PQI 3221 Cinética Química e Processos Ambientais

Transcrição

1 PQI 322 Cinética Química e Processos Ambientais Aulas 7 a 0 Balanços de massa sem reação química em sistemas de interesse. Processos com múltiplas unidades. Reciclo e by-pass Prof. Antonio Carlos S. C. Teixeira Centro de Engenharia de Sistemas Químicos Departamento de Engenharia Química Escola Politécnica da USP Edifício Semi-Industrial, 3 o andar acscteix@usp.br

2 =,..., K correntes de saída 0 - K J m m =,..., J correntes de entrada 0 -,, K s J s m m s =,..., S espécies químicas balanços de massa sem reações químicas no estado estacionário total espécie s

3 balanços molares sem reações químicas no estado estacionário total espécie s J K F - F 0 J K F, - s Fs, 0 =,..., J =,..., K correntes de saída correntes de entrada s =,..., S espécies químicas

4 0 -,, K s J s m w m w 0 -,, K s J s F x F x 0 -,, K s J s F y F y balanços por espécie s sem reações químicas no estado estacionário

5 sistema homogêneo - base de cálculo (para correntes de entrada e de saída, i =,...,n) w w... w, 2, s, m m m w w w,2 2,2 s,2 m 2 m m w, n... w... w 2, n s, n m n m m n n (S n) w. m 0 (n ) (S ) (sendo as incógnitas as vazões)

6 exercício A7. recuperação de ácido benzoico O contaminante ácido benzoico é removido de uma solução aquosa diluída promovendo-se o contato dessa solução com um solvente orgânico apropriado, em uma unidade de extração. Nessa operação, são geradas duas correntes: uma contém ácido benzoico e benzeno e a outra, os três componentes. O efluente aquoso que deixa a unidade contém 0,07 g benzeno/g água, pois o benzeno é levemente solúvel em água. Além disso, o ácido benzoico distribui-se entre as correntes de saída, de modo que: massa de ácido benzoico massa de benzeno corrente recuperada massa 4 massa 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) Mostre que o processo está subespecificado. (b) Suponha que o ácido benzoico extraído tenha valor de $ /g e que o benzeno fresco custe $ 0,03/g. Construa um gráfico do retorno obtido em função da vazão de benzeno e selecione a vazão ótima desse solvente. (c) Para essa condição ótima, indique a composição mássica do efluente aquoso gerado na unidade. (Respostas: ~2200 g/h; benzeno, 6,47%; ácido benzoico,,7%; restante água).

7 0000 g/h B AB AB W B AB W B

8 sistemas (processos) com múltiplas unidades de processamento unidade unidade unidade 3 6

9 sistemas (processos) com múltiplas unidades de processamento

10 exercício A7.2: recuperação de cromato de potássio A figura a seguir apresenta o fluxograma de um processo em estado estacionário para recuperar cromato de potássio cristalino (K 2 CrO 4 ) de uma solução aquosa deste sal. Uma solução aquosa com /3 de K 2 CrO 4 em massa se unta com uma corrente de reciclo contendo 36,4% de K 2 CrO 4 e a corrente combinada alimenta um evaporador. A corrente concentrada que deixa o evaporador contém 49,4% em massa de K 2 CrO 4. Esta corrente alimenta um cristalizador, no qual é resfriada, causando a precipitação de cristais do sal, sendo em seguida, filtrada. A torta de filtração consiste em cristais de K 2 CrO 4 e uma solução aquosa que contém 36,4% em massa de K 2 CrO 4 ; os cristais constituem 95% da massa total da torta. A solução aquosa que passa através do filtro, também contendo 36,4% de K 2 CrO 4, é a corrente de reciclo.

11 filtro rotativo a vácuo

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13 (3) (2) () (4) (5) (6) % massa

14 corrente de reciclo M misturador (mixer) unidade S divisor (splitter)

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16 corrente de reciclo com purga

17 corrente de by-pass S unidade M divisor (splitter) misturador (mixer)

18 exercício A7.3 recuperação de reeito contendo cromo Um efluente aquoso, contendo 5,5% em massa de cromo (Cr), faz parte dos reeitos de uma planta de acabamento metalúrgico. Essa corrente de reeito é encaminhada para uma unidade de tratamento, que recupera 95% do cromo da corrente a ela alimentada. A corrente líquida residual que sai da unidade de tratamento é enviada a uma lagoa de disposição de resíduos; cromo recuperado é encaminhado para reutilização na planta. A unidade de tratamento tem capacidade máxima de 4500 g de reeitos/h. Se os reeitos saem da planta metalúrgica com uma vazão maior do que essa capacidade, o excesso é desviado e se combina com o líquido residual que sai da unidade de tratamento, como mostra a figura; a corrente combinada é então bombeada para a lagoa de disposição. (a) Rotule o fluxograma do processo, considerando que os reeitos saem da planta metalúrgica à vazão de 6000 g/h. Realizar a análise de graus de liberdade completa para o problema. (b) Nas condições do item (a), calcule a vazão do líquido encaminhado à lagoa e a fração mássica de Cr neste líquido. (Resposta: 5779,8 g/h e,54%) (c) Calcule a vazão de líquido encaminhado à lagoa e a fração de Cr no líquido para a vazão da corrente de resíduo da planta metalúrgica variando entre 000 e 0000 g/h. Gere um gráfico da fração mássica de cromo na corrente encaminhada à lagoa em função da vazão da corrente de resíduo. (d) A empresa contratou você como consultor para audar a decidir se vale a pena aumentar a capacidade da unidade de tratamento para aumentar a recuperação de cromo. O que você precisa saber para recomendar ou não esta decisão?

19 exercício A7.3 recuperação de reeito contendo cromo 5,5% Cr 94,85% H 2 O Cr H 2 O Cr 6000 g/h 4500 g/h Cr H 2 O Cr H 2 O Cr H 2 O