Aula 9_Operações e Processos Unitários

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02/11/2014
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Operações e Operações e 
Processos unitários Processos unitários --
Balanço Material sem reação Balanço Material sem reação 
químicaquímica
Química Geral - 2º semestre de 2014
Alessandra Cremasco
Kelly Hofsetz
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE CIÊNCIAS APLICADAS
� Um processo é qualquer operação (ou
série) de operações que causam uma
transformação física ou química em uma
substância (ou em uma mistura de
substâncias).
Processos
 
 
ESTADO 1 tempo, espaço ESTADO 2 
Variáveis de Processo 
Reações 
Acumulação ou Esgotamento de 
matéria, energia e/ou impulso 
CORRENTES 
DE 
ENTRADA 
CORRENTES 
DE 
SAÍDA 
Fluxo de energia, 
massa e impulso 
Figura 1. Esquema de um processo. 
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� O material que entra no processo é
chamado de entrada (input) ou alimentação.
O material que deixa o processo é chamado de
saída (output) ou produto.
� Normalmente, um processo apresenta
várias etapas, cada uma das quais e realizada
em uma unidade de processo, e cada unidade
de processo tem associado um conjunto de
correntes de processo de entrada e saída.
Processos
� Todo processo envolve a manipulação de
substâncias (água, ar, leite, grãos, amônia, etc.)
sendo necessário, para a sua análise, que
estas sejam caracterizadas por suas propriedades,
que dependem do estado definido por
temperatura, pressão, concentração, etc.
� Essas propriedades são chamadas Variáveis
de Processo: massa/mol, fração mássica/molar,
volume, massa específica/densidade, volume
específico,concentração,vazão
(mássica/volumétrica), temperatura, pressão.
Variáveis de processo
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� Quando você se depara com uma 
descrição do processo é essencial 
organizar a informação dada em uma 
forma apropriada para os cálculos 
subsequentes. 
� A melhor maneira de se fazer isso é 
desenhar um diagrama de fluxo ou 
fluxograma do processo.
Diagramas de fluxo 
� Utiliza-se caixas para representar as 
unidades de processo (reatores, 
misturadores, …), setas para representar as 
correntes de entrada e saída e símbolos
para representar as variáveis de processo.
Diagramas de fluxo 
Unidade de 
processo
Correntes 
de
Entrada
Correntes 
de 
Saída
Figura 2. Exemplo de um diagrama de fluxo.
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1 kg de benzeno é misturado a 1 kg de tolueno. 
Represente o fluxograma do processo.
Exemplo de diagrama de fluxo 
Misturador
m1,b = 1 kg
m3,m = 2 kg
m2,t = 1 kg
� Os processos de transformação podem ser 
classificados:
Tipos de Processos







→
→





tempoocom
variamnãoespropriedadrio)(estacioná permanente
tempoocom
variamespropriedadio)estacionár(nãotransiente
tempodo
influência
àquanto
ada)(semibateluossemicontín
(batelada)osdescontínu
contínuos
operaçãode
regimeaoquanto
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1) Classifique os seguintes processos como em batelada, 
contínuos ou semicontínuos, e como transientes ou 
permanentes.
a) Um balão é enchido com ar a uma taxa constante de 2 
g/min.
b) Bombear uma mistura de líquidos para uma coluna de 
destilação com vazão constante e retirar de forma 
constante as correntes de líquido e de vapor.
c) Adicionar reagentes a um reator e retirar os produtos 
depois do sistema ter atingido o equilíbrio.
Exercícios de aprendizagem
Semibatelada e transiente.
Contínuo e permanente.
Batelada e transiente.
� O conceito de Operação Unitária está 
baseado na filosofia de que uma sequência 
amplamente variável de etapas pode ser 
reduzida a operações simples que são 
idênticas, independente do material que 
está sendo processado.
� As Operações Unitárias são etapas 
individuais que constituem processos que 
transformam uma matéria-prima em produto 
final. 
O conceito de operação unitária
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� As técnicas de projeto de operações
unitárias são baseadas em princípios
teóricos ou empíricos de:
– Transferência de Quantidade de Movimento 
(momento, impulso): bombeamento, agitação, 
filtração, etc.
– Transferência de Massa: destilação, umidificação, 
secagem, extração, etc.
– Transferência de Calor: evaporação/condensação, 
refrigeração, geração de vapor, fornos, etc.
O conceito de operação unitária
� As operações unitárias são comuns a todos
os tipos de indústrias:
– Destilação: separação do álcool (Indústria de 
Bebidas) e separação de hidrocarbonetos 
(Indústria do Petróleo);
– Secagem: similar para grãos e madeira;
– Escoamento de fluidos: leite e hidrocarbonetos 
líquidos em refinarias.
O conceito de operação unitária
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� Uma vez que o transporte global de massa 
está presente em um processo, torna-se 
necessário uma análise quantitativa dos 
mesmos. 
� O Princípio de Conservação da Matéria 
(Equação da Continuidade), aplicado aos 
processos, fornece equações matemáticas 
que exprimem o que chamamos de “Balanço 
de Massa” ou “Balanço de Moles”, ou 
simplesmente, Balanço Material. 
Balanço Material
� Assim, o balanço de massa, algumas vezes 
associado ao seu análogo “balanço de 
energia”, fornece ao engenheiro as relações 
entre as quantidades de matéria e energia
presentes nas correntes e fluxos, 
permitindo subsídios para o 
dimensionamento de equipamentos e o 
planejamento da produção. 
Balanço Material
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� As necessidades de calor e trabalho em 
processos industriais são calculadas com o 
auxílio da Termodinâmica e envolvem a 
determinação de propriedades 
termodinâmicas como entalpia e energia 
interna (Balanço de Energia).
Balanço Material
� O que são balanços materiais?
Conceito de balanço material
Aplicação do princípio 
da Conservação da 
Massa em sistemas.
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� O que são sistemas?
� O que é “fronteira do sistema/superfície 
de controle”?
Sistemas fechados e sistemas abertos
Sistema
Vazões 
de 
entrada
Vazões 
de 
saída
� O que são sistemas fechados?
Sistemas fechados e sistemas abertos
1000 kg água
Fronteira do sistema
Figura 3. Sistema fechado.
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� O que são sistemas abertos?
Sistemas fechados e sistemas abertos
1000 kg água
Fronteira do sistema
100 kg água/min100 kg água/min
Figura 4. Sistema aberto.
São também chamados de Volume de Controle (VC).
� O que são sistemas em regime permanente 
(estacionários)?
Sistemas permanente e transientes
1000 kg água
Fronteira do sistema
100 kg água/min100 kg água/min
Figura 5. Sistema aberto em regime permanente.
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� O que são sistemas transientes?
1500 kg 
água
Fronteira do 
sistema
90 kg 
água/min
100 kg 
água/min
Figura 6. Sistema aberto transiente. (a) 
estado inicial; (b) após 50 minutos.
1000 kg 
água
Fronteira do sistema
90 kg 
água/min
100 kg 
água/min
(a)
(b)
Sistemas permanente e transientes
Fronteira do 
sistema
100 kg 
água/min
90 kg 
água/min
Figura 7. Sistema aberto transiente. (a) 
estado inicial; (b) após 50 minutos.
1000 kg 
água
Fronteira do sistema
100 kg 
água/min
90 kg 
água/min
(a)
(b)
500 kg 
água
Sistemas permanente e transientes
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� Balanço material: contabilidade da matéria.
� Massa total
� Moles totais
� Massa de um composto químico
� Massa de uma espécie atômica
� Moles de um composto químico
� Moles de uma espécie atômica
O que é balanço material?
� Como fica o balanço material global?
A equação geral do balanço material
Sistema
Vazões 
de 
entrada
Vazões 
de 
saída
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A equação geral do balanço material
(1)
sistema do
 dentro
 Acúmulo
sistema do
 dentro
 Consumo
sistemado
 dentro
 Geração
sistema
 do fronteiras
pelas Saída
sistema
 do fronteiras
pelasEntrada










=










−










+










−










� Acúmulo: variação em massa ou moles 
(positivo ou negativo) dentro do sistema em 
relação ao tempo.
A equação geral do balanço material
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2) A cada ano, 50.000 pessoas se mudam para uma cidade, 
75.000 pessoas abandonam a cidade, 22.000 nascem e 
19.000 morrem. Escreva um balanço da população desta 
cidade. Represente a população por P e o acúmulo por A.
Exercício de aprendizagem
{{{{ }}}} {{{{ }}}} {{{{ }}}} {{{{ }}}} {{{{ }}}}AcúmuloConsumoSaídaGeraçãoEntrada ====−−−−−−−−++++
A cada ano, a população da cidade diminui em 22.000 
habitantes.
ano
P
22.000A
ano
P
A
ano
P
19.000
ano
P
75.000
ano
P
22.000
ano
P
50.000
−−−−====





====−−−−−−−−++++
� Podem ser escritos dois tipos de balanço:
� Balanço diferencial (permanente): 
indica o que está acontecendo em um 
sistema em um instante determinado do 
tempo. 
- Cada termo da equação do balanço é uma 
taxa e tem as unidades da quantidade 
balanceada divididas por uma unidade de 
tempo (pessoas/ano; g H2O/s; barris/dia; 
etc.)
Tipos de balanço 
Processos contínuos.
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� Podem ser escritos dois tipos de balanço:
� Balanço integral (transiente): descreve 
o que está acontecendo em um sistema 
entre dois instantes de tempo. 
- Cada termo da equação do balanço é uma 
porção e tem as unidades correspondentes 
(pessoas; g H2O; barris; etc.)
Processos batelada e 
semibatelada.
Tipos de balanço 
� Se a quantidade balanceada é a massa 
total, faça geração = 0 e consumo = 0.
� Se a substância balanceada é uma 
espécie não-reativa, faça geração = 0 e 
consumo = 0.
� Se um sistema está em regime 
permanente, faça acúmulo = 0.
Regras para simplificar cálculos
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� Balanço material para um processo em 
regime permanente sem reação 
química com um único componente:
(As variáveis do sistema não variam com o tempo, logo, o 
termo de acúmulo é zero)
OBS: Quando necessário, faz-se o B.M. por
componente.
Balanço material para um componente
{ } { } )2(SaídaEntrada =
Lei da conservação da massa em um VC
� Massa, calor e trabalho podem atravessar a superfície de
controle;
� A massa de um volume de controle pode variar com o
tempo, bem como suas propriedades.
Taxa de variação = + entrada – saída
(acúmulo)
Lei da Conservação da 
Massa (Equação da 
continuidade) 
)3(∑∑
••
−= se
vc mm
dt
dm
Figura 8. Diagrama esquemático de um VC mostrando 
a transferência e acúmulos de massa e E. 
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∑∑
••
−= se
vc mm
dt
dm






==
•
tempo
massa
mássicavazãom






==
•
tempo
volume
avolumétricvazãoV
A massa do VC muda com o com o passar do tempo devido a 
entrada e a saída de massa do VC. 






=


 ⋅==
•
s
m
m
s
m
AV
3
2v
Taxa de variação = + entrada – saída
(acúmulo)
Lei da conservação da massa em um VC
Lei da Conservação 
da Massa (Equação da 
continuidade) 
∑∑
••
−= se
vc mm
dt
dm
v
1
=ρdVmVC ρ= dV
v
mvc
1
=
Como pode ser expressa a massa do VC?






=





⋅==⋅==
•
••
tempo
massa
tempo
volume
volume
massa
v
V
VAm ρρv
Taxa de variação = + entrada - saída 
Massa do VC
Vazão mássica do VC
Lei da conservação da massa em um VC