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Processo de Produção Química 1º. Sem./2011 Engenharias 2 Nesta Aula Veremos ... Balanço de Energia 1. Introdução 2. Formas de Energia 3. Balanço Macroscópico de Energia 4. Equação Geral do B.E. 5. B.E. para Sistemas Fechados Estacionários 6. B.E. para Sistemas Fechados Não-estacionários 7. B.E. para sistemas Abertos Estacionários • Exercícios de aplicação Balanço de Energia Introdução O que é Energia ? http://www.hiperescopio.com.br/imagens/ciente c/energia/base.swf Origem da palavra ENERGIA Balanço de Energia Introdução enérgeia Energia Capacidade de gerar W ou Q Produção de movimento contra uma resistência Balanço de Energia De onde vem a energia ? Energia é cara. Ainda não aprendemos a usar eficientemente o infinito fornecimento de energia grátis proveniente do Sol, dos ventos e das marés; a geração de energia nuclear é possível, mas os despejos radioativos são perigosos, e não existem suficientes quedas de águas represas para gerar em hidroelétricas. Isto nos deixa com a queima de combustíveis ... Energia é habilidade para realização de certo trabalho. 1 J Energia envolvida para erguer, de 1 m, um corpo de aproximadamente 100 grama. 1 cal Quantidade de calor que aquece 1 grama de água de 1oC. Balanço de Energia Como é medida a energia ? Transformação Mecânica Aquecimento Forma pela qual a energia é transferida Trabalho = Fx · x Calor Unidade Medida Joule (J) Caloria (cal) Balanço de Energia Sistema de Unidades sistema Comp tempo massa Força Temp. Energia S.I. m seg kg Newton K, oC Joule S.A. pé (ft) seg, h lbm lbf R, oF BTU S.Ing. pé (ft) seg slug lb-peso R, oF BTU (*) (*) BTU – British Thermal Unit hp.h – ex.: ar condicionado Balanço de Energia Unidade Energia e Potência Unidade - Potencia Símbolo Equivalência watt W = 1 J/s Quilo watt kW = 1.000 W horse power hp = 745,7 W cavalo vapor cv = 735,5 W cavalo vapor cv = 0,9863 hp Unidade - Energia Símbolo Equivalência Joule J = 1 N.m Caloria (termoquímica) c = 4,180 J Caloria alimentar C = 4.180 J British Thermal Unit BTU = 1055,06 J Quilo-watt-hora kWh = 3,6 MJ Horse Power - hora hph = 2,6845 x 106 J Balanço de Energia Matriz Energética Balanço de Energia Matriz Energética 11 Balanço de Energia Usina Termelétrica 12 Uma usina termelétrica operando em ciclo combinado: gera energia elétrica, através de um processo que combina a operação de uma turbina à gás (movida pela queima de gás natural) ou óleo diesel, diretamente acoplada a um gerador. Os gases de escape da turbina à gás, devido à temperatura, promovem a transformação da água em vapor para o acionamento de uma turbina a vapor, nas mesmas condições de operação de uma termelétrica convencional. 13 Balanço de Energia Usina Termelétrica 14 Balanço de Energia Gases que agravam o Efeito Estufa: CO2, CO, NOx e HCs Formação do Smog fotoquímico e aumento do ozônio atmosférico: • NOx + HCs + O2 + (UV) .. O3 (perigoso) Chuva ácida • SO2 + H2O 2 H+ + SO4 2- • NO2 + H2O H+ + NO3 - • Os íons H+ aumentam a acidez das chuvas Balanço de Energia Poder Calorífico O Poder Calorífico é a quantidade de calor produzida na combustão de uma unidade de massa ou volume de combustível Combustível PC superior (Kcal/kg) Hidrogênio – H2 34.000 GLP 12.000 Gasolina 11.200 Querosene 11.100 Óleo Diesel 10.880 Óleo Combustível Pesado 10.410 Carvão mineral 6.800 Álcool etílico 6.500 Gás natural 4.300 Lenha (20% umidade) 2.500 – 3.000 Balanço de Energia Poder calorífico Poder Calorífico Superior : É a quantidade de calor produzida por 1 kg de combustível, quando este entra em combustão, em excesso de ar, e os gases da descarga são resfriados de modo que o vapor de água neles seja condensado. Poder Calorífico Inferior : É a quantidade de calor que pode produzir 1kg de combustível, quando este entra em combustão com excesso de ar, e os gases de descarga são resfriados até o ponto de ebulição (ou condensação) da água, evitando assim que a água contida na combustão seja condensada. 17 Balanço de Energia Meio Ambiente 1. A poluição térmica é inevitável ? 2. Qual a fonte mais econômica de combustível ? 3. O que pode ser feito com o calor excedente ? 4. Qual a quantidade de vapor d’água, e a que T e P é necessária para fornecer calor a um processo ? A resposta para essas perguntas passam pelo entendimento sobre a transferência de energia por processos naturais ou por máquinas. 18 Balanço de Energia Engenharia de Processo 1. Quanta potência (energia/tempo) é necessária para bombear 1.250 m3/h de água desde um tanque de armazenamento até uma unidade de processo? 2. Quanta energia é necessária para converter 2.000 kg de água a 30º C em vapor a 180º C ? 3. Uma reação altamente exotérmica A B acontece em um reator contínuo. Se uma conversão de 75% de A é atingida, com que taxa a energia deve ser transferida ao reator para manter o conteúdo a temperatura constante? 4. Quantos kg de óleo combustível deve ser queimado por dia para produzir energia suficiente para gerar vapor que movimentem as turbinas e produza a quantidade de eletricidade necessária abastecer uma cidade com 500.000 habitantes ? 19 Indústria Química Balanço Massa e Energia 20 Balanço de Energia Industria Química 1. Todos os processos industriais estão associados a alterações energéticas sob as mais variadas formas 2. Processo com reação química: (endotérmico e exotérmico) 3. Processo de combustão : energia interna do combustível é utilizada para geração de calor (fornos, caldeiras), ou para produção de trabalho (motores e turbinas) 4. Bombas e Compressores: fornece-se trabalho para acelerar ou comprimir fluidos 5. Trocadores de Calor: transfere-se calor de um fluido quente para um fluido frio. 2121 Balanço de Massa Esquema Básico Energia Final Energia Útil Uso Final • Calor de processo • Força Motriz • Iluminação, etc Perdas E.F = E.U + Perdas Lei da Conservação 1a Lei Termodinâmica Eficiência na conversão • do energético • do uso final Eff [i,j] = E.U [i,j] / E.F [i,j] i = energético j = uso final 22 Balanço de Energia Conceitos Básicos 1. Propriedade extensiva: É proporcional a massa do material, ex. massa, n. mols, volume, vazão mássica, molar, volumétrica, Ec, Ep e Energia Interna. 2. Propriedade intensiva: É independente da quantidade de matéria, ex. T, P, densidade 3. Propriedade específica: é quantidade intensiva, obtida pela divisão de uma prop. ext. por uma quantidade total de um material de processo, ex. Volume = 200 cm3 e Massa = 200g, volume específico = 1 cm3/g 23 Balanço de Energia Conceitos Básicos 1. Sistema Adiabático: É aquele que não realiza troca de calor com suas vizinhanças durante o processo. É um sistema termicamente isolado. 2. Sistema Isotérmico: Nesse sistema a temperatura se mantém invariante durante o processo. 3. Sistema Isobárico: É aquele que durante o processo a pressão se mantém constante 4. Sistema Isocórico: É aquele que durante o processo tem o volume constante. 24 Balanço de Energia Conceitos Básicos 1. Variável de Estado: É qualquer variável (ou função) cujo valor depende somente do estado do sistema. Um exemplo de função de estado é a energia interna, entalpia (H) – lei de Hess 2. Variável de Caminho (função de caminho):É aquela variável (ou função) cujo valor depende de como o processo ocorre. Trabalho e Calor são exemplos de função de caminho. 1 2 1 2 25 Balanço de Energia Conceitos Básicos 1. 1º. Princípio da Termodinâmica: O uso da energia implica em transformá-la de uma forma para outra... porém a energia, não é criada nem destruída. 2. 2ª. Princípio da Termodinâmica: A energia total do Universo não muda, mas a parcela disponível para realização de trabalho, torna-se cada vez menor. Na maioria das transformações parte da energia é convertida em calor (dissipa facilmente) Energia total antes da explosão = Energia total após a explosão 26 Balanço de Energia Formas de Energia 1. Energia Cinética (Ec): É a energia associada à velocidade de um material ou sistema em relação à vizinhança. No S.I. a energia cinética é calculada como: Ec = ½ m.v2 Água é bombeada de um tanque para uma tubulação de 3,0 cm de diâmetro interno a uma vazão de 1 litro/s . Qual é a energia cinética especifica da água ... DI = 3,0 cm Q = 1 l /s Q = v. A dágua = 1A = pi.(D/2) 2 27 Balanço de Energia Formas de Energia 2. Energia Potencial (Ep): É a energia relacionada com o trabalho exercido sobre a massa de um sistema para deslocá-lo, com relação a uma superfície de referência, num campo gravitacional ou eletromagnético, é calculada como: Ep = m.g.h Água é bombeada de um tanque para outro distante 300 m. O nível de água no 2º. tanque esta 40 m acima do nível de água do 1º. Qual é o aumento na Ep especifica da água em J/kg ... 40 m 300 m 28 Balanço de Energia Formas de Energia 3. Energia Interna (U): Toda energia possuída por um sistema além das Ec e Ep, tal como a energia devida ao movimento das moléculas em relação ao centro de massa do sistema, ao movimento rotacional, vibracional e às interações eletromagnéticas das moléculas, e ao movimento e às interações dos constituintes atômicos e subatômicos das moléculas Entalpia (H): É a função de estado resultado da combinação de U + P.V, ou seja: H = U + P.V 29 Balanço de Energia Formas de Energia 4. Trabalho (W): É a energia que flui como resposta a uma força motriz (ex.: torque, voltagem, etc) que não seja pela diferença de temperatura entre um sistema e suas vizinhanças. Quando as vizinhanças executam trabalho sobre o sistema, diz-se que o trabalho é positivo. Caso contrário, se o sistema executar trabalho sobre suas vizinhanças diz-se que o trabalho é negativo. • SISTEMA FECHADO • VIZINHANÇAS W > O W < O • O trabalho pode ser: mecânico, elétrico, de eixo ou de escoamento. • O trabalho mecânico, que é o mais conhecido, tem unidades de força x distância, e é representado matematicamente por: 30 Balanço de Energia Formas de Energia 5. Calor (Q): energia que flui como resultado de uma diferença de temperatura (potencial térmico) entre o sistema e suas vizinhanças. • SISTEMA • VIZINHANÇAS Q > O Q < O • Taxa de transferência de calor: Q = C.A.(T2 – T1), onde... Onde: • Q = taxa de transferência de calor • C = coeficiente empírico obtido a partir de dados experimentais, de acordo com o equipamento utilizado • A = área disponível para transferência de calor • T2 – T1 = diferença de temperatura (∆T) 31 Balanço de Energia Balanço Macroscópico Nota: Os termos “calor” e “trabalho” se referem apenas à energia que esta sendo transferida; você pode falar de calor e trabalho adicionado ou liberado pelo sistema, mas NUNCA falar do calor ou do trabalho possuído ou contido em um sistema. É uma aplicação do conceito de Conservação de Energia e considera que a variação de energia dentro do sistema é igual à troca líquida de calor e trabalho com as vizinhanças, somada com a energia líquida transportada pelo escoamento de massa para o sistema W e Q Sistema E W e Q E = Q + W E = Ec + Ep + U 32 Balanço de Energia Equação Geral Acúmulo de energia dentro do sistema Transfer ência de energia para o sistema através da fronteira Transfer ência de energia do sistema através da fronteira Geração de energia dentro do sistema Consumo de energia dentro do sistema = - + - ACÚMULO = ENTRADA – SAÍDA E = Q + W 00 Sem Reação Química W, Q > 0 – transf. da vizinhança sistema W, Q < 0 – transf. do sistema vizinhança 33 Balanço de Energia Simplificações O Balanço Energia pode ser aplicado a: 1. sem reação química, 2. sistemas abertos ou fechados, 3. em regime estacionário (permanente) ou não estacionário (transiente), 4. sistema de 1 ou + componente. 34 Balanço de Energia Fechado Estacionário Acúmulo de energia dentro do sistema Transfer ência de energia para o sistema através da fronteira Transfer ência de energia do sistema através da fronteira Geração de energia dentro do sistema Consumo de energia dentro do sistema = - + - ACÚMULO = ENTRADA – SAÍDA 00 Sem Reação Química 0 ENTRADA = SAÍDA 0 = Q + W W, Q > 0 – transf. da vizinhança sistema W, Q < 0 – transf. do sistema vizinhança Balanço de Energia Fechado Estacionário • O acúmulo de massa e energia no sistema é zero, uma vez que ele é estacionário ∆E= 0 • Assim Q e W são constantes tanto para dentro como para fora do sistema. Aplicando isso na equação geral temos que: ∆E= Q + W, como ∆E= 0 Q + W= 0 W= -Q • Isto implica dizer que todo o W realizado sobre este tipo de sistema é transferido para fora como Q. • O contrário é verdadeiro ? • Resp.: O calor absorvido por esse sistema não é igual ao trabalho realizado por ele, já que esse calor é o calor total, formado pelo calor absorvido e pelo calor perdido. 36 Balanço de Energia Fechado Não Estacionário Acúmulo de energia dentro do sistema Transfer ência de energia para o sistema através da fronteira Transfer ência de energia do sistema através da fronteira Geração de energia dentro do sistema Consumo de energia dentro do sistema = - + - 00 Sem Reação Química ACÚMULO = ENTRADA – SAÍDA E = Q + W W, Q > 0 – transf. da vizinhança sistema W, Q < 0 – transf. do sistema vizinhança Balanço de Energia Fechado Não Estacionário E = U = Q + W • não ocorre entrada ou saída de massa no sistema (sistema fechado). • o estado de material varia com o tempo (sistema não- estacionário) ∆U + ∆Ec + ∆Ep = ∆E = Q + W Para a grande maioria dos sistemas fechados os valores de ∆Ec e ∆Ep são muito pequenos ou nulos. Assim teremos: 0 0 38 Balanço de Energia Aberto Estacionário Acúmulo de energia dentro do sistema Transfer ência de energia para o sistema através da fronteira Transfer ência de energia do sistema através da fronteira Geração de energia dentro do sistema Consumo de energia dentro do sistema = - + - ACÚMULO = ENTRADA – SAÍDA 00 Sem Reação Química0 ENTRADA = SAÍDA Vazões de entrada Vazões de saída Sistema aberto We – trabalho no eixo Wf – trabalho de fluxo E = Q + W Balanço de Energia Aberto Estacionário • São os mais comuns nos processos da industria química • O acúmulo de massa e energia no sistema é zero, uma vez que ele é estacionário: ENTRA = SAI (∆E = 0) • O que ENTRA = taxa total detransporte Ec, Ep e U + taxa de transferência de Q e W • O que SAI = taxa total de transporte de Ec, Ep e U + taxa de transferência de Q e W. • Se Ej é a taxa total de energia transportada pelas correntes j de entrada e saída, temos: • Ej (entrada) - Ej (saída) = Q + W • Se mj, Ecj, Epj, Uj - correntes “j” do processo • Ej = Uj + Eci + Epj, como Ec = ½ m.v2 e Ep = m.g.h • Ej = mj . [ (Uj + v2j)/2 + ghj ] Balanço de Energia Aberto Estacionário • Por outro lado sabemos que: Wf = Pj.Vj (entra) + Pj.Vj (sai) • We = trabalho de eixo (feito no fluido: bombas, rotor) • Wf = trabalho de fluxo (feito no fluido: entrada – saída) • Então: W = We + Wf = We + mj.Pj.Vj (entra) - mj.Pj.Vj (sai) • A eq. do balanço de energia torna-se: • mj(saída) [Hj + v2j/2 + ghj] - mj (entra) [Hj + v 2j/2 + ghj] = Q + We • Utilizando ∆, temos: • ∆H = mj.Hj (saída) - mj.Hj (entrada) • ∆Ec = mj. v2j/2 (saída) - mj. v 2j/2 (entrada) • ∆Ep = mj.hj.g (saída) - mj.hj.g (entrada) • Temos: ∆H + ∆Ec + ∆Ep = Q + We • ∆H = H.[ mj (saída) - mj (entrada)] • Como balanço total de massa = mj (saída) = mj (entrada), então • ∆H = 0 (sistema estacionário) 41 Resolução de Problemas de Balanço de Energia 42 Balanço de Energia Passo-a-Passo Balanço de energia - Técnica: 1. Conhecer completamente do processo considerado; 2. Identificar se o sistema é aberto ou fechado e se o estado é permanente ou não permanente. 3. Esquematizar um fluxograma simplificado 4. Aplicar as simplificações pertinentes à Eq. Geral do B.E. 5. Se sistema aberto, indicar dados para determinação da entalpia especifica (pressões, temperaturas, estado agregação) de cada corrente. 6. Escolher um base de cálculo apropriada ao caso; 7. Selecionar o sistema onde ocorre o processo ou a operação; 8. Realizar o balanço através de equações que traduzam o problema e obter um valor numérico para o caso em análise. 43 Aplicação – Cálculo da potencia necessária para bombear água em um sistema aberto em estado estacionário: Água é bombeada de um poço cujo nível é constante, estando 20 m abaixo do nível do solo. A água é descarregada a uma vazão de 0,5 m³/s em um tubo horizontal que se encontra 5 m acima do solo. Admita que a taxa de transferência de calor da água é desprezível durante o escoamento. Calcule a potência elétrica requerida pela bomba, sabendo que sua eficiência de conversão de energia elétrica em mecânica é de 100%. Despreza o atrito nos tubos e na bomba. • 1º. Fazer um fluxograma e analisar o desenho • 2º. Sistema aberto em regime não permanente sem reação química • 3º. Eq. Geral : ∆E = Q + W • 4º. Balanço de energia – Equações Exercício de Aplicação 1 Passo-a-Passo 44 Resolução 1 Dados do problema: h1 = 20 m h2 = 5 m Vazão volumétrica = 0,50 m3/s h1 = 20 m h2 = 5 m Vazão = 0,50 m3/s • Sistema aberto em regime permanente: • ∆E = ( ∆U + ∆Ec +∆Ep) = Q + W • Simplificações: • Processo adiabático Q = 0 • ∆Ec = 0 (o sistema esta parado, não há movimento translacional) • ∆U = 0 (não há mudança de estado físico) • ∆E = Q + W W = ∆Ep 45 • W = ∆Ep = mg.( h(saída) – h(entrada) ) • Base de cálculo 1 segundo • Para calcularmos a vazão mássica de escoamento: • Vazão = Área x velocidade, V. mássica = V.volum. x densidade • vazão mássica = 0,50 m3/s . 1,0 kg/m3 = 0,5 kg/s • Como: W = Ep saída – Ep entrada • W = ∆Ep = mg.( h(saída) – h(entrada)) • W = 0,5 kg/s . 10 m/s2 . (25 - 0) m • W = 125 J e Potencia = 125 J/s • Como 1 HP = 745,7 J/s, temos que 125 J/s = 0,167 HP • Uma bomba de ¼ HP resolve (0,25 HP) Resolução 1 46 Aplicação – Balanço de Energia em uma Turbina (sistema aberto em estado estacionário): 500 kg/h de vapor movimentam uma turbina. O vapor entra na turbina a 44 atm e 450o C com uma velocidade linear de 60 m/s, e sai por um ponto 5 m abaixo da entrada, à pressão atm e a velocidade de 360 m/s. A turbina fornece trabalho no eixo com uma taxa de 70 kW, e a perda de calor na turbina é estimada em 104 kcal/h. Calcule a variação na entalpia específica associada com o processo. • 1º. Fazer um fluxograma e analisar o desenho • 2º. Sistema aberto em regime não permanente sem reação química • 3º. Eq. Geral : ∆E = Q + W • 4º. Converter kg/h kg/s, logo 500 kg/h/3600 s/h) = 0,139 kg/s Exercício de Aplicação 2 Passo-a-Passo 47 Resolução 2 • Balanço de energia – Equações • Sistema aberto em estado estacionário (regime permanente): • ∆E =( ∆U + ∆Ec +∆Ep) = Q + W • Q = - 104 kcal/h • We = - 70 kW • Como ∆U = ∆H (há mudança de estado P, V e T) • ∆H = Q + We - ∆Ec - ∆Ep 5 metros 500 kg/h 44 atm, 450o C 60 m/s 500 kg/h 1 atm 360 m/s Q = -104 kcal/h W = - 70 kW 48 • ∆Ec = ½ m.(V2 2 - V1 2) = ½. 0,139kg/s. (1N/1kg.m/s2).(3602-602) m2/s2 (1W/1N.m/s).(1kW/103 W) = 8,75 kW • ∆Ep = m.g.(hsaída – hentrada) = 0,139 kg/s.9,81N/s.(-5)m. (1kw/103N.m/s) = -6,81x10-3 kW • Q = -104 kcal/h.(1J/0,239x10-3 kcal).(1 h / 3600 s).(1 kW/ 103 J/s) = -11,6 kW • We = - 70 kW, temos : • ∆H = Q + We - ∆Ec - ∆Ep • ∆H = -11,6 - 70 – 8,75 – 6,81x10-3 = -90,3 kW • Mas pela equação, ∆H = m.(H2 – H1) • (H2 – H1) = ∆H/m = (-90,3 kJ/s) / (0,139 kg/s) = -650 kJ/kg Resolução 2 49 Onde Estudar a Aula de Hoje • Princípios Elementares dos Processos Químicos – Autor: Richard M. Felder (LTC) – cap. 7 a 8 (Balanços de Energia sem reação) • XEROX - Estequiometria Industrial – Autor: Reynaldo Gomide (Cap. III – Balanços de Energia) – (pg. 77 a 129) 50 Contato 50
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