aula 02 Balanço de massa

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BALANÇO DE MASSA
Professor Doutor Diogo Italo Segalen da Silva
 INSTITUTO FEDERAL DO MATO GROSSO 
TÉCNICO EM QUÍMICA
Quais são as duas leis que descrevem todos os fenômenos mencionados anteriormente? 
Lei Universal da Conservação da Massa; 
Lei Universal da Conservação da Energia. 
INTRODUÇÃO
Balanço pode ser definido como o controle de entradas e saídas (fluxos), envolvidas em uma determinada área.
A aplicação de balanço é essencial para o controle de diversos setores, dentre os quais se tem os pessoais, financeiros e industriais.
INTRODUÇÃO
Ao projetar um novo processo ou analisar um já existente deve-se levar em conta as transformações químicas e físicas da matéria envolvida.
A principal restrição consiste na “Lei de Conservação de Massa” de Lavoisier
INTRODUÇÃO
INTRODUÇÃO
Na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma”
Em experimentos Lavoisier concluiu que numa reação química em sistema fechado, a massa permanece constante.
 𝒎𝒓𝒆𝒂𝒈=𝒎𝒑𝒓𝒐𝒅
Ou seja, a massa se conserva porque não ocorre geração e nem destruição de átomos, sendo eles conservados.
Por exemplo, quando reagimos 2 gramas de hidrogênio com 16 gramas de oxigênio observa-se a formação de 18 gramas de água.
INTRODUÇÃO
O principal conceito do balanço de massa é a conservação da massa ao longo do processo.
Num balanço de material envolvendo um certo sistema produtivo, a massa que entra deverá ser a mesma que está saindo.
INTRODUÇÃO
O balanço de massa permite calcular os fluxos que não foram medidos, ou então comparar os fluxos medidos e verificar a consistência dos valores encontrados.
Esse procedimento pode ser aplicado ao processo como um todo, a componentes individuais e qualquer reação envolvida.
BALANÇO DE MASSA - CONCEITOS
Essa ferramenta consiste no uso de equações simultâneas que normalmente são desenvolvidas e resolvidas pela lógica e pelo raciocínio.
A lógica é desenvolvida mediante à prática e uma vez adquirida estará disponível para todas as decisões cabíveis.
BALANÇO DE MASSA - CONCEITOS
De uma forma geral, o balanço de massa pode ser representado da seguinte maneira:
BALANÇO DE MASSA - CONCEITOS
Acúmulo: aumento ou diminuição da massa do sistema (em massa ou moles).
Acúmulo negativo: diminuição da massa no sistema.
Balanço material: equação do balanço de massa ou da conservação da massa.
Balanço por componente: balanço material de uma substância química no sistema.
BALANÇO DE MASSA - CONCEITOS
Condição inicial: a quantidade de massa no processo no início do processo.
Condição final: a quantidade de massa no processo no final do processo.
Consumo: a diminuição da massa de um componente em um sistema.
Geração: o surgimento de um componente em um sistema.
BALANÇO DE MASSA - CONCEITOS
Regimes de Operação quanto aos Fluxos
Processo em batelada: A alimentação é carregada no sistema no começo do processo, e os produtos são retirados todo juntos depois de algum tempo.
BALANÇO DE MASSA - CONCEITOS
Exemplos: cozimento em panela de pressão.
Regimes de Operação quanto aos Fluxos
Operação contínua: As entradas e saídas fluem continuamente ao longo do tempo total de duração do processo.
BALANÇO DE MASSA - CONCEITOS
Exemplos: produção de vapor em caldeiras; bombeamento e retirada de fluído num tanque a uma mesma vazão.
Exemplo: bombear uma
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Regimes de Operação quanto aos Fluxos
Operação semicontínua: sistema fechado para um componente e aberto para outro. 
 
BALANÇO DE MASSA - CONCEITOS
Exemplos: borbulhamento de um gás em um meio líquido; escape de gás de um cilindro pressurizado; misturar lentamente vários líquidos em um tanque sem nenhuma retirada.
Regimes de Operação quanto à Acumulação ou Tempo
 Estado estacionário, regime estacionário - operação de um processo no qual todas as condições (temperatura, quantidade de massa, vazões, pressão e etc.) são mantidas constantes com o tempo.
Caracteriza-se pela não alteração das variáveis ao longo do tempo
taxa de acumulação nula  equação algébrica 
 
BALANÇO DE MASSA - CONCEITOS
Regimes de Operação quanto à Acumulação ou Tempo
Estado transiente ou regime não-estacionário - Operação de um processo no qual uma ou mais das condições (por ex., quantidade de massa, vazões, etc.) variam com o tempo. (partidas, paradas e perturbações na operação de equipamentos e processos, operação em batelada): 
Caracteriza-se pela alteração das variáveis ao longo do tempo
taxa de acumulação positiva ou negativa  equação diferencial
 
BALANÇO DE MASSA - CONCEITOS
Os processos em batelada e semibatelada são operações em estado transiente, já que ambos os casos há alteração das variáveis ao longo do tempo.
Os processos contínuos, no entanto, podem ocorrer tanto em regime permanente quanto em transiente.
BALANÇO DE MASSA - CONCEITOS
Quando são usados os processos em batelada? 
.
BALANÇO DE MASSA - CONCEITOS
São usados comumente quando devem ser produzidas quantidades relativamente pequenas de um determinado produto, em uma única oportunidade.
E os processos contínuos???
Costumam ser utilizados quando são necessárias grandes taxas de produção. 
São usualmente conduzidos tão perto quanto possível do estado estacionário. Condições transientes ocorrem durante as operações de partida de um processo contínuo e nas sucessivas mudanças.
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Sistema: Processo global considerado para a análise. É uma região limitada do espaço por uma superfície fictícia ou física.
Vazão: quantidade de material que atravessa a superfície do sistema por unidade de tempo (por ex., kg/h, mols/h, L/min, etc).
Volume de controle: região do espaço no qual é realizado o balanço de massa.
BALANÇO DE MASSA - CONCEITOS
Para a elaboração de um balanço de massa, deve-se definir então um sistema que pode ser um processo completo, um equipamento ou um conjunto de equipamentos.
Definido o sistema trabalha-se com o volume de controle escolhido.
BALANÇO DE MASSA - CONCEITOS
Equação geral:
BALANÇO DE MASSA - EQUAÇÕES
Para ilustrar o equacionamento de um balanço se tem um exemplo simples e genérico:
		A cada ano, 50000 pessoas se mudam para uma cidade, 75000 pessoas abandonam a cidade, 22000 pessoas nascem e 19000 morrem. Escreva um balanço da população desta cidade:
BALANÇO DE MASSA - EQUAÇÕES
Termos da equação do exemplo:
Entrada = 50000 P/ano
Geração = 22000 P/ano
Consumo =19000 P/ano
Saída = 75000 P/ano
Acúmulo =-22000 P/ano
BALANÇO DE MASSA - EQUAÇÕES
Passos para equacionar um processo:
1- Desenhe um diagrama com fluxograma indicando todos os valores das variáveis conhecidas;
2- Escolha base de cálculo, uma quantidade ou vazão de uma das correntes. Se nenhuma quantidade ou vazão for conhecida, assuma uma qualquer como base de cálculo (100kg, 100kg/h, etc.).
BALANÇO DE MASSA - EQUAÇÕES
Passos para equacionar um processo:
3- Indique no fluxograma, através de letras e índices, as variáveis desconhecidas.
4- Escreva equações de balanço material geral e por componentes, identificando o tipo de processo em questão (contínuo, batelada, transiente, permanente, com ou sem reação química).
BALANÇO DE MASSA - EQUAÇÕES
Mais regras para simplificar os cálculos: 
Se a quantidade balanceada é a massa total, faça geração=0 e consumo=0. Exceto em reações nucleares, a massa não pode ser criada nem destruída.
Se a substância balanceada é uma espécie não-reativa (nem um reagente, nem um produto), faça geração=0 e consumo=0. 
BALANÇO DE MASSA - EQUAÇÕES
Mais regras para simplificar os cálculos: 
Se um sistema está em estado estacionário, faça acúmulo=0, não importa o que esteja sendo balanceado. Por definição, em um processo em estado estacionário, nada pode mudar com o tempo, incluindo a porção da grandeza balanceada.
BALANÇO DE MASSA - EQUAÇÕES
Um espessador numa unidade de tratamento de efluentes
remove água proveniente do lodo ativado de efluentes domésticos, conforme figura abaixo. O processo encontra-se em regime estacionário. Qual a vazão de água que sairá do espessador em lb/min, para uma alimentação de lodo úmido de 100 kg/h com produção de 70 kg/h de lodo desidratado?
BALANÇO DE MASSA - EXEMPLOS
espessador
Lodo úmido
100 kg/h
Lodo desidratado
70 kg/h
Água 
Mil quilogramas por hora de uma mistura de benzeno (B) e tolueno (T) contendo 50% em peso de benzeno são separados por destilação em duas frações. A vazão mássica de benzeno na corrente do topo é 450 kg B/h, e a de tolueno na corrente do fundo é 475 kg T/h. A operação se desenvolve no estado estacionário. Escreva os balanços do benzeno e do tolueno para calcular as vazões dos componentes desconhecidos nas correntes de saída.
BALANÇO DE MASSA - EXEMPLOS
Tendo-se uma alimentação de um evaporador de 1000,0 kg/h de suco integral de fruta com 12,0% de sólidos solúveis, quanto se produz de suco concentrado com 40,0% de sólidos solúveis? Quanto de água será evaporada? 
Obs: Assuma que a evaporação se processa sem arraste de sólidos.
BALANÇO DE MASSA - EXERCÍCIOS
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Uma solução ácida S4, constituída por 60% de H2SO4, 20% de HNO3 e 20% de H2O deve ser preparada a partir da mistura das seguintes soluções:
 S1 = 10% de HNO3, 60% de H2SO4 e 30% de H2O;
 S2 = 90% de HNO3 e 10% de H2O;
 S3 = 95% de H2SO4 e 5% de H2O.
Calcule a massa de cada solução a ser misturada para que sejam obtidos 1000 kg da solução ácida S4. 
(S1 = 568,2 kg; S2 = 159,1 kg; S3 = 272,7 kg)
BALANÇO DE MASSA - EXERCÍCIOS