PQI 3221 Cinética Química e Processos Ambientais

Transcrição

1 PQI 3221 Cinética Química e Processos Ambientais Aulas 5 e 6 Balanços de massa sem reação química em unidades simples. Análise de graus de liberdade. 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 exemplo A5.1: balanço populacional A cada ano, pessoas se mudam para uma cidade, abandonam a cidade, pessoas nascem e , morrem. exemplo A5.2: balanço de água em um lago Os balanços de água em um lago podem ser empregados para avaliar os efeitos da infiltração da água no solo, da evaporação e da precipitação, entre outros. Apresente um balanço de massa para um lago.

3 Mar de Aral (Cazaquistão/Uzbequistão, ex-urss) Fonte : (acesso em 09/03/2015)

4 exemplo A5.3: balanço de poluentes atmosféricos Adaptado de: Fogler, H.S. Elements of Chemical Reaction Engineering, 4 th ed., 2006 ar + poluentes geração de poluentes no sistema ar

5 exemplo A5.4: balanços do ciclo hidrológico taxas de H 2 O em L/dia Adaptado de: Manahan, S.E. Environmental Chemistry, 7 th Ed., Lewis Publishers, 2000.

6 chuva evaporação transpiração chuva evaporação definição do sistema e identificação das entradas e saídas (correntes) taxas de H 2 O em L/dia atmosfera superfície 109 oceanos

7 exercício A5.1 processamento de resíduos sólidos municipais Examine o diagrama da figura, em que t/wk representa toneladas por semana. O balanço de massa é satisfatório? Fonte: Himmelblau, D.M.; Riggs, J.B. Engenharia Química Princípios e Cálculos. Trad. da 7ª. Ed. Editora LTC, Rio de Janeiro, 2006.

8 definição do sistema e identificação das entradas e saídas (correntes) sistema (massa m) j = 1,..., J correntes de entrada k = 1,..., K correntes de saída

9 balanço de massa total dm dt J j1 K m - m j k1 k j = 1,..., J k = 1,..., K correntes de saída correntes de entrada

10 balanço de massa para a espécie s dm dt s J j1 m K s, j m s, k k 1 Rˆ s j = 1,..., J correntes de entrada k = 1,..., K correntes de saída s = 1,..., S espécies químicas

11 balanço molar para a espécie s J j1 K s, j Fs, k k 1 dn s ~ F R dt s j = 1,..., J correntes de entrada k = 1,..., K correntes de saída s = 1,..., S espécies químicas

12 balanços de massa sem reações químicas total espécie s dm dt J j1 K m - m j k1 k dm dt s J j1 m K s, j - k 1 m s, k j = 1,..., J k = 1,..., K correntes de saída correntes de entrada s = 1,..., S espécies químicas

13 balanços molares sem reações químicas total espécie s dn dt J j1 K F j - F k 1 k dn dt s J j1 F s, j - K k 1 F s, k j = 1,..., J k = 1,..., K correntes de saída correntes de entrada s = 1,..., S espécies químicas

14 k = 1,..., K correntes de saída K k k J j j m m j = 1,..., J correntes de entrada 0-1, 1, K k k s J j j s m m s = 1,..., S espécies químicas balanços de massa sem reações químicas no estado estacionário total espécie s

15 balanços molares sem reações químicas no estado estacionário total espécie s J j1 K F j - F k 1 k 0 J j1 K F, - s j Fs, k k 1 0 j = 1,..., J k = 1,..., K correntes de saída correntes de entrada s = 1,..., S espécies químicas

16 exemplo A5.5: torre de absorção de SO2

17 coluna de absorção gás-líquido

18 y SO2,3. v 2, DR SO 2, A. P 1, T 1, v 1, y SO2,1 SO 2, solvente SO 2, A

19 SO 2, A SO 2, solvente SO 2, A

20 exercício A5.2 demanda bioquímica de oxigênio (DBO) A quantidade de material orgânico presente em águas residuais é medida em termos da demanda biológica de oxigênio (DBO), que corresponde à quantidade de oxigênio necessária para oxidar a matéria orgânica biodegradável presente na água. Se a concentração de oxigênio dissolvido na água for muito baixa, os peixes nos rios e lagos podem morrer. Uma estação municipal de tratamento de esgotos (ETE) registra em seu relatório apresentado à Agência Ambiental local uma descarga de 15, m 3 /dia com DBO de 72 mg/l. As medidas feitas pela Agência indicam vazão da corrente hídrica a montante do ponto de descarga da estação igual a m 3 /dia com 3 mg/l de DBO e 5 mg/l de DBO a jusante da estação. O relatório da ETE está correto?

21 exercício A5.3 descarte de poluente em rio Um poluente químico é lançado por uma empresa em um rio, à taxa de 300 kg/dia. São conhecidas as seguintes informações: solubilidade do poluente em água: 20 ppm coeficiente de adsorção do poluente em sólidos suspensos: concentração de sólidos suspensos na água: 15 ppm vazão do rio: m 3 /dia velocidade média de escoamento das águas: 0,5 m/s fator de bioconcentração: concentração média de biota no rio: 100 g/100 m 3 a) Estimar a concentração do poluente na água próximo ao ponto da descarga. Discuta as hipóteses envolvidas. (Resposta: 0,48 ppm) b) Estimar a partição do poluente (em kg/dia e %) na água, nos sedimentos e na biota. (Resposta: água, 240 kg/dia ou 80%; sedimentos, 36 kg/dia ou 12%; biota, 24 kg/dia ou 8%)

22 exemplo A5.6: análise de graus de liberdade. m 2 w solvente,2 SO 2, A F 3 F SO2,3 F A,3 y SO2,3 y A,3 F 1 F SO2,1 F A,1 y SO2,1 y A,1 SO 2, A SO 2, solvente. m. 4 m. SO2,4 m solvente,4 w SO2,4 w solvente,4

23 exercício A5.4 lavagem de suspensão salina de TiO2

24

25 exercício A5.5 análise do número de graus de liberdade Você foi convocado para verificar o processo representado na figura a seguir. Qual o número mínimo de medidas que possibilita calcular o valor de cada uma das vazões de escoamento e das composições das correntes? Justifique sua resposta.

26 exercício A5.6 análise do número de graus de liberdade No processo representado na figura a seguir, quantos valores de concentrações e de vazões mássicas são desconhecidos? Liste-os. As correntes contêm dois componentes, A e B. Quantos balanços de massa são necessários para resolver o problema? Este número é igual ao número de incógnitas? Explique. w A,1 = 0,2 w B,1 = 0,8 w A,2 = 0,95 w B,3 = 0,1