estequiometria industrial - processos

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Previously for Chemical Engineering sophomores...
Conversão de unidades: uso de fatores de conversão
Homogeneidade dimensional: consistência algébrica das unidades de uma equação
Grandezas Adimensionais: Grandezas sem unidades
Trabalhando com algarismos significativos
Variáveis de Processo:
	 densidade
	 volume específico
	 vazão
	 composição química	
	 volume
	 composição química e concentração
	 temperatura
	 pressão
Análise de processos químicos (relembrando)
CALCULAR
 QUANTIDADES E PROPRIEDADES DE PRODUTO
PARTINDO DAS
 QUANTIDADES E PROPRIEDADE DE MATÉRIA-PRIMA
OU VICE-VERSA
 Variáveis de Processo
 Conservação de massa
 Conservação de energia
 Termodinâmica
		
		abordagem sistemática
- Solução dos problemas (aqui e no dia-a-dia)
Balanço de massa (ou material)
 Baseado no princípio da conservação das massas (Lavoisier)
 Relaciona as quantidades de massa envolvidas em um processo através da contabilidade das massas e de cada componente
 Uma das atribuições vitais da Engenharia Química, pois os balanços de massa fazem parte dos modelos de todos equipamentos e de todos processos. 
Balanço de massa (ou material)
SISTEMA
Reações Químicas
Fluxo
Massa
Fluxo
Massa
Fluxo
Fluxos ou Correntes: responsáveis pela entrada e saída de matéria (massa) no sistema
Reações Químicas: responsáveis pela geração e consumo de
espécies químicas com ou sem variação de energia.
Mecanismos responsáveis pela variação da massa no interior dos sistemas:
Fluxos e Reações Químicas.
Balanço de massa (ou material)
Forma Geral do balanço da quantidade G (massa):
Taxa de 
Acumulação =
de G
Taxa de Taxa de Entrada - Saída 
de G de G
 Taxa de Taxa de
+ Geração - Consumo 
 de G de G
Fluxos
Reações
(Taxa: quantidade de G por unidade de tempo)
SAI = ENTRA + REAGE – ACUMULA
qAs = qAe + rA - dmA/dt
vazão de 
saída de A
vazão de 
entrada de A
taxa de consumo
ou geração de A
taxa de acumu-
lação de A
Classificações dos Processos
A) Regimes de Operação quanto aos Fluxos
2) Operação contínua: sistema permanentemente aberto para entrada e saída de massa.
 Exemplos: produção de vapor em caldeiras; bombeamento e retirada de fluído num tanque a uma mesma vazão
3) Operação semi-contínua: sistema fechado para um componente e 
aberto para outro 
 Exemplos: borbulhamento de um gás em um meio líquido; 
escape de gás de um cilindro pressurizado; tanque de combustível
1) Operação em batelada: sistema fechado após alimentação e aberto
para a retirada do produto.
 Exemplos: cozimento em panela de pressão; autoclavação de materiais
Classificações dos Processos
B) Regimes de Operação quanto à Acumulação ou Tempo
2) Estado estacionário, regime estacionário ou steady state (operação contínua): 
Caracteriza-se pela não-alteração das variáveis ao longo do tempo
taxa de acumulação nula  equação algébrica 
1) Estado transiente ou regime não-permanente (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
y
t
 y é uma variável relevante no processo em operação
Partida, Operação Normal e Parada de um Processo
 A partir daqui, você irá se deparar com textos deste estilo:
A desidrogenação catalítica do propano é realizada em um reator contínuo de leito empacotado. 1000Kg/h de propano puro são pré-aquecidos a uma temperatura de 670o C antes de entrar no reator. O gás efluente do reator, que inclui propano, propileno, metano e hidrogênio é resfriado de 800 a 110oC e alimentado a uma torre de absorção onde o propano e o propileno são dissolvidos em óleo. O óleo passa então a uma coluna de dessorção, onde é aquecido, liberando os gases dissolvidos; estes gases são recomprimidos e enviados a uma coluna de destilação de alta pressão na qual o propano e o propileno são separados. A corrente de propano é reciclada de volta para se juntar à alimentação do preaquecedor do reator.A corrente de produto da coluna de destilação contém 98% de propileno e a corrente de reciclo contém 97% de propano. O óleo retificado é reciclado à torre de absorção.
 
 Um fluxograma organiza este tipo de informação em uma forma apropriada para a realização de cálculos
 Caixas ou outros símbolos são usados para representar as unidades de processo (reatores, separadores, etc) e setas para representar as correntes de entrada e saída. (caixas são suficientes para este curso!)
Fluxogramas
Fluxogramas - Sugestões
Ler e entender o enunciado
Rotular o fluxograma – com os valores de todas variáveis de processo e símbolos para identificar as variáveis desconhecidas
Utilizar como placar – escrever o valor das variáveis encontradas com a solução do problema
 Escrever os valores e as unidades de todas as variáveis das correntes conhecidas na localização apropriada no diagrama.
ex: uma corrente contendo 21% molar O2 e 79% molar N2 a 320oC e 1,4 atm fluindo a uma vazão de 400 mol/h
Obs: é possível substituir as fracões molares ou mássicas pelas vazões de cada componente
400 mol/h
Y O2 = 0,21
Y N2 = 0,79
T = 320oC, p = 1,4 atm
Fluxogramas - Sugestões
5. Atribua símbolos algébricos às variáveis desconhecidas de cada corrente e escreva esses nomes de variáveis e suas unidades associadas no diagrama. 
Ex: caso não se conheça a vazão total do exemplo anterior
Praticando: Três correntes de entrada alimentam uma câmara de evaporação para produzir uma corrente de saída de evaporação de composição desejada desejada.
Água líquida, alimentada a vazão de 20 cm3/min
Ar (21% molar O2 e resto N2)
c) O2, puro com vazão molra igual a 1/5 da corrente b
O gás de saída é analisado e contém 1,5% molar de água. Desenhe o fluxograma.
Q corrente A ? (mol/h)
Y O2 = 0,21
Y N2 = 0,79
T = 320oC, p = 1,4 atm
Fluxogramas – Saiu algo como isto???
- Teremos a oportunidade de praticar esta habilidade em MUITOS exercício de agora em diante!
Equações gerais para balanço de massa
Balanço total de massa
Bal. de massa
componente A
sem reação química
SAI=ENTRA+REAGE-ACUMULA
qAs = qAe + rA - dmA/dt
dmA/dt = qAe - qAs + rA
SAI=ENTRA-ACUMULA
qAs = qAe -dmA/dt
dmA/dt = qAe – qAs
SAI=ENTRA -ACUMULA
qAs = qAe - dmA/dt
dmA/dt = qAe - qAs
SAI=ENTRA
qAs = qAe
SAI=ENTRA+REAGE
qAs = qAe + rA
SAI=ENTRA
qAs = qAe
MASSA FINAL =
MASSA INICIAL
SAI=ENTRA=0
ACUMULA=REAGE
dmA/dt = rA
SAI=ENTRA
REAGE=0
MASSA FINAL A = MASSA INICIAL A
Bal. de massa
componente A
com reação química
Processo Contínuo
Est. Transiente
Processo Contínuo
Est. Estacionário
Processo Batelada
Classificação
Exemplo de balanço de massa para vários componentes
Balanço de massa global: QA = QB + QC
 Sistema contínuo, em estado estacionário, sem R.Q. ENTRA = SAI 
Balanço de massa do componente 1: Q1,A = Q1,B + Q1,C
					 X1  QA = X’1  QB + X”1  QC
Balanço de massa do componente 2: X2  QA = X’2  QB + X”2  QC
Balanço de massa do componente 3: X3  QA = X’3  QB + X”3  QC
Restrições: X1 + X2 + X3 = 100% = 1 = X’1 + X’2 + X’3 = X”1 + X”2 + X”3 
Procedimentos para Cálculos de balanço de massa
 Desenhe um fluxograma
 Indique todos os valores das variáveis conhecidas
 Indique as variáveis desconhecidas
 Caso nenhuma quantidade ou vazão seja conhecida, escolha uma base de cálculo (as variáveis desconhecidas serão determinadas relativamente a este valor)
 Converta valores de volumes e vazões volumétricas em qtddes. mássicas ou molares
 Se houver mistura de unidades mássicas e molares, adotar uma das duas
 Escrevas as equações de balanço material
  Se não há reação e n espécies estão presentes:
n equações
  o número de equações tem de ser igual ao número de variáveis desconhecidas 8) Assumir que não há incertezas associadas aos valores das variáveis que impactem no fechamento do balanço (ao contrário da indústria)
Praticando!
Exemplo 1: Duas misturas metanol-água de composições diferentes estão contidas em recipientes separados. A primeira mistura contém 40% de metanol e a segunda 70% metanol em massa. Se 200g da primeira mistura são combinados com 150g da segunda mistura, qual a massa e a composição do produto. Considerar que não há interação entre o metanol e a água.
Conceito envolvido: classificar o processo!
Praticando!
Exemplo 2: Uma unidade industrial de verniz tem que entregar 1000 lbm de uma solução de nitrocelulose a 8%. Eles têm em estoque a solução a 5,5%. Quanto de nitrocelulose seca
deve ser dissolvida na solução para atender ao pedido? 
Conceitos envolvidos: classificar o processo!
			 sistemas de equações lineares!
Praticando! – Agora é com vocês
Exemplo I - alunos: Uma unidade industrial de verniz tem que entregar 1000 lbm de uma solução de nitrocelulose aquosa a 8% em massa. A unidade possui uma grande quantidade de solução aquosa com fração molar de 5,5%, que será concentrada por evaporação para produção da solução concentrada. Pede-se 
a) A massa de solução a 5,5% necessária para produzir 1000 lbm nitrocelulose aquosa a 8% em massa por evaporação.
b) A massa de água evaporada, em toneladas.
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