3 Balanco de massa em processos alunos

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10/03/2017 
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BALANÇO DE MASSA EM PROCESSOS 
Profa. Marianne Ayumi Shirai 
 
Universidade Tecnológica Federal do Paraná 
Campus Londrina 
Departamento Acadêmico de Alimentos 
Introdução às Operações Unitárias 
Sistemas 
• Sistemas é qualquer porção do universo escolhida para 
se realizar os estudos; 
 
• Pode ser uma unidade de processo, um conjunto de 
etapas de um processo ou todo o processo; 
 
• Vizinhança é tudo que se situa fora do sistema. 
 
 
 
Fronteira 
• Superfície real ou imaginária que separa o sistema da 
vizinhança; 
• O limite de um sistema pode ser fixo ou móvel; 
• A fronteira é a superfície de contato compartilhada pelo 
sistema e a vizinhança. 
 
sistema 
vizinhança 
fronteira 
tanque 
vizinhança 
fronteira 
Sistema 
ar 
Fronteira 
• Fronteira adiabática: não deixam passar calor entre 
sistema e vizinhanças; 
• Fronteira diatérmica: deixam o calor passar entre 
sistema e vizinhanças; 
• Fronteira permeável: deixam matéria (e calor) passar 
entre o sistema e vizinhanças 
Tipos de sistemas 
Fechado ou batelada 
• Também conhecido como massa de controle, consiste em 
uma quantia fixa de massa, e nenhuma massa pode 
cruzar sua fronteira 
• Mas energia, na forma de calor ou trabalho, pode cruzar 
a fronteira 
Sistema 
fechado 
massa 
energia 
NÃO 
SIM 
Tipos de sistemas 
Sistema isolado 
• Nada entra ou sai, nem massa, nem calor ou trabalho, 
durante o intervalo de tempo considerado, (t1 e t2); 
 
• Pode haver trocas entre energias potencial, cinética e 
energia interna, dentro do sistema, mas não com a 
vizinhança; 
 
• Energia total do sistema inalterada 
 
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Tipos de sistemas 
• Sistema isolado 
 
sistema 
Não entra 
calor de 
fora Q=0 
Pode haver 
intercâmbio 
entre 
energias de 
dentro do 
sistema 
Nenhum trabalho é realizada pelo 
sistema, nem mesmo de expansão 
ou contração, W=0 
fronteira 
Tipos de sistemas 
Sistema aberto 
• Também chamado volume de controle 
• Envolve fluxo de massa 
• Ex.: compressor, turbina ou bocal 
• Massa e energia podem cruzar a fronteira de um volume 
de controle 
Pistão 
massa 
energia 
SIM 
SIM 
Compressor 
Resumindo... Balanço de massa - Introdução 
• Ferramenta importante para dimensionar equipamentos, 
avaliar rendimentos, fazer mudanças na escala de 
produção e avaliar alternativas de processamento; 
 
• Lei da conservação de massa 
“A matéria não é criada e nem mesmo destruída” 
 
• 1ª Lei da Termodinâmica 
“A energia total do universo é constante” 
Ela pode estar presente de diversas formas, mas sua 
quantidade total não se altera 
 
Processos e variáveis do processo 
• PROCESSO: Operação ou uma série de operações que 
promovam modificações físicas ou químicas em uma 
substância ou em uma mistura de substâncias 
Processos e variáveis do processo 
• OPERAÇÕES: reações químicas, transporte de fluidos, 
redução de tamanho, transporte ou geração de calor, 
destilação, absorção, etc. 
 
Filtração 
Aquecimento 
Mistura 
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Classificação dos processos 
• Quanto à forma de alimentação ou retirada de material 
a) Processos descontínuos ou em batelada 
b) Processo contínuo 
c) Processo semicontínuo ou semibatelada 
 
• Quanto à dependência do tempo 
a) Regime permanente ou estado estacionário 
• A massa do sistema não varia com o tempo 
• (
𝑑𝑀
𝑑𝑡
= 0) 
 
b) Regime transiente 
• Existe acúmulo de massa 
• (
𝑑𝑀
𝑑𝑡
≠ 0) 
 
𝑀 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 = 𝑀 𝑠𝑎𝑖 
• Escoamento Paralelo e Contracorrente 
Corrente A 
Corrente B 
Corrente A 
Corrente B 
Paralelo 
Contracorrente 
Equação geral do balanço de massa 
Acúmulo: variação de massa ou moles dentro do sistema em 
relação ao tempo (
𝑑𝑀
𝑑𝑡
) 
Sistema permanente sem reação 
Sistema permanente com reação Regime transiente sem reação 
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Regime transiente com reação Sistema que será aplicado um balanço de 
massa 
SISTEMA 
Entradas 
Saídas 
Passo a passo para os cálculos 
1. Fazer um esquema simplificado do processo, definindo 
a sua fronteira pelo traçado de uma envoltória; 
2. Identificar, com símbolos, as vazões e as composições 
das correntes envolvidas; 
3. Anotar no esquema todos os dados disponíveis das 
vazões e das composições; 
4. Verificar que composições são conhecidas ou podem 
ser imediatamente calculadas; 
5. Verificar que vazões mássicas são conhecidas ou 
podem ser facilmente calculadas; 
6. Selecionar a base de cálculo conveniente para o início 
dos problema. 
Balanço de massa – Uma etapa 
MISTURADOR 
A = 100 kg 
B = 180 kg 
M = 280 kg 
Balanço de massa – Múltiplas etapas 
Filtro Evaporador 
S 
P 
F 
C 
V 
(K) 
 
Bagaço (F) Sólidos (G) 
(E) (H) 
(M) Açúcar 
 
Moinho 
 
Peneira 
 
Evaporador 
Cristalizador 
Cana (D) 
(J) 
Água 
(L) 
Água 
Balanço de massa – Múltiplas etapas 
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Balanço de massa – Reciclo 
• As matérias-primas e fluidos que alimentam um 
processo são muitas vezes reciclados, isto é, retornam 
para um dada etapa e são processados novamente; 
 
• Secagem, destilação, reatores químicos e bioquímicos, 
processos de separação por membranas e processos de 
extração. 
Balanço de massa – By-pass 
• Recurso usado quando se deseja evitar que uma porção 
da corrente de alimentação passe por uma ou mais 
etapas do processo; 
 
• Essa porção é desviada e depois misturada a uma nova 
corrente. 
Balanço de massa – Purga 
- Recurso utilizado quando se deseja excluir ou remover 
um acúmulo de materiais inerte ou indesejados que 
poderiam se acumular na corrente de reciclo. 
 
Purga