Parte_2_Int_aos_Processos_Quimicos

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IntroduIntroduçção aos Processos Quão aos Processos Quíímicosmicos
Professor:Professor: Francisco MouraFrancisco Moura
Bibliografia:Bibliografia: HimmelblauHimmelblau, David M. e , David M. e RiggsRiggs, James B.; Engenharia , James B.; Engenharia 
QuQuíímica mica -- PrincPrincíípios e Cpios e Cáálculos, 7lculos, 7aa ed., Editora LTC, 2006.ed., Editora LTC, 2006.
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2. Balan2. Balançço Materialo Material
���� Tipos de processos
���� Batelada: O sistema é carregado no início e descarregado após 
um tempo determinado para a execução do processo.
���� Contínuo: O fluxo de alimentação e descarga ocorrem 
simultaneamente.
���� Semi-contínuo: O processo ocorre como se fosse contínuo, mas 
com alimentação e descarga intermitentes. 
Os processos, ainda podem ser de:
���� Regime estacionário (permanente): Os valores dos parâmetros do 
processo (temperatura, pressão, volume, vazões, 
concentrações) não variam com o tempo (exceto por 
possíveis flutuações em torno de um valor médio).
���� Regime não estacionário (transiente): Neste caso, os parâmetros
de processo variam com o tempo.
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2. Balan2. Balançço Materialo Material
���� Equação geral do balanço molar
Entrada
(Alimentação)
Geração
(Produzido dentro 
do sistema)
Saída
(Descarga)
Consumo
(dentro 
do sistema)
Acúmulo
(dentro 
do sistema)
+ - - =
Ex: Todo ano 50000 pessoas mudam para uma determinada cidade, 
75000 saem para outras cidades, 22000 nascem e 19000 morrem. 
Escrever o balanço populacional.
Entrada Geração Saída Consumo Acúmulo+ - - =
50000 ☺/ano 22000 ☺/ano 75000 �/ano 19000 �/ano A �/ano+ - - =
A = -22000 �/ano (Todo ano a população decresce em 22000 pessoas)
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2. Balan2. Balançço Materialo Material
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Balanço do Benzeno: 500 kg B/h = 450 kg B/h + m2 m2 = 50 kg B/h 
Balanço Tolueno: 500 kg T/h = m1 + 475 kg T/h m1 = 25 kg T/h
Conferindo os cálculos:
Balanço de Massa Total: 1000 kg/h = 450 + m1 + m2 + 475 (kg/h) 
m1 = 25 kg T/h e m2 = 50 kg/h 
1000 kg/h = 1000 kg/h �
2. Balan2. Balançço Materialo Material
Ex: Processo de destilação.
Entrada Geração Saída Consumo Acúmulo+ - - =
0 0 0
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2. Balan2. Balançço Materialo Material
���� Problemas com soluções diretas
Problemas em que uma massa e uma composição não são conhecidas 
podem ser resolvidos diretamente por simples adições e subtrações.
Ex: Combustão.
Aparelho de Orsat
- Gases da Chaminé
(base úmida)
CO2
CO
O2
N2
SO2
H2O
Análise de 
Orsat ou 
base seca
- Ar em excesso: Quando se deseja combustão 
(O2 de excesso) completa (CO2 e H2O)
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Suponha que você está queimando gás natural (100% de CH4) em um 
aquecedor doméstico com 130% de ar em excesso. Qual a composição 
do gás de chaminé.
CH4 + 2O2→ CO2 + 2H2O
Base de cálculo: 1 mol de CH4
- Quantidade de ar requerido (teórico):
2
2
2
Ndesãomoles52,7
ardemoles52,9
Omoles21,0
ardemol1Odemoles2
∴
=⋅
- Quantidade de ar de excesso:
)Ndemoles78,9eOdemoles60,2(
ardemoles38,1230,1ardemoles52,9
22
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2. Balan2. Balançço Materialo Material
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2. Balan2. Balançço Materialo Material
Resumo:
9,782,6012,38Excesso
7,5229,52Requerido
N2O2ar
Composição Gases da Chaminé:
10022,9Total
9,78
11,32,6O2
8,72H2O
75,6
7,52
N2
4,41CO2
00CH4
%MolesEspécie
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2. Balan2. Balançço Materialo Material
Ex: Secagem
Uma polpa de celulose tem 71% de água. Após a secagem 60% da 
água original foi removida.
-Qual a composição da polpa de celulose seca?
-Qual a massa de água removida por kg de polpa úmida?
Base de cálculo: 1kg de polpa de celulose úmida
Massa de água removida: 0,6.0,71kg = 0,43kg/kg de polpa úmida
Massa de água não removida: 0,71kg – 0,43kg = 0,28kg/kg de polpa 
úmida
Composição da polpa que 
passou pelo processo de 
secagem:
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2. Balan2. Balançço Materialo Material
���� Balanço material usando técnicas algébricas
Neste caso, o balanço material pode levar a um conjunto de equações 
lineares, que pode ser solucionado por substituições. Se o número de 
equações for muito grande pode se utilizar métodos numéricos (método 
da triangularização de Gauss).
Ex: Destilação - Para o processo esquematizado abaixo, calcule:
- Libras de destilado por libras alimentadas e
- Libras do destilado por libras de perdas.
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2. Balan2. Balançço Materialo Material
Base de cálculo: 1lb de alimentação
- Balanço total: 1 = D + P
- Balanço do etanol: 1.0,35 = D.0,85 + P.0,05
- Balanço da água: 1.0,65 = D.0,15 + P.0,95
Substituindo tem-se: D = 0,375lb/lb alimentada
e P = 0,625lb/lb alimentada
perdasdelb
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2. Balan2. Balançço Materialo Material
���� Problemas envolvendo componentes de amarração
Um componente de amarração é o material que vai de uma corrente 
(fluxo) para outra sem qualquer variação na massa.
Ex: No processamento do peixe, após a extração do óleo, ele é secado 
em um equipamento rotatório, moído e acondicionado.
Calcular a massa alimentada no secador.
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2. Balan2. Balançço Materialo Material
Base de cálculo: 100lb de água evaporada
- Balanço total: A = B + 100
- Balanço da massa seca: A.0,20 = B.0,60
assim, A
3
1
60,0
A20,0B =⋅=
inicialmassalb150
evapágualb7,66
.evapágualb100inicialmassalb100 =⋅
Substituindo no balanço total: A=150 lb de massa inicial
Resolvendo o problema usando o componente de amarração.
Colocando na base de 100lb de água evaporada:
inicialmassalb100
.evapáguadelb7,663,33100evaporadaáguademassa
inicialmassalb100
finalmassalb3,33
asecmassalb60
finalmassalb100
inicialmassalb100
asecmassalb20
=−=
=⋅
Base de cálculo: 100lb de massa inicial
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2. Balan2. Balançço Materialo Material
Ex: Combustão – Incinerador catalítico
Para o processo esquematizado abaixo, calcule:
a) Determinar quantos lb-mol de gás de combustão seco são 
produzidos por 100lb de efluente
b) Qual foi a percentagem de ar em excesso.
Base de cálculo: 100lb-mol de GCS:
Base de cálculo: 100lb de efluente:
Clb161
Cmollb1
Clb12Cmollb4,13 =
−
⋅−
Cmollb331,7
Clb12
Cmollb1Clb88 −=−⋅
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2. Balan2. Balançço Materialo Material
Resolvendo o problema usando a solução algébrica
x = lb efluente
y = lb-mol GCS
z = lb-mol ar
w = lb-mol H2O
Base de cálculo: x = 100lb efluente
- Balanço total:
- Balanço por componentes:
w18y3,30z29100 ⋅+⋅=⋅+
Cmollb1
Clb12
GCSmollb1
Cmollb134,0GCSmollby88,0100
−
⋅
−
−
⋅−=⋅C:
H2:
2
2
2
2
2 Hmollb1
Hlb2
OHmollb1
Hmollb1OHmollbw12,0100
−
⋅
−
−
⋅−=⋅
N2:
O2:
y83,0z79,0 ⋅=⋅
GCSmollb1
Omollb)134,0036,0(GCSmollby
OHmollb1
Omollb5,0OHmollbwz21,0 2
2
2
2
−
−+
⋅−+
−
−
⋅−=⋅
Obs.: os componentes de amarração envolve somente duas correntes.
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2. Balan2. Balançço Materialo Material
Assim: GCSmollb6,54
12134,0
88,0100y −=
⋅
⋅
=
armollb5,576,54
79,0
83,0
z −=⋅=
4,19100
97,11,12
97,1
excessoar%
100
excessoOentadolimaO
excessoO
excessoar%
22
2
=⋅
−
=
⋅
−
=
Cálculo do percentual de ar em excesso:
O2 alimentado = 57,5.0,21 = 12,1lb-mol
O2 excesso = 0,036.54,6 = 1,97lb-mol
(a)
(b)
Extra:
efluentelb100
OHmollb6
2
12,0100
w 2
−
=
⋅
=
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Resolvendo o problema usando os componentes de amarração.
efluentelb100
GSCmollb6,54
efluentelb100
Clb88
Clb161
GSCmollb100 −
=⋅
−
efluentelb100
GSCmollb6,54
efluentelb100
Cmollb33,7
Cmollb4,13
GSCmollb100 −
=
−
⋅
−
−
GCSmollb100
Omollb1,22
Nmollb79
Omollb21
GCSmollb100
Nmollb83 2
2
22
−
−
=
−
−
⋅
−
−
ou
(a)
(b)
4,19100
6,31,22
6,3
excessoar%
100
excessoOentadolimaO
excessoO
excessoar%
22
2
=⋅
−
=
⋅
−
=
2. Balan2. Balançço Materialo Material
Extra:
efluentelb100
OHmollb6
Hlb2
OHmollb1
efluentelb100
Hlb12 2
2
22 −
=
−
⋅
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2. Balan2. Balançço Materialo Material
���� Cálculos de reciclo, derivação (bypass)e purga
���� Reciclo: Parte do fluxo de saída (reagente com suficiente 
concentração para ser reaproveitado) que volta para a 
entrada do processo.
���� Bypass: Fluxo que é desviado de um ou mais estágios do 
processo passando diretamente para um outro estágio.
���� Purga: fluxo sangrado para remover acúmulos de inertes ou 
materiais indesejados que poderiam atrapalhar o 
processo. 
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Ex: Um reator de síntese de amônia opera segundo a reação, 
N2(g) + 3H2(g) = 2NH3(g)
Supondo que a alimentação seja estequiométrica e que a conversão 
seja de 25%, calcular o fluxo molar de reciclo e de amônia.
2. Balan2. Balançço Materialo Material
Em 1908, Haber e Le Rossignol projetaram, construíram um equipamento em que uma 
mistura gasosa de nitrogênio e hidrogênio a 200 atm era introduzida em um reator de 
síntese de amônia. Após a reação a corrente de saída passava por um separador onde a 
amônia era liquefeita e separada e os gases que não reagiram era reciclado para o reator. 
h
kmol3R75,0)R1(R ⋅=∴⋅+=
h
kmol2P225,0)R1(P ⋅=∴⋅⋅+=
Cálculo do reciclo:
Produção de amônia:
Base de cálculo: 1 kmol de N2
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Tempo Entrada Reciclo Saída
[hora] N2 [kmol/h] H2 [kmol/h] Tot [kmol/h] N2 [kmol/h] H2 [kmol/h] Tot [kmol/h] NH3 [kmol/h]
1 1.00 3.00 4.00 0.75 2.25 3.00 0.50
2 1.75 5.25 7.00 1.31 3.94 5.25 0.88
3 2.31 6.94 9.25 1.73 5.20 6.94 1.16
4 2.73 8.20 10.94 2.05 6.15 8.20 1.37
5 3.05 9.15 12.20 2.29 6.86 9.15 1.53
6 3.29 9.86 13.15 2.47 7.40 9.86 1.64
7 3.47 10.40 13.86 2.60 7.80 10.40 1.73
8 3.60 10.80 14.40 2.70 8.10 10.80 1.80
9 3.70 11.10 14.80 2.77 8.32 11.10 1.85
10 3.77 11.32 15.10 2.83 8.49 11.32 1.89
11 3.83 11.49 15.32 2.87 8.62 11.49 1.92
12 3.87 11.62 15.49 2.90 8.71 11.62 1.94
13 3.90 11.71 15.62 2.93 8.79 11.71 1.95
14 3.93 11.79 15.71 2.95 8.84 11.79 1.96
15 3.95 11.84 15.79 2.96 8.88 11.84 1.97
16 3.96 11.88 15.84 2.97 8.91 11.88 1.98
17 3.97 11.91 15.88 2.98 8.93 11.91 1.98
18 3.98 11.93 15.91 2.98 8.95 11.93 1.99
19 3.98 11.95 15.93 2.99 8.96 11.95 1.99
20 3.99 11.96 15.95 2.99 8.97 11.96 1.99
21 3.99 11.97 15.96 2.99 8.98 11.97 2.00
22 3.99 11.98 15.97 2.99 8.98 11.98 2.00
23 3.99 11.98 15.98 3.00 8.99 11.98 2.00
24 4.00 11.99 15.98 3.00 8.99 11.99 2.00
25 4.00 11.99 15.99 3.00 8.99 11.99 2.00
26 4.00 11.99 15.99 3.00 8.99 11.99 2.00
27 4.00 11.99 15.99 3.00 9.00 11.99 2.00
28 4.00 12.00 15.99 3.00 9.00 12.00 2.00
29 4.00 12.00 16.00 3.00 9.00 12.00 2.00
30 4.00 12.00 16.00 3.00 9.00 12.00 2.00
2. Balan2. Balançço Materialo Material