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Universidade Federal de Alagoas Unidade Acadêmica Centro de Tecnologia Curso de Engenharia Química AMAURY CALHEIROS DA SILVEIRA NETO CÉSAR MENDES JÚNIOR DE OLIVEIRA DANIEL FERNANDES COSTA JOSÉ MANOEL DA SILVA NETO MÁGDA CORREIA DOS SANTOS MARCOS ANTÔNIO ALVES CARVALHO MARCIA ANDREA GOMES MARGARETE CORREIA DOS SANTOS FENÔMENOS DE TRANSPORTES I MACEIÓ 28 de Outubro de 2010 AMAURY CALHEIROS DA SILVEIRA NETO CÉSAR MENDES JÚNIOR DE OLIVEIRA DANIEL FERNANDES COSTA JOSÉ MANOEL DA SILVA NETO MÁGDA CORREIA DOS SANTOS MARCOS ANTÔNIO ALVES CARVALHO MARCIA ANDREA GOMES MARGARETE CORREIA DOS SANTOS BALANÇO GLOBAL DE MASSA E ENERGIA Pesquisa descritiva sobre o Balanço de Massa e Energia referente à disciplina Fenômenos de Transportes 1. Orientador: Prof. Jorge José de Brito Silva. UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS – UFAL UNIDADE ACADÊMICA CENTRO DE TECNOLOGIA – CTEC MACEIÓ 26 de Outubro de 2010 SUMÁRIO Introdução.............................................................................................. 3 Balanço de Massa: Classificação dos Processos .................................................................. 5 Equação geral do balanço...................................................................... 6 Sistemas Monofásicos ............................................................................ 6 Sistemas Multifásicos ............................................................................. 8 Balanço de Energia: Conceitos básicos ................................................................................... 9 Balanço Macroscópico .......................................................................... 12 Processos Isotérmicos ............................................................................ 14 Processo Isobárico ................................................................................. 14 Conclusão .............................................................................................. 15 Referência Bibliográfica ...................................................................... 20 INTRODUÇÃO Um processo químico é qualquer operação ou conjunto de operações coordenadas que causam uma transformação física ou química em um material ou misturas de materiais. O objetivo dos processos químicos é a obtenção de produtos desejados a partir de matérias primas selecionadas ou disponíveis. Os processos químicos são do ponto de vista de produção industrial, desenvolvidos dentro da chamada indústria química que se divide em diversas ramificações. Um balanço de massa (também chamado um balanço material) é uma aplicação do princípio da conservação da massa para a análise de sistemas físicos. Pela contabilidade (medição) de material entrando e deixando um sistema, fluxos de massa podem ser identificados, os quais podem ser desconhecidos, ou difíceis de serem conhecidos sem esta técnica. A exata lei de conservação usada na análise do sistema depende do contexto do problema, mas tudo é resolvido pela conservação da massa, que matéria não pode desaparecer ou ser criada espontaneamente. Portanto, balanços de massa são amplamente utilizados em engenharia e análises ambientais. A teoria do balanço de massas é usado para o projeto de reatores químicos, na análise de processos alternativos para produzir produtos químicos, bem como em modelos de dispersão de poluição e outros modelos de sistemas físicos. O balanço de energia por sua vez, é uma exposição sistemática dos fluxos e transformações de energia em um sistema. A base teórica para um balanço energético é a primeira lei da termodinâmica segundo a qual a energia não pode ser criada ou destruída, apenas modificada em forma. As fontes de energia ou ondas de energia são, portanto, as entradas e saídas do sistema em observação. 2. Balanço de Massa 'Tudo tem que ir para algum lugar' é uma maneira simples de expressar um dos princípios mais fundamentais da engenharia. Mais precisamente, a lei de conservação de massa diz que quando reações químicas ocorrem, matéria não é criada nem destruída (embora em reações nucleares massa possa ser convertida em energia). O que esse conceito nos permite fazer é observar o movimento dos materiais (ex. poluentes) de um lugar para outro, com equações de balanço de massa. O primeiro passo numa análise de balanço de massa é definir a região particular no espaço que será analisada. Como exemplo, essa região pode incluir qualquer coisa, desde um simples tanque de mistura química até uma usina de carvão, um lago, um braço de rio, etc. Desenhando um limite imaginário ao redor de uma região, como está sugerido na figura abaixo, nós podemos então começar a identificar um fluxo de matéria através das fronteiras, como também a acumulação de material dentro da região. Uma substância que entra na região tem três possíveis destinos. Algumas podem deixar a região sem mudanças; algumas podem ficar acumuladas dentro da região; e algumas devem se converter em outras substâncias (ex. CO entrando deve ser oxidado para CO2 dentro da região). Assim, usando a figura 1 como um guia, as seguintes equações de balanço de massa podem ser escritas para cada substância de interesse: (Taxa de entrada) = (Taxa de saída) + (Taxa de conversão) + (Taxa de acumulação) (1) Freqüentemente, a equação 1 pode ser simplificada. A simplificação mais comum resulta quando condições de regime permanente ou equilíbrio podem ser considerados. Equilíbrio simplesmente significa que nada varia com o tempo; o sistema teve suas alimentações ('inputs') mantidas constantes, por tempo suficiente, que qualquer transiente teve tempo de dispersar-se. As concentrações dos poluentes são constantes. Então, a taxa de acumulação na equação 1 é zero, e os problemas podem ser resolvidos usando somente álgebra simples. Uma segunda simplificação da equação 1, resulta quando uma substância é conservada dentro da região em questão, significando que não há decaimento radioativo, decomposição bacteriana, ou reação química ocorrendo. Para tais substâncias conservativas, o termo da taxa de conversão é zero na equação 1. Exemplos de substâncias que são tipicamente modeladas como conservativas incluem sólidos totais dissolvidos em um corpo d'água, metais pesados em solos, e dióxido de carbono no ar. Substâncias não conservativas incluiriam o gás radon radioativo em uma casa ou decomposição de resíduos orgânicos em um lago. Muitas vezes, problemas envolvendo substâncias não conservativas podem ser simplificados quando o termo taxa de conversão ou reação, é pequeno o bastante para ser ignorado. 2.1 Classificação de Processos Os balanços de massa podem ser escritos para alguns tipos de processos; � Processos em batelada A alimentação é carregada no sistema no começo do processo, e os produtos são retirados todos juntos depois de algum tempo. Não existe transferência de massa através dos limites do sistema entre o momento da carga da alimentação e o momento da retirada dos produtos. � Processos Contínuos As entradas e saídas fluem continuamente ao longo do tempo total de duração do processo. � Processos em Semibatelada ou Semicontínuo Qualquer processo que não é nem contínuo nem em batelada. 2.2 Equação Geral do Balanço Figura 1 – Esquema de Balanço de Massa. Um balanço de uma quantidade conservada (massa total, massa de uma espécie particular, energia, momento) em um sistema (uma unidade de processo, uma série de unidades ou um processo completo) pode ser escrito na seguinte forma geral: entrada + geração – saída = acúmulo + consumo entrada � entra através das fronteiras do sistema; geração� produzido dentro do sistema; saída � sai através das fronteiras do sistema; consumo � consumido dentro do sistema; acúmulo � acumula-se dentro do sistema. 2.2.1 Tipos de Balanço � Balanço diferencial, aquele que 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. Este tipo de balanço é usualmente utilizado em um processo contínuo. � Balanço integral, aquele que descreve o que acontece entre dois instantes de tempo. Cada termo da equação é então uma porção da grandeza balanceada e tem as unidades correspondentes. Este tipo de balanço é normalmente aplicado a processos em batelada. 2.3 Sistemas Monofásicos Os problemas reais em análises de processos, raramente vêm com as informações completas, normalmente tem-se que determinar uma série de propriedades físicas relacionadas a cada material do processo e usá-las para deduzir relações adicionais entre as variáveis do sistema. 2.3.1 Massas específicas de líquidos e sólidos Quando se aquece um sólido ou líquido, este normalmente expande-se. No entanto, na maior parte das aplicações de processos, pode-se admitir, com um erro pequeno, que as massas específicas de sólidos e líquidos são independentes da temperatura. Da mesma forma, mudanças na pressão não ocasionam mudanças significativas na massa específica de sólidos ou líquidos, portanto, estas substâncias são denominadas incompressíveis. A maneira mais exata de determinar a massa específica de uma mistura de líquidos ou de uma solução de um sólido em um líquido é a partir de dados experimentais, neste caso, o Perrys Chemical Engineer’s Handbook fornece dados de uma série de substâncias. 2.3.2 Gases Ideais Para problemas envolvendo gases, precisa-se de uma expressão que relacione o volume específico com a temperatura e a pressão. A equação de estado dos gases ideais pode ser deduzida da teoria cinética dos gases, admitido-se que as moléculas de gás têm um volume desprezível, que não exercem forças uma sobre as outras e que colidem de forma elástica entre si e entre as paredes dos recipientes. P.V = n.R.T P � pressão absoluta do gás V � volume (vazão volumétrica) do gás N � número de moles (vazão molar) do gás R � a constante dos gases T � temperatura absoluta do gás 2.3.3 Equações de Estado para Gases Não-Ideais O gás ideal é a base para a mais simples e conveniente das equações de estado, a solução é trivial e o cálculo é independente da espécie do gás e é o mesmo para compostos puros e suas misturas. Na análise de gases não-ideais faz-se o uso dos fatores de compressibilidade e descrevemos a regra de Kay, um método para se fazer cálculos de PVT em misturas gasosas. 2.4 Sistemas Multifásicos As operações multifásicas incluem todas as operações de mudança de fase de uma espécie pura, como congelação, fusão, evaporação e condensação, e a maior parte dos processos de separação e purificação, que são projetadas para separar os componentes de uma mistura uns dos outros. A maior parte das separações são realizadas alimentando-se uma mistura das espécies A e B em um sistema bifásico sob condições tais que a maior parte de A permanece na fase original e a maior parte de B se transfere para a segunda fase. Existem vários processos de separação multifásicos, exemplos: remoção de dióxido de enxofre de uma corrente gasosa; recuperação de metanol de uma solução aquosa; separação de hidrocarbonetos parafínicas e aromáticos, etc. 3. Balanço de Energia Balanço de energia nada mais é do que a aplicação da 1 Lei da Termodinâmica, que é essencialmente um estabelecimento matemático do princípio da conservação da energia aplicada aos sistemas. Esta lei em última análise estabelece que, embora a energia possa assumir diferentes formas, a quantidade total de energia é constante, que a energia não pode ser criada, nem destruída, apenas transformada. A propriedade é um atributo ou uma característica de um sistema, que pode ser medida ou calculada e é função das condições do sistema. Uma propriedade extensiva é aquela que é proporcional à massa do material. Propriedades intensivas independem da quantidade de material. Massa, número de mols, volume, vazão mássica, molar e volumétrica, energia cinética, potencial e interna (ou as taxas de transporte destas quantidades em uma corrente contínua) são propriedades extensivas. Temperatura, pressão e densidade são propriedades intensivas, pois independem da quantidade de material. Um sistema fechado é aquele em que não há matéria atravessando suas fronteiras, enquanto o processo ocorre. No sistema aberto, ocorre passagem de matéria através da fronteira. Os processos em batelada são sistemas fechados. Os processos contínuos e semicontínuos são sistemas abertos. A exemplo dos balanços de massa, o desenho de um fluxograma com as informações devidamente indicadas é essencial para a resolução dos problemas de balanço de energia. Quando indicamos os dados nas correntes, é essencial incluir todas as informações necessárias para a determinação da entalpia específica de cada corrente: as temperaturas e as pressões conhecidas e o estado de agregação (sólido, líquido ou gasoso). Quando as correntes de processo contêm vários componentes, as entalpias especificadas de cada corrente devem ser determinadas separadamente e substituídas na equação de balanço de energia quando H for avaliado. Para misturas de gases ou líquidos com estruturas moleculares similares (por exemplo, hidrocarbonetos de cadeia reta), pode-se assumir que a entalpia para um componente de mistura é o mesmo que a entalpia H para a substância pura na mesma temperatura e pressão. 3.1 Conceitos Básicos 3.1.1 Sistema Um sistema é qualquer parte da matéria ou de um equipamento escolhido arbitrariamente para que possamos analisar o problema. Ele pode ser especificamente definido como, por exemplo, um reator químico, uma coluna de destilação, uma bomba de transferência de líquidos ou um compressor para gases. Por outro lado um sistema pode ser uma quantidade arbitrária de uma substância. Um sistema é fechado quando a massa não atravessa os seus limites, embora a energia possa cruzá-lo. Um sistema é aberto ou em escoamento, quando a massa e/ou a energia cruzam os limites do sistema. Um sistema é dito isolado quando nem a massa nem a energia cruza os seus limites. 3.1.2 Propriedades ou variáveis de um sistema As propriedades do sistema podem ser divididas em extensivas e intensivas. Uma propriedade é extensiva quando depende do tamanho do sistema e, portanto, o seu valor é a soma dos valores dos subsistemas que p compõem, tal como a massa, a quantidade de matéria e o volume, por exemplo. Uma propriedade é intensiva quando independe do tamanho do sistema, ou seja, se o sistema for dividido ao meio, por exemplo, a propriedade não variará; isto ocorre no caso da pressão, da temperatura, da massa específica ou do volume especifico. 3.1.3 Propriedades ou funções do estado É dito que uma certa propriedade é uma propriedade (ou função) de estado quando o seu valor depende somente do estado do sistema (temperatura, pressão, fase e composição); portanto, a propriedade não depende de como o sistema alcançou esse estado. 3.1.4 Estado de um sistema e Regra das Fases O estado é definido como um conjunto de propriedades que caracterizam o sistema e não depende da forma, da posição no campo gravitacional e da velocidade do sistema. Para a grande maioria das situações, o estado de uma sistema pode ser definido pelos valores das seguintes propriedades intensivas: composição mássica ou molar, fase ou estado de agregação da matéria (sólido, líquido ou gás), forma (no caso de sólidos), temperaturae pressão. Uma vez que o estado seja fixado pelos valores das propriedades citadas, todas as demais terão valores fixados. Para se definir exatamente o estado de um sistema é necessário fazer uso do teorema das fases, estabelecido por J. Willard Gibbs, em 1875, através de um raciocínio teórico, normalmente demonstrado nos livros de termodinâmica. O teorema, conhecido como regra das fases, estabelece: F+V=C+2 Onde: F é o número de fases presentes no sistema. V é o número de variáveis (ou propriedades intensivas) a serem especificadas (ou os graus de liberdade do sistema). C é o número de componentes presentes no sistema. Quando duas fases são colocadas em contato, normalmente ocorre uma redistribuição dos componentes de cada fase- os componentes podem condensar, evaporar, dissolver ou precipitar- até que um estado de equilíbrio seja alcançado, no qual as temperaturas e as pressões de ambas as fases sejam as mesmas e as composições de cada fase permaneçam constantes com o tempo. Um exemplo é especificar o número de graus de liberdade de alguns substituientes através da equação acima. 3.1.5 Formas de Energia � Energias armazenadas e de transição Uma vez que a energia pode ser armazenada dentro de um sistema, o sistema tem capacidade de produzir algum efeito. Se a energia cruza os limites do sistema, ela provoca mudanças na quantidade de energia do sistema e das vizinhanças. Essas energias cruzam os limites do sistema são de duas formas: energia térmica e trabalho (no sentido mais amplo). Deve ficar claro que estas formas de energia são transitórias, ou seja, elas cessam assim que a energia pára de cruzar os limites entre o sistema e as vizinhanças. Tanto o trabalho quando a energia térmica não podem ser armazenadas, portanto não são propriedades de estado, diferentemente das energias armazenadas ( potencial, cinética, molecular, química e outras) que só dependem dos valores das propriedades nos estados finais e iniciais, sendo assim, propriedades de estado. � Energia Potencial (Ep), é a energia associada à força de atração exercida por um campo gravitacional sobre a massa m de um corpo (ou de um sistema), situada em um nível h em relação a um nível de referência. � Energia Cinética (Ec) É a energia associada à velocidade de um corpo (ou de um sistema) e relação a um ponto de referência. � Energia Interna (E) É a energia devido ao movimento de moléculas relativo ao centro de massa do sistema, ao movimento rotacional e vibracional ou de interação eletromagnética de moléculas, e ao movimento e interações de constituintes atômicos ou subatômicos das moléculas. Do ponto de vista microscópico, energia interna de um sistema é simplesmente a soma de todas as diferentes formas de energia possuídas pelas moléculas das substâncias que compõe o sistema, entre as quais estão incluídas as energias molecular, química e atômica. Em escala macroscópica, não se consegue quantificar a energia interna de uma forma absoluta, mas ela pode ser determinada relativamente a algum nível de estado ou referência, arbitrário e conveniente, em que a energia interna é tomada como zero. � Trabalho é uma energia que flui em resposta a qualquer força motora que não seja diferença de temperatura, tais como força, torque, voltagem, elevação de um peso, giro de um eixo ou alguma operação mecânica equivalente. Por exemplo, se um gás em um cilindro expande e movimenta um pistão, o gás faz trabalho sobre o pistão (gás = sistema; pistão = vizinhança). Desde que a força aplicada possa variar com a distância, deve-se escrever W = FdL , onde F é uma força externa na direção L, atuando sobre o sistema (ou uma força do sistema atuando sobre as vizinhanças. 3.2 Balanço Macroscópico O balanço de energia será desenvolvido e aplicado do ponto de vista macroscópico (global sobre o sistema) em vez do ponto de vista microscópico, isto é, um elemento de volume dentro do sistema. De acordo com o princípio de conservação de energia, também chamado Primeira Lei da Termodinâmica, a energia é indestrutível, e a quantidade de energia total que entra em qualquer sistema deve ser exatamente igual à que sai do sistema mais qualquer acúmulo dentro do sistema. Quando a energia é gerada ou consumida dentro do sistema (o que ocorre nos processos com reações químicas), ela deve ser consumida no balanço global. 3.2.1 Balanço de Energia num sistema fechado Um sistema é classificado como aberto ou fechado de acordo em haver ou não massa atravessando as fronteiras do sistema, durante o período de tempo coberto pelo balanço de energia. Um processo em batelada é então, um processo fechado; Processos contínuos e semicontínuos são processos abertos. Para sistemas fechados, desde que a energia não pode ser criada ou destruída, a equação geral do balanço transforma-se em: SAÍDA = ENTRADA + ACÚMULO No balanço de massa para sistemas fechados, os termos ENTRADA e SAÍDA, são eliminados, pois não há matéria atravessando as fronteiras do sistema. No balanço de energia, no entanto, é possível transferir energia nas formas de calor e trabalho através da fronteira. Desta forma, os termos SAÍDA e ENTRADA não podem ser eliminados automaticamente. O termo ACÚMULO, como no caso do balanço de massa, é dado pelo valor final menos o valor inicial e portanto: [energia final do sistema] [energia inicial do sistema] = energia líquida transferida para o sistema (entra-sai) Como vimos, a energia é dada pela soma pela soma das 3 partes: energia interna, cinética e potencial. A energia inicial é dada por: Ui + Eci + Epi A energia final é dada por: Uf + Ecf + Epf A energia transferida é dada por Q + W Onde o subscrito i e f indicam os estados inicial e final do sistema e U, Ec, Ep W e Q representam a energia interna, a energia cinética, a energia potencial, o trabalho realizado e o calor transferido para o sistema a partir de sua vizinhança. Então: (Uf Ui) + (Ecf Eci) + (Epf Epi) = Q + W Ou U + Ec + Ep = Q + W para sistema fechado. 3.2.2 Balanço de energia em sistemas abertos Sem reação química em sistema estacionário e não estacionário. A equação E= Q W está restrita aos processos estacionários (a massa no interior do sistema é constante) em que só ocorrem modificações da energia interna do sistema. Os processos mais importantes são os que envolvem o escoamento permanente de um fluido através de um ou mais equipamentos. Vamos considerar inicialmente os processos físicos (sem reação química) em que a massa e energia passam através das fronteiras do sistema. Como se trata de um processo com escoamento de um fluido, a massa do mesmo em escoamento foi substituída pela vazão mássica, e os termos de energia transferida foram substituídos pelas taxas de energia correspondentes, ou seja, energia por unidade de tempo. Nos sistemas abertos, por definição, há massa atravessando as fronteiras do sistema quando ocorre um processo. Trabalho pode então ser feito sobre tal sistema para forçar a massa a entrar ou trabalho é feito nas vizinhanças pela massa que sai do sistema. O balanço de energia para o sistema aberto em regime permanente fornece: ENTRADA = SAIDA. Isto por que: ACUMULA = 0, já que o estado é estacionário GERAÇÃO OU CONSUMO = 0, já que a energia não pode ser criada nem destruída, apenas transformada. O que ENTRA significa a taxa total de transporte de energia cinética, potencial e interna através de todas as correntes de processo de entrada, mais as taxas com que a energia é transferida como calor e trabalho. O que SAI é a velocidade do transporte de energia através das correntes de saída. 3.3 Processos Isotérmicos Neste processo o volume não varia. Em geral isso significa que o sistema não realizou trabalho com a sua vizinhança, ou seja, U = Q. A expansão livre de um gás é um experimento onde um recipiente contendo gásestá ligado por uma válvula com outro recipiente mantido a vácuo. Quando a válvula é aberta, o gás se 20 expande livremente para o recipiente com vácuo, como o ar não empurra nenhuma parede no seu movimento o trabalho realizado pelo gás é nulo, apesar de variar o volume. Este não é um processo isocórico, pois o volume do gás aumenta; entretanto, o gás não realiza trabalho porque não empurra uma parede. 3.4 Processo Isobárico A pressão é mantida constante neste processo. Neste caso, em geral nenhuma das grandezas dU, Q e Wi- f é nula. Isso ocorre, por exemplo, no processo de ebulição da água numa panela aberta, onde a pressão atmosférica é constante (p = 1,0atm ). CONCLUSÃO Nota-se com a pesquisa, que nos processos químicos, o balanço de massa e energia é de suma importância para o desenvolvimento de um determinado processo. Tais balanços permitem o aperfeiçoamento dos próprios processos com base nas informações obtidas com análises experimentais. O balanço de material nada mais é que a lei de conservação de massa, de acordo com esta, matéria não é criada nem destruída, com isso, portanto, o balanço de massa consiste em analisar o deslocamento da mesma de uma região para outra. Quanto ao balanço de energia, esta pode assumir muitas formas, porém a quantidade total de energia é constante e, quando, energia desaparece em uma forma, aparece simultaneamente em outras formas. Este balanço é muito importante na indústria, pois determina muitas variáveis importantes como, potência necessária para bombear um determinado produto, quanto de um material é necessário queimar para gerar vapor e movimentar um equipamento, dentre outros. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Livros: [1] Felder, Richard M. Princípios Elementares dos Processos Químicos. Rio de Janeiro: LTC, 2008. [2] Brunetti, Franco. Mecânica dos Fluidos. 2ª Ed. São Paulo. Pearson Prentice Hall, 2008. Sites: [1] http://www.ebah.com.br/balanco-de-energia-docx-a60590.html, acessado no dia 21 de outubro de 2010 às 17h42min. [2] http://www.ebah.com.br/balanco-de-energia-doc-a23331.html, acessado no dia 23 de outubro de 2010 às 18h41min.
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