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Operações Unitárias – Turma 16723 Profa. Danielle Cotta de Mello Nunes da Silva BALANÇO MATERIAL – ESTEQUIOMETRIA INDUSTRIAL Os processos utilizados no manuseio de alimentos envolvem transporte, separação e adição de constituintes. Algumas vezes reações químicas estão envolvidas. Portanto, nestas operações existe fluxo de material e uma análise da lei de conservação de massa deve ser feita. 3.1) Balanço material: Massa e Moles O conceito de Volume de Controle - Já estamos acostumados com o conceito de sistema muito útil na termodinâmica. Relembrando, vemos que um sistema fechado é uma região no espaço sob consideração, por cujas fronteiras podem atravessar calor e trabalho (energias em transito), mas não atravessa massa (a massa é fixa dentro do sistema). Os sistemas abertos são aqueles em que existem fluxos de matéria. No caso dos processos, é necessário definir o que chamamos de volume de controle: uma região do espaço que nos interessa para um estudo particular e cuja superfície envolvente é chamada de superfície de controle. Esta é uma superfície sempre fechada, pela qual atravessam calor, trabalho e massa. Além disto, dentro do VC a massa pode variar com o tempo. O tamanho e a forma de um volume de controle são arbitrários e devem ser definidos do modo mais conveniente para a análise. Geralmente as fronteiras do VC coincidem com as fronteiras do(s) equipamento(s). Em processos complexos, muitas vezes é conveniente definirmos vários VC. A Lei de conservação de massa (total e de componentes) Desconsiderando a interconversão massa-energia, que não ocorrem nos processos de interesse à engenharia de alimentos, a lei de conservação de massa pode ser expressa como: Operações Unitárias – Turma 16723 Profa. Danielle Cotta de Mello Nunes da Silva OBS.: Quando se considera massa total, independente da natureza do componente, a massa gerada total no VC será sempre nula. Nesta equação os dois primeiros termos referem-se à somatória das massas que cruzam a superfície de controle, tanto das massas que entram como das que saem. O primeiro membro da equação significa, portanto, a taxa líquida de entrada de massa. O terceiro termo, acúmulo de massa, expressa a variação de massa no interior do VC, em função do tempo. Na verdade, o acúmulo pode ser positivo ou negativo. O quarto termo, geração de massa, reflete os efeitos de qualquer reação química no interior do VC, a qual pode produzir ou consumir massa (visto do ponto de vista de componentes). Nos processos onde não há reação envolvida, a equação [3.1] se reduz a: Para fins deste estudo, podemos expressar a equação [3.2] em termos de valores médios globais, ou seja: Para fins deste estudo, podemos expressar a equação [3.2] em termos de valores médios globais, ou seja: Em outras utilizações, como na mecânica dos fluidos, na transferência de calor e na transferência de massa, será necessária a integração da expressão diferencial desta lei. Por ora nos limitaremos apenas a equação [3.3]. Regime Permanente e Regime Transiente A massa como outras propriedades das substâncias envolvidas, pode variar dentro do VC, tanto em relação ao tempo quanto em relação à posição. Quando as propriedades não variam com o tempo, diz-se que o processo ocorre em regime permanente. No entanto, para que um processo seja definido assim, não é necessário que as propriedades sejam invariantes quanto a posição. Assim, uma Operações Unitárias – Turma 16723 Profa. Danielle Cotta de Mello Nunes da Silva propriedade pode assumir distintos valores em diferentes locais do VC, mas se estes valores são invariantes com o tempo, o processo ocorre em regime permanente. Neste caso, a equação [3.3] fica: Caso a massa ou outras propriedades variem com o tempo, diz-se que o processo ocorre em regime transiente. Neste caso, é necessário o uso da equação [3.3]. Balanço de massa aplicado a componentes (em regime permanente e sem reação química) A lei da conservação de massa é válida tanto para a corrente total (isto é, a massa da mistura de componentes) como para as correntes dos diversos componentes. Assim, para uma mistura binária de componentes (1) e (2) e sendo (A) uma corrente de entrada, (B) e (C) correntes de saída, teremos para os componentes 1 e 2: Convém também utilizar equações derivadas de combinações, como a resultante da soma das duas primeiras (A=B+C). Operações Unitárias – Turma 16723 Profa. Danielle Cotta de Mello Nunes da Silva 3.2) Análise do problema / Considerações: Na aplicação do balanço de material num processo, deve-se inicialmente obter todas as informações possíveis, resultando em: - massa ou fluxos de material que entram e saem do sistema. - composição de todas as correntes. - escolha de uma base de cálculo (se necessário), identificando a(s) respectivas(s) corrente(s). - o balanço de material básico é feito em massa e NÃO em volume ou moles. Considerações: Conhecendo-se tecnologicamente um processo, pode-se admitir algumas simplificações. Por exemplo, em evaporadores consideramos que o evaporado é água pura, exceto nos casos em que a análise seja feita em termos de outros voláteis arrastados pelo evaporado (recuperação de aromas); processos em “batelada”, podem ser associados com correntes entrando e saindo, como se fossem processos contínuos, sobre os quais se aplica a mesma metodologia. 3.3)Técnicas de Resolução: - · Fazer um diagrama em blocos, representando todo o processo e correntes, colocando-se símbolos apropriados para as correntes e para as frações mássicas ou molares. - Colocar todos os dados disponíveis. - Verificar se existem componentes de amarração (vistos a seguir) - A partir de todas as informações, obter o sistema de equações decorrente. - Verificar se o número de equações independentes é igual ao número de variáveis desconhecidas, para que se possa ter solução única. - Se o número de equações for menor que o número de variáveis desconhecidas, verificar se há falta de dados ou se pode ser feita alguma consideração, obtendo-se um ou mais dados ao problema. - Resolver o sistema de equações. Operações Unitárias – Turma 16723 Profa. Danielle Cotta de Mello Nunes da Silva 3.4) Componentes de Amarração: Um componente (ou elemento) de amarração é um material que passa de uma corrente para outra sem sofrer qualquer tipo de alteração, ou sem que tenha sido adicionado ou retirado deste componente qualquer material assemelhado (servem como dados para o balanço de material). Exemplos: a) Os constituintes sólidos de um alimento, quando passam por um processo de evaporação ou de secagem se mantém inalterados, ficando definidas as correntes que os contém. b) Alguns processos de separação (extração, destilação, etc.), nos quais se especifica a priori o rendimento desejado de um componente, ficando desta forma definida a quantidade do componente em questão nas correntes de saída. c) O ar (parte seca) utilizado em secagem. d) Na combustão, o N2 atmosférico do ar de entrada é igual ao N2 dos gases resultantes da combustão. 3.5) Reciclo È uma derivação da corrente de saída de um processo, a qual retorna em mistura com a corrente de alimentação. Exemplos: - Reciclo parcial de ar em processos de secagem, com o intuito de aproveitamentode energia do ar já aquecido; - Reciclo de células (microorganismos) em fer mentadores contínuos, com intuito de melhorar o desempenho do reator e evitar o efeito de lavagem; - Reciclo total de soluções saturadas em cristalizadores (Ex: açúcar, sal, etc); - Recicli de destilação. Operações Unitárias – Turma 16723 Profa. Danielle Cotta de Mello Nunes da Silva 3.6) By Pass É uma derivação da corrente de alimentação, desviada do processo e misturada com a corrente de saída, fornecendo uma composição desejada. Um exemplo típico do uso de bypass em processos envolvendo alimentos é o caso em que o processo em si pode ser muito drástico, ocasionando características indesejáveis ao produto (ex: perda de aromas). A derivação em bypass pode minimizar o problema. 3.7) Purga Uma derivação em corrente de purga é normalmente utilizada quando uma corrente por um lado contém componentes desejáveis que é de interesse reciclar no processo, mas por outro lado contém componentes indesejáveis que devem ser mantidos dentro de limites de concentração aceitáveis. Exemplos: reaproveitamento de ar de secagem, parcialmente misturado com ar ambiente, pois deve manter o teor de umidade dentro de limites aceitáveis (a água no ar é um componente indesejável).
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