PQI 3103 Conservação de Massa e Energia

Transcrição

1 Pequia em Proceo Oxidativo Avançado Reearch in Advanced Oxidation Procee PQI 303 Conervação de Maa e Energia Aula 3 Balanço Materiai. Grau de Liberdade em Proceo Prof. Antonio Carlo S. C. Teixeira Centro de Engenharia de Sitema Químico Departamento de Engenharia Química Ecola Politécnica da USP Edifício Semi-Indutrial, bloco A, 3 o andar accteix@up.br

2 terminologia e conceito fundamentai SISTEMA: quantidade de matéria ou parte retrita do univero, arbitrariamente ecolhida, em conideração VIZINHANÇAS: reto do univero, tudo o que etá do lado de fora da fronteira do itema FRONTEIRA: limite que epara o itema da vizinhança, real ou imaginário, rígido ou móvel

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4 terminologia e conceito fundamentai SISTEMA ABERTO: com ecoamento; há entrada e/ou aída de matéria. Permite troca de maa com a vizinhança, acompanhada ou não por troca de calor e/ou trabalho SISTEMA FECHADO: em ecoamento; não há entrada e nem aída de matéria. Não permite troca de maa com a vizinhança, embora poam ocorrer troca de calor e/ou trabalho

5 terminologia e conceito fundamentai ESTADO: condição do itema, epecificada pelo valore de temperatura, preão, maa, compoição etc. Conjunto de propriedade de caracterizam o itema ESTADO ESTACIONÁRIO (REGIME PERMANENTE, STEADY-STATE): em cada ponto do itema, a propriedade não variam com o tempo. Do ponto de vita do balanço materiai, não há acúmulo de maa; do ponto de vita do balanço energético, a temperatura e preão em cada ponto do itema não variam com o tempo. A vazõe de entrada e de aída ão contante ESTADO NÃO-ESTACIONÁRIO (REGIME TRANSIENTE OU REGIME DINÂMICO): pelo meno uma ou mai condiçõe do itema (p. ex., temperatura, preão, quantidade de matéria) variam com o tempo.

6 proceo decontínuo proceo batelada (batch) não há adição de maa no itema e nem remoção de maa do itema durante a operação proceo batelada alimentada (emi-batelada ou emi-batch)

7 concentraçõe (mol/l) concentração 0 mol A/L 0,5 L/ A 2B 0,5 L/ tempo proceo contínuo CA CB tempo (min)

8 princípio fundamental da conervação Rien ne e perd, rien ne e crée, tout e tranforme.... car rien ne e crée, ni dan le opération de l'art, ni dan celle de la nature, et l'on peut poer en principe que, dan toute opération, il y a une égale quantité de matière avant et aprè l'opération; que la qualité et la quantité de principe et la même, et qu'il n'y a que de changement, de modification. Lavoiier, Traité élémentaire de chimie (789), p. 0

9 exemplo: balanço populacional em uma cidade A cada ano, peoa e mudam para uma cidade, abandonam a cidade, peoa nacem e 9.000, morrem. exemplo: balanço de água em um lago O balanço de água em um lago podem er empregado para avaliar o efeito da infiltração da água no olo, da evaporação e da precipitação, entre outro. Apreente um balanço de maa para um lago.

10 exercício claificação de itema Água entra com uma vazão de 6 g/ em um tanque de 2 m 3, que e é evaziado com uma vazão de 3 g/. O tanque etá inicialmente pela metade. Ete proceo é contínuo, batelada ou em emi-batelada? É traniente ou etacionário? exercício claificação de itema Claifique o itema ou proceo a eguir (batelada, emi-batelada, contínuo, aberto, fechado, etacionário, dinâmico). Mai de uma claificação pode er aplicada. Conforme o cao, conidere um período de tempo caracterítico. (a) O reervatório de abatecimento de água da Cantareira; (b) O ciclo completo de carbono na Terra; (c) O ciclo de carbono em uma floreta; (d) Derretimento de um bloco de gelo ao ol; (e) Um aparelho de ar condicionado, tomando como referência o fluido refrigerante; (f) Tanque de armazenagem de óleo em uma refinaria; (g) Seção de um rio entre dua ponte; (h) Uma caldeira indutrial a gá para geração de vapor.

11 exercício proceamento de reíduo ólido municipai Examine o diagrama da figura, em que t/w repreenta tonelada por emana. O balanço de maa é atifatório? Fonte: Himmelblau, D.M.; Rigg, J.B. Engenharia Química Princípio e Cálculo. Trad. da 7ª. Ed. Editora LTC, Rio de Janeiro, 2006.

12 definição do itema e identificação da entrada e aída (corrente) itema (maa m) j =,..., J =,..., K corrente de entrada corrente de aída

13 balanço de maa para a epécie dm dt J j m K m, j, Rˆ balanço molar para a epécie J dn ~ F F R dt j K, j, j =,..., J =,..., K =,..., S corrente de entrada corrente de aída epécie química

14 balanço de maa em reaçõe química total epécie dm dt J j K m - m j dm dt J j m j K, - m, j =,..., J =,..., K =,..., S corrente de entrada corrente de aída epécie química

15 balanço molare em reaçõe química total epécie dn dt J j K F j - F dn dt J j F, j - K F, j =,..., J =,..., K =,..., S corrente de entrada corrente de aída epécie química

16 balanço de maa em reaçõe química no etado etacionário total epécie J j m j - K m 0 J j m K -, j m, 0 j =,..., J =,..., K =,..., S corrente de entrada corrente de aída epécie química

17 balanço molare em reaçõe química no etado etacionário total epécie J j K F j - F 0 J j K F, - j F, 0 j =,..., J =,..., K =,..., S corrente de entrada corrente de aída epécie química

18 balanço por epécie em reaçõe química no etado etacionário 0 -,, K J j j j m w m w ólido, líquido 0 -,, K J j j j F x F x líquido 0 -,, K J j j j F y F y gae

19 para qualquer corrente j, valem a relaçõe S j F j F, S F F, S j m j m, S m m,, S j w, S w, S j x, S x, S j y, S y

20 variávei independente de corrente em proceo químico (BM)

21 . m 2 F 3 w olvente,2 F SO2,3 F A,3 y SO2,3 y A,3 SO 2, A F F SO2, F A, y SO2, y A, SO 2, A SO 2, olvente. m. 4 m. SO2,4 m olvente,4 w SO2,4 w olvente,4

22 variávei de corrente epecificada independente em proceo químico (BM)

23 . m 2 =300 g/min SO 2, A y SO2,3 =0,00087 (y A,3 =0,9993) F =9,943 mol/min y SO2, =0,08 (y A, =0,9889) SO 2, olvente SO 2, A

24 balanço materiai independente em proceo químico

25 SO 2, A SO 2, olvente SO 2, A

26 análie do número de grau de liberdade (GL) em proceo químico

27 exercício análie do número de grau de liberdade Você foi convocado para verificar o proceo repreentado na figura a eguir. Qual o número mínimo de medida que poibilita calcular o valor de cada uma da vazõe de ecoamento e da compoiçõe da corrente? Jutifique ua repota.

28 exercício análie do número de grau de liberdade No proceo repreentado na figura a eguir, quanto valore de concentraçõe e de vazõe máica ão deconhecido? Lite-o. A corrente contêm doi componente, A e B. Quanto balanço de maa ão neceário para reolver o problema? Ete número é igual ao número de incógnita? Explique. 2 w A, = 0,2 w B, = 0,8 w A,2 = 0,95 3 w B,3 = 0,

29 exemplo lavagem de upenão alina de TiO2

30 ólido lavado

31 exercício coluna de detilação Detilam-e 000 g/h de uma mitura contendo parte iguai em maa de metanol e água. Uma corrente de produto ai pelo topo e outra, pelo fundo da coluna de detilação; amba contêm metanol e água. A vazão da corrente de produto do fundo é 673 g/h, enquanto a corrente de produto do topo contém 93,% molar de metanol. a) Deenhe e rotule um fluxograma do proceo e faça a análie do número de grau de liberdade. b) Calcule a fraçõe máica e molar de metanol e a vazõe molare de metanol e de água na corrente de produto do fundo. (Repota: fração molar de metanol na corrente de fundo, 0,76 mol CH 3 OH/mol) c) Suponha que a corrente de produto do fundo eja analiada e que a fração molar de metanol encontrada eja ignificativamente maior do que a calculada na parte (b). Apreente poívei razõe para eta dicrepância. Inclua na ua lita poívei violaçõe à upoiçõe feita na parte (b).

32 exemplo recuperação de ácido benzoico O contaminante ácido benzoico é removido da água promovendo-e o contato da olução com benzeno puro, em uma unidade de extração líquidolíquido. Nea operação, ão gerada dua corrente de aída: uma corrente recuperada (contendo omente ácido benzoico e benzeno) e uma corrente efluente, contendo o trê componente. Ee efluente contém 0,07 g benzeno/g água. Sob determinada condiçõe de operação, o ácido benzoico ditribui-e entre a dua corrente de aída, de forma que: maa de ácido benzoico maa de benzeno corrente recuperada maa 4 maa de ácido benzoico de benzeno água corrente efluente A corrente que alimenta a unidade tem vazão de 0000 g/h e contém 0,02 g ácido benzoico/g água. (a) Motre que o proceo etá ubepecificado. (b) Suponha que o ácido benzoico extraído tenha valor de $ /g e que o benzeno freco cute $ 0,03/g. Contrua um gráfico do retorno obtido em função da vazão de benzeno alimentado à unidade e elecione a vazão ótima dee olvente. (c) Para ea condição ótima, indique a compoição máica do efluente aquoo gerado na unidade. (Repota: ~2200 g/h; benzeno, 6,47%; ácido benzoico,,7%; retante água).

33 alimentação 0000 g/h corrente recuperada B AB AB W efluente B AB W olvente B

34 retorno líquido ($/h) % ácido benzoico no efluente vazão de benzeno (g/h)

35 itema homogêneo (para corrente de entrada e de aída, i =,...,n) w w... w, 2,, m m m w w w,2 2,2,2 m 2 m m w... w... w, n 2, n, n m n m m n n w. m 0 (S n) (n ) (S ) (endo a incógnita a vazõe)