Aula 14 balanço de energia em processos químicos - 06.05.11

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Aula da Disciplina Processos de Produção Quimcos, da Faculdade Area1 - Grupo DeVry - Tema: Balanço de Energia em Processos Quimicos

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Aula 14 balanço de energia em processos químicos - 06.05.11

  1. 1. Processo de Produção Química1º. Sem./2011 Engenharias
  2. 2. Nesta Aula Veremos ... Balanço de Energia1. Introdução2. Formas de Energia3. Balanço Macroscópico de Energia4. Equação Geral do B.E.5. B.E. para Sistemas Fechados Estacionários6. B.E. para Sistemas Fechados Não-estacionários7. B.E. para sistemas Abertos Estacionários• Exercícios de aplicação 2
  3. 3. Balanço de Energia Introdução O que é Energia ?http://www.hiperescopio.com.br/imagens/ciente c/energia/base.swf
  4. 4. Balanço de Energia Introdução Origem da palavra ENERGIA Produção de Capacidade deenérgeia Energia movimento contra gerar W ou Q uma resistência
  5. 5. Balanço de Energia De onde vem a energia ? Energia é cara. Ainda não aprendemos a usar eficientemente o infinitofornecimento de energia grátis proveniente do Sol, dos ventos e das marés; a geração de energia nuclear é possível, mas os despejos radioativos são perigosos, e não existem suficientes quedas de águas represas para gerar em hidroelétricas. Isto nos deixa com a queima de combustíveis ... Energia é habilidade para realização de certo trabalho.
  6. 6. Balanço de Energia Como é medida a energia ? 1J Energia envolvida Forma pela para erguer, de 1 m, Unidade um corpo deTransformação qual a energia Medida aproximadamente é transferida 100 grama. Mecânica Trabalho = Fx · x Joule (J)Aquecimento Calor Caloria (cal) 1 cal Quantidade de calor que aquece 1 grama de água de 1oC.
  7. 7. Balanço de Energia Sistema de Unidadessistema Comp tempo massa Força Temp. EnergiaS.I. m seg kg Newton K, oC JouleS.A. pé (ft) seg, h lbm lbf R, oF BTUS.Ing. pé (ft) seg slug lb-peso R, oF BTU (*) (*) BTU – British Thermal Unit hp.h – ex.: ar condicionado
  8. 8. Balanço de Energia Unidade Energia e Potência Unidade - Energia Símbolo EquivalênciaJoule J = 1 N.mCaloria (termoquímica) c = 4,180 JCaloria alimentar C = 4.180 JBritish Thermal Unit BTU = 1055,06 JQuilo-watt-hora kWh = 3,6 MJHorse Power - hora hph = 2,6845 x 106 J Unidade - Potencia Símbolo Equivalência watt W = 1 J/s Quilo watt kW = 1.000 W horse power hp = 745,7 W cavalo vapor cv = 735,5 W cavalo vapor cv = 0,9863 hp
  9. 9. Balanço de Energia Matriz Energética
  10. 10. Balanço de Energia Matriz Energética
  11. 11. Balanço de Energia Usina Termelétrica 11
  12. 12. 12
  13. 13. Balanço de Energia Usina TermelétricaUma usina termelétricaoperando em ciclo combinado:gera energia elétrica, atravésde um processo que combina aoperação de uma turbina à gás(movida pela queima de gásnatural) ou óleo diesel,diretamente acoplada a umgerador.Os gases de escape da turbinaà gás, devido à temperatura,promovem a transformação daágua em vapor para oacionamento de uma turbina avapor, nas mesmas condiçõesde operação de umatermelétrica convencional. 13
  14. 14. Gases que agravam o Balanço de Energia Efeito Estufa: CO2, CO, Chuva ácida NOx e HCs • SO2 + H2O  2 H+ + SO42-Formação do Smog • NO2 + H2O fotoquímico e aumento do H+ + NO3-ozônio atmosférico: • Os íons H+• NOx + HCs + O2 + (UV)  aumentam a .. O3 (perigoso) acidez das chuvas 14
  15. 15. Balanço de Energia Poder Calorífico Combustível PC superior (Kcal/kg) Hidrogênio – H2 34.000O Poder Calorífico é GLP 12.000a quantidade de calor produzida na Gasolina 11.200 combustão de uma Querosene 11.100unidade de massa ou Óleo Diesel 10.880 volume de Óleo Combustível Pesado 10.410 combustível Carvão mineral 6.800 Álcool etílico 6.500 Gás natural 4.300 Lenha (20% umidade) 2.500 – 3.000
  16. 16. Balanço de Energia Poder caloríficoPoder Calorífico Superior : É a quantidade de calorproduzida por 1 kg de combustível, quando este entraem combustão, em excesso de ar, e os gases dadescarga são resfriados de modo que o vapor de águaneles seja condensado. Poder Calorífico Inferior : É a quantidade de calor que pode produzir 1kg de combustível, quando este entra em combustão com excesso de ar, e os gases de descarga são resfriados até o ponto de ebulição (ou condensação) da água, evitando assim que a água contida na combustão seja condensada.
  17. 17. Balanço de Energia Meio Ambiente1. A poluição térmica é inevitável ?2. Qual a fonte mais econômica de combustível ?3. O que pode ser feito com o calor excedente ?4. Qual a quantidade de vapor d’água, e a que T e P é necessária para fornecer calor a um processo ? A resposta para essas perguntas passam pelo entendimento sobre a transferência de energia por processos naturais ou por máquinas. 17
  18. 18. Balanço de Energia Engenharia de Processo1. Quanta potência (energia/tempo) é necessária para bombear 1.250 m3/h de água desde um tanque de armazenamento até uma unidade de processo?2. Quanta energia é necessária para converter 2.000 kg de água a 30º C em vapor a 180º C ?3. Uma reação altamente exotérmica A  B acontece em um reator contínuo. Se uma conversão de 75% de A é atingida, com que taxa a energia deve ser transferida ao reator para manter o conteúdo a temperatura constante?4. Quantos kg de óleo combustível deve ser queimado por dia para produzir energia suficiente para gerar vapor que movimentem as turbinas e produza a quantidade de eletricidade necessária abastecer uma cidade com 500.000 habitantes ? 18
  19. 19. Indústria QuímicaBalanço Massa e Energia 19
  20. 20. Balanço de Energia Industria Química1. Todos os processos industriais estão associados a alterações energéticas sob as mais variadas formas2. Processo com reação química: (endotérmico e exotérmico)3. Processo de combustão : energia interna do combustível é utilizada para geração de calor (fornos, caldeiras), ou para produção de trabalho (motores e turbinas)4. Bombas e Compressores: fornece-se trabalho para acelerar ou comprimir fluidos5. Trocadores de Calor: transfere-se calor de um fluido quente para um fluido frio. 20
  21. 21. Balanço de Massa Esquema BásicoUso Final• Calor de processo Perdas• Força Motriz• Iluminação, etc Energia Final Energia ÚtilEficiência na E.F = E.U + Perdas Eff [i,j] = E.U [i,j] / E.F [i,j]conversão• do energético Lei da Conservação i = energético j = uso final• do uso final 1a Lei Termodinâmica 21
  22. 22. Balanço de Energia Conceitos Básicos1. Propriedade extensiva: É proporcional a massa do material, ex. massa, n. mols, volume, vazão mássica, molar, volumétrica, Ec, Ep e Energia Interna.2. Propriedade intensiva: É independente da quantidade de matéria, ex. T, P, densidade3. Propriedade específica: é quantidade intensiva, obtida pela divisão de uma prop. ext. por uma quantidade total de um material de processo, ex. Volume = 200 cm3 e Massa = 200g, volume específico = 1 cm3/g 22
  23. 23. Balanço de Energia Conceitos Básicos1. Sistema Adiabático: É aquele que não realiza troca de calor com suas vizinhanças durante o processo. É um sistema termicamente isolado.2. Sistema Isotérmico: Nesse sistema a temperatura se mantém invariante durante o processo.3. Sistema Isobárico: É aquele que durante o processo a pressão se mantém constante4. Sistema Isocórico: É aquele que durante o processo tem o volume constante. 23
  24. 24. Balanço de Energia Conceitos Básicos1. Variável de Estado: É qualquer variável (ou função) cujo valor depende somente do estado do sistema. Um exemplo de função de estado é a energia interna, entalpia (H) – lei de Hess2. Variável de Caminho (função de caminho): É aquela variável (ou função) cujo valor depende de como o processo ocorre. Trabalho e Calor são exemplos de função de caminho. 2 2 1 1 24
  25. 25. Balanço de Energia Conceitos Básicos1. 1º. Princípio da Termodinâmica: O uso da energia implica em transformá-la de uma forma para outra... porém a energia, não é criada nem destruída.2. 2ª. Princípio da Termodinâmica: A energia total do Universo não muda, mas a parcela disponível para realização de trabalho, torna-se cada vez menor. Na maioria das transformações parte da energia é convertida em calor (dissipa facilmente) Energia total antes Energia total após da explosão = a explosão 25
  26. 26. Balanço de Energia Formas de Energia1. Energia Cinética (Ec): É a energia associada à velocidade de um material ou sistema em relação à vizinhança. No S.I. a energia cinética é calculada como: Ec = ½ m.v2 DI = 3,0 cm Q = 1 l /s Água é bombeada de um tanque para uma tubulação de 3,0 cm de diâmetro interno a uma vazão de 1 litro/s . Qual é a energia cinética especifica da água ... Q = v. A A = pi.(D/2)2 d =1 água 26
  27. 27. Balanço de Energia Formas de Energia2. Energia Potencial (Ep): É a energia relacionada com o trabalho exercido sobre a massa de um sistema para deslocá-lo, com relação a uma superfície de referência, num campo gravitacional ou eletromagnético, é calculada como: Ep = m.g.h 300 m 40 m Água é bombeada de um tanque para outro distante 300 m. O nível de água no 2º. tanque esta 40 m acima do nível de água do 1º. Qual é o aumento na Ep especifica da água em J/kg ... 27
  28. 28. Balanço de Energia Formas de Energia3. Energia Interna (U): Toda energia possuída por um sistema além das Ec e Ep, tal como a energia devida ao movimento das moléculas em relação ao centro de massa do sistema, ao movimento rotacional, vibracional e às interações eletromagnéticas das moléculas, e ao movimento e às interações dos constituintes atômicos e subatômicos das moléculas Entalpia (H): É a função de estado resultado da combinação de U + P.V, ou seja: H = U + P.V 28
  29. 29. Balanço de Energia Formas de Energia4. Trabalho (W): É a energia que flui como resposta a uma força motriz (ex.: torque, voltagem, etc) que não seja pela diferença de temperatura entre um sistema e suas vizinhanças. Quando as vizinhanças executam trabalho sobre o sistema, diz-se que o trabalho é positivo. Caso contrário, se o sistema executar trabalho sobre suas vizinhanças diz-se que o trabalho é negativo. • VIZINHANÇAS • SISTEMA FECHADO W>O W<O• O trabalho pode ser: mecânico, elétrico, de eixo ou de escoamento.• O trabalho mecânico, que é o mais conhecido, tem unidades de forçax distância, e é representado matematicamente por: 29
  30. 30. Balanço de Energia Formas de Energia5. Calor (Q): energia que flui como resultado de uma diferença de temperatura (potencial térmico) entre o sistema e suas vizinhanças. Onde: • Q = taxa de transferência • VIZINHANÇAS de calor • C = coeficiente empírico obtido a partir de dados • SISTEMA experimentais, de acordo com o equipamento utilizado Q>O Q<O • A = área disponível para transferência de calor • T2 – T1 = diferença de temperatura (∆T)• Taxa de transferência de calor: Q = C.A.(T2 – T1), onde... 30
  31. 31. Balanço de Energia Balanço Macroscópico É uma aplicação do conceito de Conservação de Energia e considera que a variação de energia dentro do sistema é igual à troca líquida de calor e trabalho com as vizinhanças, somada com a energia líquida transportada pelo escoamento de massa para o sistema Sistema WeQ WeQ E E=Q+W E = Ec + Ep + UNota: Os termos “calor” e “trabalho” se referem apenas à energia que esta sendotransferida; você pode falar de calor e trabalho adicionado ou liberado pelo sistema,mas NUNCA falar do calor ou do trabalho possuído ou contido em um sistema. 31
  32. 32. Balanço de Energia Equação Geral Transfer TransferAcúmulo ência de ência de Geração Consumo de energia energia de deenergia para o do energia energia dentro = sistema - sistema + dentro - dentro do através através do dosistema da da sistema sistema fronteira fronteira 0 0 Sem Reação Química ACÚMULO = ENTRADA – SAÍDAE = Q + W W, Q > 0 – transf. da vizinhança  sistema W, Q < 0 – transf. do sistema  vizinhança 32
  33. 33. Balanço de Energia SimplificaçõesO Balanço Energia pode ser aplicado a:1. sem reação química,2. sistemas abertos ou fechados,3. em regime estacionário (permanente) ou não estacionário (transiente),4. sistema de 1 ou + componente. 33
  34. 34. Balanço de Energia Fechado Estacionário Transfer TransferAcúmulo ência de ência de Geração Consumo de energia energia de deenergia para o do energia energia dentro = sistema - sistema + dentro - dentro do através através do dosistema da da sistema sistema fronteira fronteira 0 0 0ACÚMULO = ENTRADA – SAÍDA Sem Reação Química ENTRADA = SAÍDA W, Q > 0 – transf. da vizinhança  sistema0=Q+W W, Q < 0 – transf. do sistema  vizinhança 34
  35. 35. Balanço de Energia Fechado Estacionário• O acúmulo de massa e energia no sistema é zero, uma vezque ele é estacionário  ∆E= 0• Assim Q e W são constantes tanto para dentro como parafora do sistema. Aplicando isso na equação geral temos que: ∆E= Q + W, como ∆E= 0 Q + W= 0 W= -Q• Isto implica dizer que todo o W realizado sobre este tipo desistema é transferido para fora como Q.• O contrário é verdadeiro ?• Resp.: O calor absorvido por esse sistema não é igual aotrabalho realizado por ele, já que esse calor é o calor total,formado pelo calor absorvido e pelo calor perdido.
  36. 36. Balanço de Energia Fechado Não Estacionário Transfer TransferAcúmulo ência de ência de Geração Consumo de energia energia de deenergia para o do energia energia dentro = sistema - sistema + dentro - dentro do através através do dosistema da da sistema sistema fronteira fronteira 0 0 Sem Reação Química ACÚMULO = ENTRADA – SAÍDAE = Q + W W, Q > 0 – transf. da vizinhança  sistema W, Q < 0 – transf. do sistema  vizinhança 36
  37. 37. Balanço de Energia Fechado Não Estacionário• não ocorre entrada ou saída de massa no sistema (sistemafechado).• o estado de material varia com o tempo (sistema não-estacionário) ∆U + ∆Ec + ∆Ep = ∆E = Q + W 0 0Para a grande maioria dos sistemas fechados os valores de ∆Ece ∆Ep são muito pequenos ou nulos. Assim teremos: E= U=Q+W
  38. 38. Balanço de Energia Aberto Estacionário Transfer TransferAcúmulo ência de ência de Geração Consumo de energia energia de deenergia para o do energia energia dentro = sistema - sistema + dentro - dentro do através através do dosistema da da sistema sistema fronteira fronteira 0 0 0 Vazões Sem Reação Química de Vazões entrada Sistema de saída aberto E=Q+WACÚMULO = ENTRADA – SAÍDA We – trabalho no eixo ENTRADA = SAÍDA Wf – trabalho de fluxo 38
  39. 39. Balanço de Energia Aberto Estacionário• São os mais comuns nos processos da industria química• O acúmulo de massa e energia no sistema é zero, uma vezque ele é estacionário: ENTRA = SAI  (∆E = 0)• O que ENTRA = taxa total de transporte Ec, Ep e U + taxa detransferência de Q e W• O que SAI = taxa total de transporte de Ec, Ep e U + taxa detransferência de Q e W.• Se Ej é a taxa total de energia transportada pelas correntes j deentrada e saída, temos:• Ej (entrada) - Ej (saída) = Q + W• Se mj, Ecj, Epj, Uj - correntes “j” do processo• Ej = Uj + Eci + Epj, como Ec = ½ m.v2 e Ep = m.g.h• Ej = mj . [ (Uj + v2j)/2 + ghj ]
  40. 40. Balanço de Energia Aberto Estacionário• Por outro lado sabemos que: Wf = Pj.Vj (entra) + Pj.Vj (sai)• We = trabalho de eixo (feito no fluido: bombas, rotor)• Wf = trabalho de fluxo (feito no fluido: entrada – saída)• Então: W = We + Wf = We + mj.Pj.Vj (entra) - mj.Pj.Vj (sai)• A eq. do balanço de energia torna-se:• mj(saída) [Hj + v2j/2 + ghj] - mj (entra) [Hj + v2j/2 + ghj] = Q + We• Utilizando ∆, temos:• ∆H = mj.Hj (saída) - mj.Hj (entrada)• ∆Ec = mj. v2j/2 (saída) - mj. v2j/2 (entrada)• ∆Ep = mj.hj.g (saída) - mj.hj.g (entrada)• Temos: ∆H + ∆Ec + ∆Ep = Q + We• ∆H = H.[ mj (saída) - mj (entrada)]• Como balanço total de massa = mj (saída) = mj (entrada), então• ∆H = 0 (sistema estacionário)
  41. 41. Resolução de Problemas deBalanço de Energia 41
  42. 42. Balanço de Energia Passo-a-PassoBalanço de energia - Técnica:1. Conhecer completamente do processo considerado;2. Identificar se o sistema é aberto ou fechado e se o estado é permanente ou não permanente.3. Esquematizar um fluxograma simplificado4. Aplicar as simplificações pertinentes à Eq. Geral do B.E.5. Se sistema aberto, indicar dados para determinação da entalpia especifica (pressões, temperaturas, estado agregação) de cada corrente.6. Escolher um base de cálculo apropriada ao caso;7. Selecionar o sistema onde ocorre o processo ou a operação;8. Realizar o balanço através de equações que traduzam o problema e obter um valor numérico para o caso em análise. 42
  43. 43. Exercício de Aplicação 1Aplicação – Cálculo da potencia necessária para bombear água emum sistema aberto em estado estacionário: Água é bombeada de umpoço cujo nível é constante, estando 20 m abaixo do nível do solo. Aágua é descarregada a uma vazão de 0,5 m³/s em um tubo horizontalque se encontra 5 m acima do solo. Admita que a taxa de transferênciade calor da água é desprezível durante o escoamento. Calcule apotência elétrica requerida pela bomba, sabendo que sua eficiência deconversão de energia elétrica em mecânica é de 100%. Despreza o atritonos tubos e na bomba. Passo-a-Passo• 1º. Fazer um fluxograma e analisar o desenho• 2º. Sistema aberto em regime não permanente sem reação química• 3º. Eq. Geral : ∆E = Q + W• 4º. Balanço de energia – Equações 43
  44. 44. Resolução 1• Sistema aberto em regime permanente:• ∆E = ( ∆U + ∆Ec +∆Ep) = Q + W• Simplificações:• Processo adiabático  Q = 0• ∆Ec = 0 (o sistema esta parado, não há movimento translacional)• ∆U = 0 (não há mudança de estado físico)• ∆E = Q + W  W = ∆Ep Vazão = 0,50 m3/s h2 = 5 mDados do problema:h1 = 20 mh2 = 5 mVazão volumétrica = 0,50 m3/s h1 = 20 m 44
  45. 45. Resolução 1• W = ∆Ep = mg.( h(saída) – h(entrada) )• Base de cálculo  1 segundo• Para calcularmos a vazão mássica de escoamento:• Vazão = Área x velocidade, V. mássica = V.volum. x densidade• vazão mássica = 0,50 m3/s . 1,0 kg/m3 = 0,5 kg/s• Como: W = Ep saída – Ep entrada• W = ∆Ep = mg.( h(saída) – h(entrada))• W = 0,5 kg/s . 10 m/s2 . (25 - 0) m• W = 125 J e Potencia = 125 J/s• Como 1 HP = 745,7 J/s, temos que 125 J/s = 0,167 HP• Uma bomba de ¼ HP resolve (0,25 HP) 45
  46. 46. Exercício de Aplicação 2Aplicação – Balanço de Energia em uma Turbina (sistema aberto emestado estacionário): 500 kg/h de vapor movimentam uma turbina. Ovapor entra na turbina a 44 atm e 450o C com uma velocidade linear de60 m/s, e sai por um ponto 5 m abaixo da entrada, à pressão atm e avelocidade de 360 m/s. A turbina fornece trabalho no eixo com uma taxade 70 kW, e a perda de calor na turbina é estimada em 104 kcal/h.Calcule a variação na entalpia específica associada com o processo. Passo-a-Passo• 1º. Fazer um fluxograma e analisar o desenho• 2º. Sistema aberto em regime não permanente sem reação química• 3º. Eq. Geral : ∆E = Q + W• 4º. Converter kg/h  kg/s, logo 500 kg/h/3600 s/h) = 0,139 kg/s 46
  47. 47. Resolução 2• Balanço de energia – Equações• Sistema aberto em estado estacionário (regime permanente):• ∆E =( ∆U + ∆Ec +∆Ep) = Q + W• Q = - 104 kcal/h• We = - 70 kW• Como ∆U = ∆H (há mudança de estado P, V e T)• ∆H = Q + We - ∆Ec - ∆Ep 500 kg/h 44 atm, 450o C 5 metros 60 m/s 500 kg/h 1 atm 360 m/s Q = -104 kcal/h W = - 70 kW 47
  48. 48. Resolução 2• ∆Ec = ½ m.(V22 - V12) = ½. 0,139kg/s. (1N/1kg.m/s2).(3602-602) m2/s2 (1W/1N.m/s).(1kW/103 W) = 8,75 kW• ∆Ep = m.g.(hsaída – hentrada) = 0,139 kg/s.9,81N/s.(-5)m. (1kw/103N.m/s) = -6,81x10-3 kW• Q = -104 kcal/h.(1J/0,239x10-3 kcal).(1 h / 3600 s).(1 kW/ 103 J/s) = -11,6 kW• We = - 70 kW, temos :• ∆H = Q + We - ∆Ec - ∆Ep• ∆H = -11,6 - 70 – 8,75 – 6,81x10-3 = -90,3 kW• Mas pela equação, ∆H = m.(H2 – H1)• (H2 – H1) = ∆H/m = (-90,3 kJ/s) / (0,139 kg/s) = -650 kJ/kg 48
  49. 49. Onde Estudar a Aula de Hoje• Princípios Elementares dos ProcessosQuímicos – Autor: Richard M. Felder (LTC) – cap.7 a 8 (Balanços de Energia sem reação)• XEROX - Estequiometria Industrial – Autor:Reynaldo Gomide (Cap. III – Balanços deEnergia) – (pg. 77 a 129) 49
  50. 50. Contato 50

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