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EETI – ESCOLA DE ENGENHARIA E TI PROCESSOS QUÍMICOS – ENG030 BALANÇOS EM PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS SEM REAÇÃO EETI – ESCOLA DE ENGENHARIA E TI Uma vez organizadas as informações do processo é preciso escrever as equações de balanço do processo. As equações de balanço traduzem restrições impostas pela natureza Princípio da Conservação “Massa (Energia) não pode ser criada ou destruída” Qualquer projeto ou análise de processo só estará completo quando todas as entradas e saídas de cada unidade obedecerem às equações de balanço do processo. Equação Geral de Balanço BALANÇOS EM PROCESSOS QUÍMICOS 2 Sistemado energia ouMassa Sistemano energia ouMassa Sistemano Energiaou Massade saindoentrando Acúmulo Sistemado Consumo Sistemado Geração dentrodentro EETI – ESCOLA DE ENGENHARIA E TI As equações de balanço quantificam os fluxos de matéria e energia através das fronteiras do processo + as variações internas no processo: Assim, deve-se escrever as equações de balanço (global e por componente) ao redor das fronteiras da envoltória (volume de controle) selecionado. O número máximo de equações independentes que podem ser escritas para o balanço de um sistema sem reação é igual ao número de espécies químicas presentes. BALANÇOS EM PROCESSOS QUÍMICOS 3 m2 m3 m4 m1 m5 SISTEMA EETI – ESCOLA DE ENGENHARIA E TI Validade da equação geral de balanço • Massa e energia total do sistema; • Massa de um composto químico; • Mol total; • Mol de um composto químico; • Massa e mol de espécies atômicas; • Volume (apenas quando as massas específicas de todos os compostos presentes puderem ser consideradas constantes). BALANÇOS EM PROCESSOS QUÍMICOS 4 EETI – ESCOLA DE ENGENHARIA E TI Simplificações da equação geral de balanço • Processo no estado-estacionário, ou seja, não existe acúmulo. • Processos sem reação: Consumo = Geração = 0 • Aplicável apenas para: • Massa total ou número total de moles sem reação; • Massa ou número de moles de substância inerte; • Massa ou número de moles de espécie atômica. BALANÇOS EM PROCESSOS QUÍMICOS 5 Sistemado energia ouMassa Sistemano energia ouMassa saindoentrando 0 Sistemado Consumo Sistemado Geração dentrodentro Sistemado energia ouMassa Sistemano energia ouMassa saindoentrando EETI – ESCOLA DE ENGENHARIA E TI Tipos de balanço • Balanço Microscópico (Diferencial) • O sistema é avaliado num instante de tempo t calculam-se taxas de variação instantâneas ; • Cada termo do sistema é uma taxa; • Normalmente utilizado em processos contínuos. • Balanço Macroscópico (Integral) • O sistema é avaliado num intervalo de tempo t calculam-se quantidades ; • Normalmente utilizado em processos em batelada e no estado-estacionário em processos contínuos. BALANÇOS EM PROCESSOS QUÍMICOS 6 EETI – ESCOLA DE ENGENHARIA E TI EXERCÍCIOS 3.1) A cada ano 50.000 pessoas se mudam para uma determinada cidade, 75.000 saem desta para outras cidades, 22.000 nascem e 19.000 morrem. Escreva uma equação para o balanço populacional da cidade. 3.2) Determine as condições em que a equação geral de balanço pode ser escrita na forma: entrada = saída, para as seguintes quantidades: a) Massa total de um sistema b) Massa de uma substância qualquer em um sistema; c) Vazão molar total do sistema; d)Vazão molar de uma substância qualquer em um sistema. 7 EETI – ESCOLA DE ENGENHARIA E TI Análise de Graus de Liberdade • O balanço de um processo só poderá ser resolvido se o número de variáveis desconhecidas (NVD) do sistema for igual ao número de equações independentes (NEI), ou seja, se o número de graus de liberdade (NGL) for igual a “zero”. NGL = NVD – NEI • Se a resposta for negativa, cuidado: • O fluxograma está completo? • Faltou considerar alguma relação? • Todas as equações são linearmente independentes, ou seja, não são combinações de outras equações? • Escolheu-se uma base de cálculo? BALANÇOS EM PROCESSOS QUÍMICOS 8 EETI – ESCOLA DE ENGENHARIA E TI Análise de Graus de Liberdade • A análise de graus de liberdade pode levar a três situações: Se NGL= 0: O sistema está especificado solução única; Se NGL> 0: O sistema está sub-especificado soluções múltiplas. Deve-se especificar variáveis ou verificar a existência de outras equações de modo a fazer NGL = 0; Se NGL< 0: O sistema está super-especificado soluções múltiplas. Verificar ausência de variáveis ou equações redundantes ou inconsistentes, de modo a fazer NGL = 0. BALANÇOS EM PROCESSOS QUÍMICOS 9 EETI – ESCOLA DE ENGENHARIA E TI Análise de Graus de Liberdade • Fontes de equações relacionando variáveis do processo: • Balanço material • Sistemas sem reação • Número de equações independentes é igual ao número de espécies moleculares envolvidas; • Sistemas com reação • Número de equações independentes é função do número de espécies moleculares independentes e do número de reações químicas independentes. • Relações entre variáveis de um processo, de acordo com as informações disponíveis: fatores de recuperação, distribuição de substâncias pelas correntes, etc.; • Propriedades físico-químicas e termodinâmicas, tais como relações de equilíbrio. BALANÇOS EM PROCESSOS QUÍMICOS 1 0 EETI – ESCOLA DE ENGENHARIA E TI EXERCÍCIOS 3.3) Analise o fluxograma a seguir, no qual apenas o valor de D é conhecido. Qual o número mínimo de outras medidas que precisa ser feito para se determinar todos os demais valores de vazões e composições? Que variáveis deveriam ser medidas? 1 1 % H2SO4 % H2O % H2SO4 % HNO3 % H2O C % H2SO4 % HNO3 % H2O B A D = 1.000 lb % HNO3 % H2O EETI – ESCOLA DE ENGENHARIA E TI Sistemas simples (apenas uma unidade de processo) BALANÇOS EM PROCESSOS QUÍMICOS 1 2 EETI – ESCOLA DE ENGENHARIA E TI EXERCÍCIOS 3.4) Uma corrente de ar úmido é alimentada a um condensador, no qual 95% do vapor d’água presente no ar são condensados. A vazão deste condensado é de 225 L/h. Faça a análise de graus de liberdade do sistema e, caso seja possível, calcule a vazão de gás que deixa o condensador e as frações molares de O2,N2 e H2O nesta corrente. 3.5) Mil kg/h de uma mistura equimássica de benzeno e tolueno são separados em uma coluna de destilação. A vazão de benzeno no destilado é de 450 kg/h e a vazão de tolueno no produto de fundo é de 475 kg/h. Considerando que o sistema está no estado-estacionário, escreva os balanços materiais necessários para calcular todas as vazões desconhecidas. 3.6) Três correntes são alimentadas a uma câmara de evaporação em um experimento para determinação da taxa de crescimento de certos organismos em ambiente de ar úmido e rico em O2: a) água líquida, com uma vazão de 20cm3/min; b) ar; c) O2 puro, com uma vazão molar equivalente a 20% da corrente b. A corrente de saída contém 1,5 % de água. Esquematize o fluxograma do processo e calcule todas as variáveis desconhecidas 1 3 EETI – ESCOLA DE ENGENHARIA E TI Sistemas múltiplos (duas ou mais unidades de processo) Envolve a divisão em “subsistemas” e o uso de “envoltórias”; Num subsistema, ou envoltória, deve-se considerar apenas as correntes (entradas e saídas) que cruzam suas fronteiras. BALANÇOS EM PROCESSOS QUÍMICOS 1 4 EETI – ESCOLA DE ENGENHARIA E TI EXERCÍCIOS 3.7) Deseja-se projetar um sistema de recuperação de acetona de acordo com o fluxograma a seguir, onde todas as composições estão em base mássica. Calcule todas as vazões desconhecidas, para uma alimentação de gás de 1.400 kg. 1 5 EETI – ESCOLA DE ENGENHARIA E TI EXERCÍCIOS 3.7) Deseja-se projetar um sistema de recuperação de acetona de acordo com o fluxograma a seguir, onde todas as composições estão em base mássica. Calcule todas as vazões desconhecidas, para uma alimentação de gás de 1.400 kg. 1 6 EETI – ESCOLA DE ENGENHARIA E TI EXERCÍCIOS 3.8) Analise o sistema a seguir e determine todas as variáveis desconhecidas, caso seja possível. 1 7 1 2 3 A B C 50% KCl 50% H2O P W 100% H2O 100 kg/min 20% KCl 80% H2O F 95% KCl 5% H2O 33% KCl 67% H2O EETI – ESCOLA DE ENGENHARIA E TI EXERCÍCIOS 3.9) Uma mistura líquida contendo 30% benzeno, 25% tolueno e 45% o-xileno é carga de uma Unidade de destilação composta de duas colunas em série. Na primeira coluna, o resíduo contém 1,0% tolueno e 99% o-xileno. A recuperação de o-xileno no resíduo é de 98%. O destilado desta coluna é carga da segunda coluna da Unidade, cujo destilado contém 99% benzeno e 1,0% tolueno. Nesta coluna a recuperação de benzeno é de 96% do benzeno presente na alimentação da mesma. Para uma carga da Unidade de 1000 kg/h, esquematizar o fluxograma do processo e calcular as vazões mássicas e as respectivas composições de todas as correntes das duas colunas. Obs: Composições em base mássica.. 1 8 EETI – ESCOLA DE ENGENHARIA E TI Sistemas complexos (reciclo / purga / by-pass) Envolvem a divisão em “subsistemas” e o uso de “envoltórias”; Em um subsistema, ou envoltória, deve-se considerar apenas as correntes (entradas e saídas) que cruzam suas fronteiras. São resolvidos da mesma maneira que sistemas sem reciclo; Em estado-estacionário, não ocorre acúmulo nem perda de material. BALANÇOS EM PROCESSOS QUÍMICOS 1 9 CC E S EETI – ESCOLA DE ENGENHARIA E TI CC E S Sistemas complexos (reciclo / purga / by-pass) • Envoltórias de balanços com reciclo Global: Não envolve a corrente de recicl’; Ponto de mistura do reciclo com a carga fresca; Processo: Não envolve a corrente de reciclo; Ponto de separação do reciclo e do produto líquido do processo. BALANÇOS EM PROCESSOS QUÍMICOS 2 0 EETI – ESCOLA DE ENGENHARIA E TI Sistemas complexos (reciclo / purga / by-pass) A purga tem o objetivo de reduzir a concentração de materiais indesejados, evitando seu acúmulo no sistema, através da retirada de uma fração da corrente de reciclo. A purga e o reciclo possuem a mesma composição, mas vazões diferentes. A purga é muito mais frequente em sistemas com reação. BALANÇOS EM PROCESSOS QUÍMICOS 2 1 CC E S Purga PG EETI – ESCOLA DE ENGENHARIA E TI EXERCÍCIOS 3.10) Uma corrente com uma vazão de 450 kg/h de uma solução a 1/3 de K2CrO4 é combinada com uma corrente de reciclo contendo 36,4% de K2CrO4, e a carga combinada é alimentada a um evaporador. A corrente de saída deste contém 49,4% de K2CrO4. Esta corrente é então alimentada a um cristalizador, no qual é resfriada e filtrada. A torta do filtro, ou seja, a corrente de saída do cristalizador, é composta por cristais de K2CrO4 e uma solução a 36,4% de K2CrO4, com os cristais correspondendo a 95% da massa total dessa torta. Calcule as vazões de evaporação, de produção de cristais de K2CrO4, de carga do evaporador e do cristalizador e a razão de reciclo. Supondo que a solução filtrada fosse descartada em vez de reciclada, calcule a vazão de produção de cristais. Quais os benefícios e custos do reciclo? 2 2 EETI – ESCOLA DE ENGENHARIA E TI Sistemas complexos (reciclo / purga / by-pass) Fração de uma corrente que “pula” um ou mais estágios de um processo. Pode ser usado para controlar a composição e outras propriedades do produto do processo. O by-pass e a alimentação do processo possuem a mesma composição, mas vazões diferentes. BALANÇOS EM PROCESSOS QUÍMICOS 2 3 C E Divisor Misturador By-pass B EETI – ESCOLA DE ENGENHARIA E TI EXERCÍCIOS 3.11) Na seção de preparo de carga de uma planta de produção de gasolina natural o isopentano é removido da gasolina livre de butano. Considerando o sistema da figura a seguir, qual a fração de gasolina isenta de butano que passa pela torre de isopentano? 2 4 EETI – ESCOLA DE ENGENHARIA E TI PROCESSOS QUÍMICOS – ENG030 BALANÇOS EM PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS SEM REAÇÃO
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