Balanço de Massa - 4º módulo

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OPERAÇÕES UNITÁRIAS
Profº Rogério
Aula – Balanço de Massa
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BALANÇO DE MASSA
O balanço de massa (BM) é por definição uma restrição da natureza, descrita na lei de conservação de massa:
“ A massa do universo (em estudo) não pode ser criada, nem destruída”
Logo, não havendo acúmulo de massa no interior de um equipamento, tem-se ao longo de um determinado intervalo de tempo que:
massa total na entrada = massa total na saída
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BALANÇO DE MASSA
O balanço de massa representa uma peça fundamental do projeto de equipamentos e torna-se complexo quando tratamos de processos constituídos por diversos equipamentos interligados. Esta complexidade aumenta em sistemas multifásicos, heterogêneos e com reações químicas. Por isso, é necessária uma sistematização das informações disponíveis para que seja possível uma solução clara e objetiva.
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BALANÇO DE MASSA
A solução de qualquer problema começa pela compreensão dos processos e fenômenos envolvidos. 
Um sistema é classificado em função da ocorrência de transferência de massa através de sua fronteira em:
Aberto ⇒ há transferência de material através da fronteira do sistema;
Fechado ⇒ não há transferência de material através das fronteiras do sistema, durante o intervalo de tempo de interesse.
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BALANÇO DE MASSA
Analogamente, a operação de um processo pode ser classificada como:
Operação em Batelada ⇒ massa não cruza as fronteiras do processo durante o tempo da batelada. O sistema é alimentado e os produtos são retirados de uma só vez, no início e ao final do tempo de processo, respectivamente. Assim, o processo ao longo da batelada se comporta como um sistema fechado. Normalmente, esta estratégia de operação é usada para produzir pequenas quantidades de especialidades químicas, produtos sazonais ou feitos por encomenda;
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BALANÇO DE MASSA
Operação Contínua ⇒ há, continuamente, a passagem de massa através das fronteiras do processo através das correntes de entrada e de saída. Desta forma o processo se comporta como um sistema aberto. Esta operação é característica de grandes volumes de produção, como ocorre, por exemplo, no refino do petróleo e na indústria petroquímica;
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BALANÇO DE MASSA
Operação Semi-batelada ou Semi-contínua ⇒ qualquer processo que não é operado nem em batelada e nem contínuo. Um exemplo deste tipo de processo é aquele onde uma massa de líquido é alimentada em um reator e gás é borbulhado durante um certo tempo através do líquido. Ao final, a passagem de gás é interrompida e o líquido retirado do reator.
Um processo que opera desta forma é o de cloração de benzeno.
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BALANÇO DE MASSA
A operação de um processo também pode ser classificada conforme o comportamento das variáveis ao longo do tempo:
Operação em Regime Estacionário ⇒ os valores das variáveis de processo (T, P, vazões, concentrações etc) não variam com o tempo em qualquer posição fixa;
Operação em Regime Transiente ⇒ os valores das variáveis variam com o tempo em alguma posição fixa do processo.
O processo em batelada tem uma natureza tipicamente transiente, enquanto os processos contínuos operaram normalmente em regime estacionário.
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BALANÇO DE MASSA
O seguintes passos são recomendados para equacionar um problema envolvendo trânsito de massa:
1- Formar um diagrama detalhado do processo;
2- Delimitar, com uma linha tracejada, a parte do processo que será estudada;
3- Quantificar todas as correntes conhecidas, bem como de seus constituintes;
4- Reunir todas as equações possíveis, relacionando os diversos constituintes de todas as correntes;
5- Reunir informações complementares;
6- Escolher uma Base de Cálculo para iniciar os Balanços. 
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BALANÇO DE MASSA
Assim, o primeiro passo na resolução de um problema relacionado a um processo de produção da Indústria Química deverá ter a sua representação de uma forma mais sintética num Diagrama de Blocos. Estes são formados por blocos, que representam as operações físicas ou químicas envolvidas, ligados entre si por setas, que simbolizam o fluxo de matéria entre as diferentes operações.
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BALANÇO DE MASSA
Exemplo 
Num processo de produção de pasta de papel, obtém-se, após uma série de operações, uma pasta com 82% de umidade. Esta pasta “tal qual” é submetida a um processo para eliminação de água (em prensas hidráulicas), de onde sai com uma umidade de 55%. Posteriormente é efetuada uma secagem que remove 78% da água ainda presente.
As informações que não são importantes, como reservatórios e formas de transporte, por exemplo, devem ser omitidas do diagrama, para que este mantenha simplicidade e funcionalidade. 
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BALANÇO DE MASSA
Dois tipos de Balanços podem ser realizados: um Balanço Global e os Balanços Individuais para cada uma das espécies químicas. Assim sendo, será obtido um sistema de equações, tantas quantos forem os componentes do processo.
A soma dos balanços individuais constitui o balanço global que sempre deve ser satisfeito. Qualquer balanço deve ser calcado em alguma base, a qual é denominada Base de Cálculo. A base de cálculo representa a âncora sobre a qual são determinadas as quantidades desconhecidas no problema. 
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BALANÇO DE MASSA
A escolha adequada de uma BC simplifica, normalmente, a resolução do problema. Como o resultado de todos os cálculos vão estar referidos à BC escolhida, é fundamental que a sua indicação esteja bem explícita no início da resolução do problema. Frequentemente, uma boa BC é ditada pela composição de uma corrente. Assim, se a composição for dada em % mássica, a escolha de 100 kg do total da corrente evita o cálculo preliminar da determinação das massa de cada um dos constituintes dessa corrente. Por norma, sempre que nos referimos a uma corrente sólida a composição indicada é mássica, sendo molar para uma corrente gasosa.
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BALANÇO DE MASSA
O balanço de massa global é responsável por computar as quantidades totais das correntes que fluem em um processo. Portanto para um sistema fechado (processamento em batelada [BATCH],por exemplo) este balanço não se aplica. 
Em todo balanço a primeira tarefa a ser adotada é compreender as origens, destinos e transformações a que estão sujeitas as correntes.
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BALANÇO DE MASSA - GLOBAL
A equação a seguir resume a aplicação do balanço de massa global.
S F ENTRAM - SF SAEM = M ACUMULADA
Onde: M, F= massa/tempo
Os balanços de massa são ditos em Estado Estacionário (Steady State) quando não apresentam termo de acúmulo, ou seja, o conteúdo do sistema não apresenta variação ao longo do tempo. São ditos em Estado Transiente em caso contrário.
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BALANÇO DE MASSA - INDIVIDUAL
No balanço de massa (ou molar) individual, são consideradas as espécies químicas, individualmente, contidas em cada uma das correntes que transitam no sistema, bem como a variação da quantidade destas espécies presentes neste e as quantidades geradas ou consumidas quando da presença de reação química. A equação a seguir resume a aplicação do balanço de massa para uma espécie j.
SFJ ENTRAM –S FJ SAEM + [MJ GERADA – MJ CONSUMIDA]tempo = MJ ACUMULADA
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BALANÇO DE MASSA – ACÚMULO DE MASSA
Quando realizamos o balanço de massa em um sistema, seja global ou para uma espécie qualquer, avaliamos a evolução da massa no interior do sistema ao longo do tempo. O acúmulo de massa no interior do sistema refere-se a variação da massa neste. O acúmulo de uma espécie química refere-se a variação da quantidade da espécie no sistema ao longo do tempo.
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BALANÇO DE MASSA – ACÚMULO DE MASSA
Vamos tomar como exemplo o processo de calcinação de Carbonato de Cálcio em um recipiente fechado:
Acúmulo de Massa.
Reação de decomposição térmica do CaCO3.
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BALANÇO DE MASSA – ACÚMULO DE MASSA
Como esta reação está sendo realizada em um sistema fechado o balanço global fica:
Fentra – Fsai = M Acumulada
0 – 0 = M Acumulada
Acúmulo de Massa = 0
Observamos que, com
a inexistência de fluxo de massa através das fronteiras do sistema, o balanço global de massa afirma que o acúmulo total de massa é nulo. Isto significa que a quantidade de massa no interior do sistema não varia com o tempo.
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BALANÇO DE MASSA – ACÚMULO DE MASSA
Vamos assumir, hipoteticamente, que a tabela a seguir expresse a variação da massa de CaCO3 ao longo do tempo: 
Tabela (discussão em sala)
DICA:
Acúmulo positivo indica que o sistema está recebendo massa ou que existe geração de alguma espécie química neste. Acúmulo negativo indica o contrário.
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