Análise de processos químicos (relembrando) Balanço de massa (ou material)

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1 - Conversão de unidades: uso de fatores de conversão - Homogeneidade dimensional: consistência algébrica das unidades de uma equação - Grandezas Adimensionais: Grandezas sem unidades - Trabalhando com algarismos significativos - Variáveis de Processo: densidade volume específico vazão composição química volume composição química e concentração temperatura pressão 1

2 Análise de processos químicos (relembrando) CALCULAR QUANTIDADES E PROPRIEDADES DE PRODUTO PARTINDO DAS QUANTIDADES E PROPRIEDADE DE MATÉRIA-PRIMA OU VICE-VERSA - Variáveis de Processo - Conservação de massa - Conservação de energia - Termodinâmica abordagem sistemática - Solução dos problemas (aqui e no dia-a-dia) Balanço de massa (ou material) - Baseado no princípio da conservação das massas (Lavoisier) - Relaciona as quantidades de massa envolvidas em um processo através da contabilidade das massas e de cada componente - Uma das atribuições vitais da Engenharia Química, pois os balanços de massa fazem parte dos modelos de todos equipamentos e de todos processos. 2

3 Balanço de massa (ou material) Mecanismos responsáveis pela variação da massa no interior dos sistemas: s e Reações Químicas. Massa SISTEMA Reações Químicas Massa s ou Correntes: responsáveis pela entrada e saída de matéria (massa) no sistema Reações Químicas: responsáveis pela geração e consumo de espécies químicas com ou sem variação de energia. Balanço de massa (ou material) Massa SISTEMA Reações Químicas Massa SAI = ENTRA + REAGE ACUMULA qas = qae + ra - dma/dt vazão de saída de A Forma Geral do balanço da quantidade G (massa): (Taxa: quantidade de G por unidade de tempo) Taxa de Acumulação = de G vazão de entrada de A Taxa de Taxa de Entrada - Saída de G de G s taxa de consumo ou geração de A taxa de acumulação de A Taxa de Taxa de + Geração - Consumo de G de G Reações 3

4 Classificações dos Processos A) Regimes de Operação quanto aos s 1) Operação em batelada: sistema fechado após alimentação e aberto para a retirada do produto. Exemplos: cozimento em panela de pressão; autoclavação de materiais 2) Operação contínua: sistema permanentemente aberto para entrada e saída de massa. Exemplos: produção de vapor em caldeiras; bombeamento e retirada de fluído num tanque a uma mesma vazão 3) Operação semi-contínua: sistema fechado para um componente e aberto para outro Exemplos: borbulhamento de um gás em um meio líquido; escape de gás de um cilindro pressurizado; tanque de combustível Classificações dos Processos B) Regimes de Operação quanto à Acumulação ou Tempo 1) Estado transiente ou regime não-permanente (partidas, paradas e perturbações na operação de equipamentos e processos, operação em batelada): Caracteriza-se pela alteração das variáveis ao longo do tempo taxa de acumulação positiva ou negativa equação diferencial 2) Estado estacionário, regime estacionário ou steady state (operação contínua): Caracteriza-se pela não-alteração das variáveis ao longo do tempo taxa de acumulação nula equação algébrica 4

5 Partida, Operação Normal e Parada de um Processo y é uma variável relevante no processo em operação Partida Operação normal Parada y transiente dy/dt > 0 estacionário dy/dt = 0 transiente dy/dt < 0 t 1 t 2 t gramas - A partir daqui, você irá se deparar com textos deste estilo: A desidrogenação catalítica do propano é realizada em um reator contínuo de leito empacotado. 1000Kg/h de propano puro são pré-aquecidos a uma temperatura de 670 o C antes de entrar no reator. O gás efluente do reator, que inclui propano, propileno, metano e hidrogênio é resfriado de 800 a 110oC e alimentado a uma torre de absorção onde o propano e o propileno são dissolvidos em óleo. O óleo passa então a uma coluna de dessorção, onde é aquecido, liberando os gases dissolvidos; estes gases são recomprimidos e enviados a uma coluna de destilação de alta pressão na qual o propano e o propileno são separados. A corrente de propano é reciclada de volta para se juntar à alimentação do preaquecedor do reator.a corrente de produto da coluna de destilação contém 98% de propileno e a corrente de reciclo contém 97% de propano. O óleo retificado é reciclado à torre de absorção. - Um fluxograma organiza este tipo de informação em uma forma apropriada para a realização de cálculos - Caixas ou outros símbolos são usados para representar as unidades de processo (reatores, separadores, etc) e setas para representar as correntes de entrada e saída. (caixas são suficientes para este curso!) 5

6 gramas - Sugestões 1. Ler e entender o enunciado 2. Rotular o fluxograma com os valores de todas variáveis de processo e símbolos para identificar as variáveis desconhecidas 3. Utilizar como placar escrever o valor das variáveis encontradas com a solução do problema 4. Escrever os valores e as unidades de todas as variáveis das correntes conhecidas na localização apropriada no diagrama. ex: uma corrente contendo 21% molar O2 e 79% molar N2 a 320oC e 1,4 atm fluindo a uma vazão de 400 mol/h 400 mol/h Y O 2 = 0,21 Y N 2 = 0,79 T = 320 o C, p = 1,4 atm Obs: é possível substituir as fracões molares ou mássicas pelas vazões de cada componente gramas - Sugestões 5. Atribua símbolos algébricos às variáveis desconhecidas de cada corrente e escreva esses nomes de variáveis e suas unidades associadas no diagrama. Ex: caso não se conheça a vazão total do exemplo anterior Q corrente A? (mol/h) Y O 2 = 0,21 Y N 2 = 0,79 T = 320 o C, p = 1,4 atm Praticando: Três correntes de entrada alimentam uma câmara de evaporação para produzir uma corrente de saída de evaporação de composição desejada desejada. a) Água líquida, alimentada a vazão de 20 cm 3 /min b) Ar (21% molar O 2 e resto N 2 ) c) O2, puro com vazão molra igual a 1/5 da corrente b O gás de saída é analisado e contém 1,5% molar de água. Desenhe o fluxograma. 6

7 gramas Saiu algo como isto??? Água líquida (A) Q A = 20 cm 3 /min Ar (B) Q B? Y O 2 = 0,21 Y N 2 = 0,79 Oxigênio (C) Q C = 1/5 Q B Gás de saída (D) Q D? Y H 2 O = 0,015 Y N 2 =? Y O 2 =? - Teremos a oportunidade de praticar esta habilidade em MUITOS exercício de agora em diante! Equações gerais para balanço de massa Classificação Processo Contínuo Est. Transiente Processo Contínuo Est. Estacionário Processo Batelada Balanço total de massa SAI=ENTRA -ACUMULA qas = qae - dma/dt dma/dt = qae - qas SAI=ENTRA qas = qae MASSA FINAL = MASSA INICIAL Bal. de massa componente A com reação química SAI=ENTRA+REAGE- ACUMULA qas = qae + ra - dma/dt dma/dt = qae - qas + ra SAI=ENTRA+REAGE qas = qae + ra SAI=ENTRA=0 ACUMULA=REAGE dma/dt = ra Bal. de massa componente A sem reação química SAI=ENTRA-ACUMULA qas = qae -dma/dt dma/dt = qae qas SAI=ENTRA qas = qae SAI=ENTRA REAGE=0 MASSA FINAL A = MASSA INICIAL A 7

8 Exemplo de balanço de massa para vários componentes Q A Q B X 1 X 2 X 3 Q C X 1 X 1 X 2 X 2 X 3 X 3 Sistema contínuo, em estado estacionário, sem R.Q. ENTRA = SAI Balanço de massa global: Q A = Q B + Q C Balanço de massa do componente 1: Q 1,A = Q 1,B + Q 1,C X 1 Q A = X 1 Q B + X 1 Q C Balanço de massa do componente 2: X 2 Q A = X 2 Q B + X 2 Q C Balanço de massa do componente 3: X 3 Q A = X 3 Q B + X 3 Q C Restrições: X 1 + X 2 + X 3 = 100% = 1 = X 1 + X 2 + X 3 = X 1 + X 2 + X 3 Procedimentos para Cálculos de balanço de massa 1) Desenhe um fluxograma 2) Indique todos os valores das variáveis conhecidas 3) Indique as variáveis desconhecidas 4) Caso nenhuma quantidade ou vazão seja conhecida, escolha uma base de cálculo (as variáveis desconhecidas serão determinadas relativamente a este valor) 5) Converta valores de volumes e vazões volumétricas em qtddes. mássicas ou molares 6) Se houver mistura de unidades mássicas e molares, adotar uma das duas 7) Escrevas as equações de balanço material Se não há reação e n espécies estão presentes: n equações o número de equações tem de ser igual ao número de variáveis desconhecidas 8) Assumir que não há incertezas associadas aos valores das variáveis que impactem no fechamento do balanço (ao contrário da indústria) 8

9 Praticando! Exemplo 1: Duas misturas metanol-água de composições diferentes estão contidas em recipientes separados. A primeira mistura contém 40% de metanol e a segunda 70% metanol em massa. Se 200g da primeira mistura são combinados com 150g da segunda mistura, qual a massa e a composição do produto. Considerar que não há interação entre o metanol e a água. Conceito envolvido: classificar o processo! Praticando! Exemplo 2: Uma unidade industrial de verniz tem que entregar 1000 lbm de uma solução de nitrocelulose a 8%. Eles têm em estoque a solução a 5,5%. Quanto de nitrocelulose seca deve ser dissolvida na solução para atender ao pedido? Conceitos envolvidos: classificar o processo! sistemas de equações lineares! 9

10 Praticando! Agora é com vocês Exemplo I - alunos: Uma unidade industrial de verniz tem que entregar 1000 lbm de uma solução de nitrocelulose aquosa a 8% em massa. A unidade possui uma grande quantidade de solução aquosa com fração molar de 5,5%, que será concentrada por evaporação para produção da solução concentrada. Pede-se a) A massa de solução a 5,5% necessária para produzir 1000 lbm nitrocelulose aquosa a 8% em massa por evaporação. b) A massa de água evaporada, em toneladas. 10