitos Fundamentais
ƒEstequiometria
–A equação estequiométrica:
•• Impõe restrições com relação às quantidades de Impõe restrições com relação às quantidades de 
reagentes e produtos nas correntes de entrada ereagentes e produtos nas correntes de entrada e
de saída;de saída;
•• Define o número relativo de Define o número relativo de moléculas ou molesmoléculas ou moles de de 
reagentes e produtos que participam da reação:reagentes e produtos que participam da reação:
SO2OSO2 →+
PRBG 2007.1PRBG 2007.1
–Balanceamento da equação:
O número de átomos de cada espécie atômica deve 
ser o mesmo em ambos os lados da equação.
322 SO2OSO2 →+
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Processos Processos 
QuímicosQuímicos
Balanço Material Balanço Material com Reaçãocom Reação
Conceitos FundamentaisConceitos Fundamentais
ƒEstequiometria
–Proporção estequiométrica
•• Quando a razão Quando a razão molarmolar de alimentação dede alimentação de
2 reagentes A e B é igual à razão estequiométrica;2 reagentes A e B é igual à razão estequiométrica;
•• Se os reagentes são alimentados na proporção Se os reagentes são alimentados na proporção 
estequiométrica e a reação se completa, todos os estequiométrica e a reação se completa, todos os 
reagentes são consumidos.reagentes são consumidos.
Reagente limite
PRBG 2007.1PRBG 2007.1
–Reagente limite
•• Aquele presente numa proporção menor do que a Aquele presente numa proporção menor do que a 
estequiométrica com relação a todos os outros estequiométrica com relação a todos os outros 
reagentes => desaparece primeiro quando areagentes => desaparece primeiro quando a
reação reação se completase completa.
Processos Processos 
QuímicosQuímicos
Balanço Material Balanço Material com Reaçãocom Reação
Conceitos FundamentaisConceitos Fundamentais
ƒEstequiometria
–Reagente em excesso
•• Todos os outros que Todos os outros que não são o reagente limitenão são o reagente limite::
–Conversão da reação
100
n
nn
EXCESSO%
tricoestequiomé
tricoestequioméentadolima ×−=
PRBG 2007.1PRBG 2007.1
ç
•• Definida em relação ao Definida em relação ao reagente limitereagente limite::
100
n
n
%f
entadolima
reagido ×=
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Processos Processos 
QuímicosQuímicos
Balanço Material Balanço Material com Reaçãocom Reação
Conceitos FundamentaisConceitos Fundamentais
ƒEstequiometria
–Avanço (extensão) da reação
nn −
•• nni i == número de moles ou vazão de reagente ou número de moles ou vazão de reagente ou 
produto na saída do reator;produto na saída do reator;
•• nnio io == número de moles ou vazão de reagente ou número de moles ou vazão de reagente ou 
produto na entrada do reator;produto na entrada do reator;
i
ioi nn
β=ξ
PRBG 2007.1PRBG 2007.1
•• ββi i == Coeficiente estequiométrico Coeficiente estequiométrico 
((ννii) se a espécie for produto;) se a espécie for produto;
== Negativo do coeficienteNegativo do coeficiente
estequiométrico (estequiométrico (--ννii) se for reagente;) se for reagente;
== 0 (zero) se a espécie for inerte.0 (zero) se a espécie for inerte.
Processos Processos 
QuímicosQuímicos
Balanço Material Balanço Material com Reaçãocom Reação
Conceitos FundamentaisConceitos Fundamentais
ƒEstequiometria
–Seletividade e Produtividade
•• Termos usados para descrever o grau de Termos usados para descrever o grau de 
predominância de uma reação sobre outras reações predominância de uma reação sobre outras reações 
simultâneas (paralelas ou em série).simultâneas (paralelas ou em série).
–Seletividade
•• Razão entre o número de moles de um certo produto Razão entre o número de moles de um certo produto 
(desejado) e o número de moles de outro produto (desejado) e o número de moles de outro produto 
PRBG 2007.1PRBG 2007.1
(desejado) e o número de moles de outro produto (desejado) e o número de moles de outro produto 
(indesejado).(indesejado).
)indesejado(n
)desejado(nS
B
A
B/A =
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Processos Processos 
QuímicosQuímicos
Balanço Material Balanço Material com Reaçãocom Reação
Conceitos FundamentaisConceitos Fundamentais
ƒEstequiometria
–Produtividade
•• Pode ser definido de três formas:Pode ser definido de três formas:
‰1) Razão entre o número final de
moles de um produto (P) e o
número inicial de moles de um 
reagente (R):
)inicial(R
)final(P
P n
n
odPr =
PRBG 2007.1PRBG 2007.1
‰2) Razão entre o número final de
moles de um produto (P) e o
número de moles consumidos de
um reagente (R):
)consumido(R
)final(P
P n
n
odPr =
Processos Processos 
QuímicosQuímicos
Balanço Material Balanço Material com Reaçãocom Reação
Conceitos FundamentaisConceitos Fundamentais
ƒEstequiometria
–Produtividade
•• Pode ser definido de três formas:Pode ser definido de três formas:
‰3) Razão entre o número final de
moles de um produto (P) e o
número de moles deste produto
que teriam sido formados se:
a) não houvesse reações
simultâneas (paralelas ou série) e
PRBG 2007.1PRBG 2007.1
b) se o reagente limite fosse
totalmente consumido:
)máximo(P
)final(P
P n
n
odPr =
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Processos Processos 
QuímicosQuímicos
Balanço Material Balanço Material com Reaçãocom Reação
Tipos de balançoTipos de balanço
ƒMolecular
–Só balanço global em massa pode ser escrito como: 
t d ídentradas = saídas;
–Balanços das substâncias envolvem geração e/ou 
consumo.
ƒEspécies atômicas
–Podem sempre ser escritos como entradas = saídas, 
pois átomos não podem ser criados ou destruídos 
PRBG 2007.1PRBG 2007.1
p p
em uma reação química.
ƒCuidado: Hidrogênio
–Balanço molecular: H2;
–Balanço atômico: H.
Processos Processos 
QuímicosQuímicos
Balanço Material Balanço Material com Reaçãocom Reação
Sistemas independentesSistemas independentes
ƒEquações, espécies e reações independentes
–Equações não são independentes se uma delas Equações não são independentes se uma delas 
puder ser obtida por combinações de outras;
–Espécies não são independentes se estiverem na 
mesma proporção em todos os pontos do processo;
–Reações não são independentes se a equação 
PRBG 2007.1PRBG 2007.1
estequiométrica de uma delas puder ser obtida por 
combinações de outras.
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Processos Processos 
QuímicosQuímicos
Balanço Material Balanço Material com Reaçãocom Reação
Análise de graus de liberdadeAnálise de graus de liberdade
ƒBalanço molecular
NNoo. de incógnitas. de incógnitas
+N+Noo d õ i d d t d õ i d d t+N+Noo. de reações independentes. de reações independentes
-- NNoo. de balanços moleculares independentes. de balanços moleculares independentes
-- NNoo. de outras equações independentes. de outras equações independentes
envolvendo as incógnitas._______________envolvendo as incógnitas._______________
=N=Noo. de graus de liberdade. de graus de liberdade
ƒBalanço atômico
PRBG 2007.1PRBG 2007.1
NNoo. de incógnitas. de incógnitas
-- NNoo. de balanços atômicos independentes. de balanços atômicos independentes
-- NNoo. de balanços moleculares de inertes. de balanços moleculares de inertes
-- NNoo. de outras equações independentes. de outras equações independentes
envolvendo as incógnitas._______________envolvendo as incógnitas._______________
=N=Noo. de graus de liberdade. de graus de liberdade
Processos Processos 
QuímicosQuímicos
Balanço Material Balanço Material com Reaçãocom Reação
Procedimentos de cálculoProcedimentos de cálculo
ƒSugestões de procedimentos para
resolução de problemas:
–Balanços atômicos são, em geral, mais diretos, 
especialmente no caso de reações múltiplas;
–Extensões de reação são úteis nos casos de 
equilíbrio químico ou em modelos computacionais;
–Balanços moleculares são mais complexos que os 
PRBG 2007.1PRBG 2007.1
demais e devem ser usados somenteem sistemas 
simples envolvendo apenas uma reação.
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Processos Processos 
QuímicosQuímicos
Balanço Material Balanço Material com Reaçãocom Reação
Reciclo e Purga Reciclo e Purga 
ƒImportante distinguir:
–Carga fresca
–Reciclo
–Alimentação do processo = reciclo + carga fresca
–Produto bruto
–Produto líquido
PRBG 2007.1PRBG 2007.1
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QuímicosQuímicos
Balanço Material Balanço Material com Reaçãocom Reação
Reciclo e PurgaReciclo e Purga
ƒAtenção
–Processos com reciclo são resolvidos da mesma 
i i t i lmaneira que sistemas sem reciclo
–Não ocorre acúmulo nem perda de material no 
processo com reciclo em estado-estacionário
PRBG 2007.1PRBG 2007.1
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Processos Processos 
QuímicosQuímicos
Balanço Material Balanço Material com Reaçãocom Reação
Reciclo e Purga Reciclo e Purga 
ƒEnvoltórias de balanços com reciclo
–Global: NãoNão envolve a corrente de recicloenvolve a corrente de reciclo
–Ponto de mistura do reciclo com a carga fresca
–Processo: NãoNão envolve a corrente de recicloenvolve a corrente de reciclo
–Ponto de separação do reciclo e do produto líquido
do processo
PRBG 2007.1PRBG 2007.1
Processos Processos 
QuímicosQuímicos
Balanço Material Balanço Material com Reaçãocom Reação
Reciclo e PurgaReciclo e Purga
ƒConversão global
–Fração convertida do reagente presente na
 f (CF) f (CF)carga fresca (CF)carga fresca (CF)
ƒConversão por passe
F ã tid d t t 
CF
processosaídaCF
reagente
reagentereagente
globalConversão
−=
PRBG 2007.1PRBG 2007.1
–Fração convertida do reagente presente na
carga combinada (CC)carga combinada (CC)
CC
reatorsaídaCC
reagente
reagentereagente
passe/Conversão
−=
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Processos Processos 
QuímicosQuímicos
Balanço Material Balanço Material com Reaçãocom Reação
CombustãoCombustão
ƒReação de um combustível com o O2
ƒCombustão parcial - forma CO e CO2p 2
ƒCombustão total - forma apenas CO2
ƒGás de chaminé ou de combustão
–Todos os gases resultantes da queima,
incluindo H2O(vapor)
–Composição:
PRBG 2007.1PRBG 2007.1
p ç
•• Base úmida Base úmida -- incluiinclui HH22OO
•• Base seca (Análise d’Orsat) Base seca (Análise d’Orsat) -- excluiexclui HH22OO
‰Análise d’Orsat - refere-se a um equipamento que 
mede os volumes dos gases em equilíbrio com a 
H2O, que é assim eliminada como componente da 
mistura.
Processos Processos 
QuímicosQuímicos
Balanço Material Balanço Material com Reaçãocom Reação
CombustãoCombustão
ƒDefinições importantes
–ar teórico (ou estequiométrico)
•• Quantidade de ar necessária para a Quantidade de ar necessária para a combustão combustão 
completacompleta
–O2 teórico (ou estequiométrico)
•• Quantidade de OQuantidade de O22 necessária para a necessária para a combustão combustão 
completacompleta
PRBG 2007.1PRBG 2007.1
–ar em excesso
•• Quantidade de ar Quantidade de ar em excessoem excesso em relação ao ar teóricoem relação ao ar teórico
–O2 em excesso
•• Quantidade de OQuantidade de O22 em excessoem excesso em relação ao Oem relação ao O22 teóricoteórico
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Processos Processos 
QuímicosQuímicos
Balanço Material Balanço Material com Reaçãocom Reação
CombustãoCombustão
ƒCálculo do excesso de ar ou O2
100
arar
arEXCESSO% teóricoentadolima
−
ƒƒImportanteImportante
100
ar
arEXCESSO%
teórico
teóricoentadolima ×=
100
O
OO
OEXCESSO%
)teórico(2
)teórico(2)entadolima(2
2 ×
−=
PRBG 2007.1PRBG 2007.1
–O excesso de ar ou O2 não depende da quantidade não depende da quantidade 
queimada, mas daquela que pode ser queimada;queimada, mas daquela que pode ser queimada;
–Se o combustível contiver O2, o excesso de ar ou O2
será baseado na demanda líquida de O2 que é igual 
ao O2 (teórico) menos o O2 (presente no combustível).
PROCESSOS QUÍMICOSPROCESSOS QUÍMICOS
Parte III Parte III -- Balanço MaterialBalanço Material
em Sistemasem Sistemas com Reaçãocom Reação
Rev. 2007.1Rev. 2007.1
em Sistemas em Sistemas com Reaçãocom Reação
FimFim
Paulo Roberto Britto Guimarães,Paulo Roberto Britto Guimarães,
Regina Ferreira ViannaRegina Ferreira Vianna