Aula 13 balanço de massa - prof. nelson (area 1) - 29.04.11

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Aula da Disciplina Processos de Produção Quimcos, da Faculdade Area1 - Grupo DeVry - Tema: Balanço de Massa nos Processos Quimicos.

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Aula 13 balanço de massa - prof. nelson (area 1) - 29.04.11

  1. 1. Processo de Produção Química1º. Sem./2011 Engenharias
  2. 2. Nesta Aula Veremos ... Processo Químico• Balanço de massa ou material• Exercícios de aplicação Balanço Balanço Massa Energia 2
  3. 3. Balanço de Massa Esquema Básico Ar, Água Emissões gasosas Energia Catalisador matéria Produtosprimas einsumos Sub produtos reciclado Resíduos sólidos Resíduos Resíduos reutilizáveis em líquidos outros processos 3
  4. 4. Balanço de Massa IntroduçãoSuponha um processo contínuo onde entra e saimetano a vazão Qe (kg CH4/h) e Qs (kg CH4/h).As vazões foram medidas e constatou-se que Qe≠ Qs, o que poderia ter acontecido ? Qe Unidade Qs de (kg CH4/h) (kg CH4/h) Processo Qe ≠ Qs !!?? 4
  5. 5. Balanço de Massa IntroduçãoComo Qe ≠ Qs, temos as possibilidades:1. Esta vazando metano através do equipamento;2. O metano esta sendo consumido como reagente;3. O metano esta sendo gerado como produto;4. O metano esta acumulando na unidade, possivelmente sendo absorvido em suas paredes;5. As medidas estão erradas 5
  6. 6. Balanço de Massa IntroduçãoPara que serve o Balanço de Massa:1. Checar dados de processo, aferirrendimentos e taxas de conversões, etc;2. Verificar vazamentos e perdas de materiais3. Projeto de equipamentos (capacidade);4. Especificar uma ou mais correntes de umprocesso;5. Projetar e especificar uma unidade deprocessamento; 6
  7. 7. A massa se conserva ? Introdução A massa se conserva nas transformações químicas? Quem foi o cientista que estudo este fenômeno da conservação da massa e quais suas conclusões?
  8. 8. Antoine Laurent Lavoisier - França (1743 – 1794) Na natureza nada se cria, nada se A soma das massas dos perde, tudo se transforma reagentes é igual à soma das massas dos produtos de uma reação - Lei de Conservação das Massasm(inicio) = m(final) Lavoisier, o pai da Química moderna, foi acussado de Sistema fechado corrupção pela Revolução Francessa e guilhotinado.
  9. 9. Balanço de Massa DefiniçõesClassificação dos Processos (em relação ao modooperacional):Processo Contínuo – um processo no qual a massa dealimentação e os produtos fluem continuamenteenquanto dura o processo.1. Processo Descontínuo (Batelada) - um processo noqual a massa não é adicionada nem removida doprocesso durante a sua operação2. Processo Semi-contínuo - um processo no qual háentrada de massa, mas o produto não é removidodurante o a operação (ou vice-versa) 9
  10. 10. Balanço de Massa DefiniçõesClassificação dos Processos (em relação a variaçãocom o tempo):1. Processos em Estado estacionário (ou regimepermanente) - operação de um processo no qual todasas condições (por ex., temperatura, pressão, quantidadede massa, vazões, etc) são mantidas constantes comotempo2. Processo em Estado Transiente (ou nãopermanente) - operação de um processo no qual umaou mais das condições (por ex.,temperatura, pressão,quantidade de massa, vazões, etc) variam com o tempo 10
  11. 11. Balanço de Massa DefiniçõesPerguntas:1. Os processos contínuos são transientes (nãopermanentes) ou estacionários (permanentes) ?2. E os processos descontínuos ? 11
  12. 12. Balanço de Massa DefiniçõesResposta:1. Os processos contínuos podem ocorrer tanto emregime transiente como permanente. 12
  13. 13. Balanço de Massa DefiniçõesResposta:2. Os processos descontínuos (batelada) e semi-contínuos são transientes (não permanentes), já quehá alterações das variáveis ao longo do tempo. VálvulaT=0 T=1 fechadaC0 C1P0 P1T0 T1V0 V1 13
  14. 14. Indústria Química Balanço Massa e Energia1) Classifique os seguintes sistemas quanto a: (a) aberto, (b)fechado e (c) ambos:a) Tanque de armazenagem de óleo em uma refinaria (c)b) Tanque de água para descarga em um vaso sanitário (cheio e fora de uso) (b)c) Tanque de água para descarga em um vaso sanitário (vazio e enchendo) (a)d) Tanque de água para descarga em um vaso sanitário (em funcionamento). (a)e) Conversor catalítico em um automóvel (em funcionamento)(a)f) Caldeira a gás em uma indústria (em funcionamento). (a) 14
  15. 15. Indústria Química Balanço Massa e Energia2) Classifique os seguintes processos como: (a) batelada, (b)semibatelada e (c) nenhum dos doisa) A seção de um rio entre duas pontes (c)b) Um aquecedor de água doméstico (b)c) Uma reação conduzida em um Becker (a)d) A preparação de uma feijoada numa panela de pressão (a)e) Água fervendo uma panela sobre o fogão (b) 15
  16. 16. Balanço de Massa Equação Geral Entradas Saídas Salário: R$ 1.000,00 Gastos: R$ 700,00 Loteria: R$ 400,00 Perdas: R$ 200,00 Saldo acumulado R$ 500,00Saldo Acumulado mês = R$ entra mês – R$ sai mês Rentabilidade de Investimento = geração Inflação da moeda = consumo 16
  17. 17. Balanço de Massa Equação Geral Entrada SaídaAcúmulo Geração Consumo de de de de de massa massa massa massa massa dentro = nos - nos + dentro - dentro limites limites do do do do dosistema sistema sistema sistema sistema Vazões de Vazões entrada • Acumulado de (fluxo) saída • Reagido (reação) Sistema (limites) ACÚMULO = ENTRADA – SAÍDA + GERADO - CONSUMIDO 17
  18. 18. Balanço de Massa Sistemas - Classificação• Quanto ao fluxo de matéria através dasfronteiras do sistema• Quanto a variação das variáveis nosistema ao longo do tempo• Quanto ao número de componentesparticipantes do sistema 18
  19. 19. Balanço de Massa Sistemas Tanque de água Superfície do sistema 1000 kg de H2OSistema fechado (1 componente) 19
  20. 20. Balanço de Massa Sistemas Tanque de água com vazões iguais de entrada e saída Superfície100 kg de do sistemaH2O / min 1000 kg 100 kg de de H2O H2O / min Sistema aberto em regime permanente (1 componente) 20
  21. 21. Balanço de Massa SistemasTanque de água com vazão de saída menor que vazão de entrada Superfície 100 kg de do sistema H2O / minAcúmulo: aumento oudiminuição da massa 1000 kg 90 kg dedo sistema (em massa de H2O H2O / minou moles). Sistema aberto em regime não permanente (transiente) com acúmulo positivo (t=0 min, 1 componente) 21
  22. 22. Balanço de Massa SistemasTanque de água com vazão de saída menor que vazão de entrada Superfície100 kg de do sistemaH2O / min 1500 kg de H2O 90 kg de H2O / minSistema aberto em regime não permanente (transiente) com acúmulo positivo (t=50 min, 1 componente) 22
  23. 23. Balanço de Massa Sistemas Tanque de água com vazão de saída maior que vazão de entrada Superfície 90 kg de do sistema H2O / minAcúmulo: aumento oudiminuição da massa 1000 kg 100 kg dedo sistema (em massa de H2O H2O / minou moles). Sistema aberto em regime não permanente (transiente) com acúmulo negativo (t=0 min, 1 componente) 23
  24. 24. Balanço de Massa SistemasTanque de água com vazão de saída maior que vazão de entrada Superfície90 kg de do sistemaH2O / min 100 kg de 500 kg de H2O / min H 2OSistema aberto em regime não permanente (transiente) com acúmulo negativo (t=50 min, 1 componente) 24
  25. 25. Balanço de Massa Sistemas Tanque de mistura com vazão de saída = entrada Superfície do sistema Comp. Fração100 kg de mássicasol. / min H2O Xa Comp. Fração Sacarose Xs mássica 1000 kg de 100 kg de H2O 0,50 água sol. / minSacarose 0,50 Sistema aberto em regime não permanente (transiente) (2 componentes) 25
  26. 26. Balanço de Massa SimplificaçõesO Balanço Material pode ser aplicado a:1. sistemas abertos ou fechados,2. em regime permanente ou transiente,3. com ou sem reação química,4. sistemas de 1 ou + componentes. 26
  27. 27. Balanço de Massa Aberto - com reação Entrada SaídaAcúmulo Geração Consumo de de de de de massa massa massa massa massa dentro = nos - nos + dentro - dentro limites limites do do do do dosistema sistema sistema sistema sistema Vazões de Vazões Sistema de entrada aberto com saída reação química ACÚMULO = ENTRADA – SAÍDA + GERADO - CONSUMIDO 27
  28. 28. Balanço de Massa Aberto - sem reação Entrada SaídaAcúmulo Geração Consumo de de de de de massa massa massa massa massa dentro = nos - nos + dentro - dentro limites limites do do do do dosistema sistema sistema sistema sistema Vazões de 0 Vazões 0 entrada Sistema de aberto sem saída reação química ACÚMULO = ENTRADA – SAÍDA 28
  29. 29. Balanço de Massa Fechado - com reação Entrada SaídaAcúmulo Geração Consumo de de de de de massa massa massa massa massa dentro = nos - nos + dentro - dentro limites limites do do do do dosistema sistema sistema sistema sistema 0 0 Sistema fechado (Batelada) com reação química ACÚMULO = (GERADO – CONSUMIDO) ou (REAGIDO) 29
  30. 30. Balanço de Massa Fechado - sem reação Entrada SaídaAcúmulo Geração Consumo de de de de de massa massa massa massa massa dentro = nos - nos + dentro - dentro limites limites do do do do dosistema sistema sistema sistema sistema 0 0 Sistema fechado 0 0 (Batelada) sem reação química ACÚMULO = ZERO 30
  31. 31. Balanço de Massa Permanente – com reação Entrada Saída Acúmulo Geração Consumo de de de de de massa massa massa massa massa dentro = nos - nos + dentro - dentro limites limites do do do do do sistema sistema sistema sistema sistema Vazões0 de entrada Sistema Vazões de aberto com saída reação química 0 = ENTRADA – SAÍDA + GERADO - CONSUMIDO 31
  32. 32. Balanço de Massa Permanente – sem reação Entrada Saída Acúmulo Geração Consumo de de de de de massa massa massa massa massa dentro = nos - nos + dentro - dentro limites limites do do do do do sistema sistema sistema sistema sistema0 Vazões de entrada Sistema 0 0 Vazões de aberto sem saída reação química 0 = ENTRADA – SAÍDA  ENTRADA = SAÍDA 32
  33. 33. Balanço de Massa Transiente - com reação Entrada SaídaAcúmulo Geração Consumo de de de de de massa massa massa massa massa dentro = nos - nos + dentro - dentro limites limites do do do do dosistema sistema sistema sistema sistema Vazões de Vazões Sistema de entrada aberto com saída reação química ACÚMULO = ENTRADA – SAÍDA + GERADO - CONSUMIDO 33
  34. 34. Balanço de Massa Transiente - sem reação Entrada SaídaAcúmulo Geração Consumo de de de de de massa massa massa massa massa dentro = nos - nos + dentro - dentro limites limites do do do do dosistema sistema sistema sistema sistema Vazões de 0 Vazões 0 entrada Sistema de aberto sem saída reação química ACÚMULO = ENTRADA – SAÍDA 34
  35. 35. Balanço de Massa Exemplo Permanente sem reação Centrífuga SAÍDA DO ENTRADA DO GÁS LIMPO GÁS SUJO Produção:Alimentação: • 950 kg/h• 1.000 kg/h • sem poeira• 5% de poeira • Aberto SAÍDA DO PÓ • Permanente COLETADO • Sem reação Descarga (pó):ACÚMULO = ENTRADA – SAÍDA = 0 • 50 kg/h (5% de pó) ENTRADA = SAÍDA 35
  36. 36. Balanço de Massa Exemplo Permanente sem reaçãoAumento da concentração de NaOH de umfluxo diluído através da mistura com umfluxo de NaOH concentrado • Aberto • Permanente F2 = 1.000 kg/h F1 = 9.000 kg/h • Sem reaçãoACÚMULO = ENTRADA – SAÍDA = 0 Balanço F1 F2 Sai Ac (kg/h) P = 10.000 kg/h NaOH 450 500 950 0 H2O 8.550 500 9.050 0 Total 9.000 1.000 10.000 0 36
  37. 37. Balanço de Massa Exemplo: Permanente sem reação Para um regime permanente (estacionário) sem reação química (Acum. = 0), logo  Entra = Sai (Q1 + Q2 + Q3) = (Q4 + Q5 + Q6) Q3Q2 %A3 Q5 Q1 = Q1.xa1 + Q1.xb1%A2 %B3 %A5%B2 Entra Q2 = Q2.xa2 + Q2.xb2 %B5 Q3 = Q3.xa3 + Q3.xb3 Q4 = Q4.xa4 + Q4.xb4 Q6Q1 Sai Q5 = Q5.xa5 + Q5.xb5 Q4 %A6%A1 %A4 %B6 Q6 = Q6.xa6 + Q6.xb6%B1 %B4 37
  38. 38. Exercício de Aplicação 1Exemplo: uma solução a 50 mol % de etanol em água alimenta umacoluna de destilação com vazão constante para produzir um destiladocom 70 mol % de etanol e 1 mol % de resíduos. Sendo F a quantidadeem mol que alimenta a coluna em um dado intervalo de tempo e D e Ros números de mol de destilado e resíduos produzidos. Calcule osvalores de D e R. Passo-a-Passo• 1º. Fazer um fluxograma• 2º. Sistema aberto em regime permanente sem reação química• 3º. Eq. Geral : Acumulo = 0  Entra = Sai• 4º. Estabelecer : no. equações = no. Incógnitas (F, D e R)• 5º. Estabelecer uma base de cálculo• 6º. Resolver o sistema de equações 38
  39. 39. Resolução 1 condensador• F = alimentação – mol/t• D = destilado – mol/ t• R = resíduo – mol/ t Solução de C D=? água + etanol 70 mol % O L F U F=D+R N Solução de A água + etanol 50 mol % Solução de R=? água + etanol 1 mol % aquecedor 39
  40. 40. Resolução 1• Balanço material - Equações• F=D+R• F.xf = D.xd + R.xr, onde• xf, xd e xr = fração molar do etanol na alimentação, destilado e resíduo• xf = 0,5 : xd = 0,7 e xr = 0,01• Logo resolvendo o sistema teremos:• D = F . (xf – xr) / (xd – xr)• R = F . (xd – xf) / (xd – xr)• Para qualquer valor de F podemos substituir as incógnitas nas equações• F = 100 mol (base cálculo)  100 = D+ R ou R = (100 – D)• F.xf = D.xd + R.xr• 100 . 0,5 = 0,7 . D + 0,01. (100 – D)• D = 71 mol e R = 29 mol 40
  41. 41. Balanço de Massa Exemplo Permanente sem reaçãoPretende-se determinar a concentração de um fluído em cincoreatores que se encontram interligados, conforme a figura abaixo: Q55 Q15 C5 Q54 Q25 Q01 = 5 Q12 Q24 Q44 C1 C2 C4 C01 = 10 Q23 Q31 Q34 Q03 = 8 C3 C03 = 20 41
  42. 42. Balanço de Massa Exemplo Permanente sem reação Balanço no Reator 1: Q01.c01 + Q31.c3 = Q12.c1 + Q15.c1 Q15 C5Q01 = 5 Q12 C1 C2 C4c01 = 10 Q31 Q03 = 8 C3 c03 = 20 42
  43. 43. Balanço de Massa Exemplo Permanente sem reação Balanço no Reator 2: Q12.c1 = Q24.c2 + Q25.c2 + Q23.c2 C5 Q25Q01 = 5 Q12 Q24 C1 C2 C4c01 = 10 Q23 Q31 Q03 = 8 C3 c03 = 20 43
  44. 44. Balanço de Massa Exemplo Permanente sem reação Balanço no Reator 3: Q03.C03 + Q23.C2 = Q31.C3 + Q34.C3 C5Q01 = 5 C1 C2 C4C01 = 10 Q23 Q31 Q34 Q03 = 8 C3 C03 = 20 44
  45. 45. Balanço de Massa Exemplo Permanente sem reação Balanço no Reator 4: Q24.c2 + Q34.c3 + Q54.c5 = Q44.c4 C5 Q54 Q44Q01 = 5 Q24 C1 C2 C4c01 = 10 Q34 Q03 = 8 C3 c03 = 20 45
  46. 46. Balanço de Massa Exemplo Permanente sem reação Balanço no Reator 5: Q15.c1 + Q25.c2 = Q54.c5 + Q55.c5 Q44 Q15 C5 Q54 Q25Q01 = 5 C1 C2 C4c01 = 10 Q03 = 8 C3 c03 = 20 46
  47. 47. Balanço de Massa Exemplo Permanente sem reação Reunindo todas as equações num sistema, temos: ENTRADA = SAIDAReator 1: Q01.c01 + Q31.c3 = Q12.c1 + Q15.c1Reator 2: Q12.c1 = Q24.c2 + Q25.c2 + Q23.c2Reator 3: Q23.c2 + Q03.c03 = Q34.c3 + Q31.c3Reator 4: Q24.c2 + Q34.c3 + Q54.c5 = Q44.c4Reator 5: Q15.c1 + Q25.c2 = Q54.c5 + Q55.c5 47
  48. 48. Balanço de Massa Exemplo Permanente sem reação Q55 = 2 Q15 = 3 C5 Q54 = 2 Q25 = 1Q01 = 5 Q12 = 3 Q24 = 1 Q44 = 11 C1 C2 C4c01 = 10 Q23 = 1 Q31 = 1 Q34 = 8 Q03 = 8 C3 c03 = 20 48
  49. 49. Balanço de Massa Exemplo Permanente sem reação Reunindo todas as equações num sistema, temos: ENTRADA = SAIDAReator 1: 5.10 + 1.C3 = 3.C1 + 3.C1Reator 2: 3.C1 = 1.C2 + 1.C2 + 1.C2Reator 3: 1.C2 + 8.20 = 8.C3 + 1.C3Reator 4: 1.C2 + 8.C3 + 2.C5 = 11.C4Reator 5: 3.C1 + 1.C2 = 2.C5 + 2.C5 49
  50. 50. Balanço de Massa Exemplo Permanente sem reação Temos um sistema de equações com 5 incógnitas e 5 equações:Reator 1: - 6.C1 + C3 = - 50Reator 2: 3.C1 - 3.C2 = 0Reator 3: C2 - 9.C3 = - 160Reator 4: C2 + 8.C3 - 11.C4 + 2.C5 = 0Reator 5: 3.C1 + C2 - 4.C5 = 0 50
  51. 51. Balanço de Massa Exemplo Permanente sem reação Podemos rescrever as equações considerando todas as variáveisReator 1: - 6.C1 + 0.C2 + C3 + 0.C4 + 0.C5 = - 50Reator 2: 3.C1 - 3.C2 + 0.C3 + 0.C4 + 0.C5 = 0Reator 3: 0.C1 + C2 - 9.C3 + 0.C4 + 0.C5 = - 160Reator 4: 0.C1 + C2 + 8.C3 - 11.C4 + 2.C5 = 0Reator 5: 3.C1 + C2 + 0.C3 + 0.C4 - 4.C5 = 0 51
  52. 52. Balanço de Massa Exemplo Permanente sem reação Teremos uma matriz, pela álgebra linear: -6 0 1 0 0 -50 X = A-1.b 11.509 3 -3 0 0 0 0 11.509 A= 0 1 -9 0 0 b= -160 X = 19.057 0 1 8 -11 2 0 16.998 3 1 0 0 -4 0 11.509C1 = 11,509; C2 = 11,509; C3 = 19,057; C4 = 16,998; C5 = 11,509 52
  53. 53. Balanço de Massa Tipos de Balanço Qual a diferença ? 1. Balanços Diferenciais 2. Balanços Integrais:Nos nossos estudos estaremos sempre nos referindoa balanços diferenciais aplicados a processoscontínuos em estado estacionário e a balançosintegrais aplicados a processos em batelada entre osestados inicial e final. 53
  54. 54. Balanço de Massa Balanço Diferencial1. indicam o que esta acontecendo num dado sistema num dado instante.2. Cada termo representa uma taxa de fluxo de massa do(s) componentes(s). Ex: pessoas/ano, g CO2 / h, barris/dia, etc3. É usualmente aplicado a processos contínuos 54
  55. 55. Balanço de Massa Balanço DiferencialRegime Transiente - Componente “A”• acúmulo de massa = (dmA/dt).  relaciona a taxa deaumento (ou diminuição) de matéria com o tempo• fluxo entrada “A” = qAe (kg/s)• fluxo saida “A” = qAs (kg/s)• reação química “A” = rA (kg/s)  (taxa de consumo ougeração do componente)• a equação se transforma em: ACÚMULO = ENTRADA – SAÍDA + (REAGE) (dmA/dt) = qAe - qAs + rA 55
  56. 56. Balanço de Massa Balanço Integral1. indicam o que esta acontecendo entre dois instantes de tempo - t.2. Cada termo representa uma quantidade balanceada com sua respectiva unidade. Ex: g CO2, barris, etc3. É usualmente aplicado a processos descontínuos (batelada) – imediatadamente após entrada do reagente e imediatamente antes da saida do produto 56
  57. 57. Resolução de Problemas deBalanço de Massa 57
  58. 58. Balanço de Massa Passo-a-PassoBalanço de materiais - Técnica:1. Conhecer completamente do processo considerado;2. Esquematizar um fluxograma simplificado (vazões, pressões, temperaturas, concentrações, etc.);3. Analisar o fluxograma relacionando quantidades;4. Escolher um base de cálculo apropriada ao caso;5. Selecionar o sistema onde ocorre o processo ou a operação;6. Realizar o balanço através de equações que traduzam oproblema e obter um valor numérico para o caso emanálise. 58
  59. 59. Balanço de Massa ResoluçãoBalanço de materiais - Resolução• Balanço por equações: relações matemáticasonde o número de equações e o número deincógnitas deve ser igual;• Balanço por relação de quantidades:baseando-se em um reagente cuja quantidadeseja fixa e conhecida durante o processo. 59
  60. 60. Exercício de Aplicação 2Exemplo: um tanque de armazenamento de água quente de lavagensrecebe água de várias fontes. Em um dia de operação, 240m3 decondensados são enviados para este tanque, 80m3 de água quente comsoda vem direto do lavador e 130m3 são proveniente de um filtro rotativo.Durante este período, 300m3 são retirados para diversos usos, 5m3 sãoperdidos por evaporação e 1m3 por vazamento. A capacidade do tanqueé de 500m3 e, no início do dia, está cheio até a metade. Quanta águahaverá no tanque no final do dia? Passo-a-Passo• 1º. Fazer um fluxograma• 2º. Sistema aberto em regime transiente e sem reação química• 3º. Eq. Geral : Acumulo = Entra - Sai• 4º. Estabelecer uma base de cálculo• 5º. Estabelecer : no. equações = no. Incógnitas• 6º. Resolver o sistema de equações 60
  61. 61. Resolução 2 Água perdida por evaporação 5 m3 fronteiraCondensados do sistema 240 m3 Solução do Água paralavador 80 m3 consumo 300 m3 Água do Volume inicial defiltro rotativo água quente 250 m3 130 m3 Tanque de armazenamento com cap. 500 m3 Vazamento 1 m3 61
  62. 62. Resolução 2• Um tanque que recebe água de diferentes pontos, pode-se considerar uma composição uniforme, ignorando variações de temperaturas, densidades, pode-se dizer que as massas que entram e saem podem ser proporcionais aos volumes;• Base de cálculo : 1 dia de operação;• Sistema : o tanque e sua alimentação e descarga;• Balanço material total em torno do sistema:• entrada – saída = acúmulo• entrada = 240 + 80 + 130 = 450 m3• saída = 300 + 5 + 1 = 306 m3• Logo o acúmulo = 450 – 306 = 144 m3• Se o tanque inicia o dia com 250 m3 então o volume final no mesmo dia será: 250 + 144 = 394 m3• E a capacidade total do tanque é (394 500) x 100 = 79% 62
  63. 63. Exercício de Aplicação 3Exemplo: Estabelecer o balanço material para combustão de 650 kg/hde etanol, considerando a combustão com excesso de 30% de ar.Calcular a relação teórica “ar-combustível” e a composição percentual dafumaça resultante da combustão. Passo-a-Passo• 1º. Fazer um fluxograma• 2º. Sistema aberto em regime permanente com reação química• 3º. Eq. Geral : Acum. = 0  0 = Entra – Sai + Gerado - Consumido• 4º. Fazer a reação química e equilibrar• 5º. Escolher uma base de cálculo conveniente 63
  64. 64. Resolução 3 C2H5OH + 3 O2  2 CO2 + H2O • CO2 • H 2OEtanol = 650 • ar (excesso) kg / h Excesso de 30% de ar (O2 + N2) 64
  65. 65. Resolução 3• Eq. Reação:• C2H5OH + 3 O2  2 CO2 + H2O• 1 : 3  2 : 1• 46,07 g/mol : 96 g/mol  88,02 g/mol : 54,05 g/mol• Base de cálculo: 650 kg de etanol (1 hora)• (650/46,07).(96) = 1.345,5 kg de O2• Ar atmosférico (relação N2/O2):• 79% N2 + 21% O2  N2/O2 = 3,762 mol, que permite o cálculo de nitrogênio na massa de ar circulante:• 1.345,5 . 3,762 = 5.095,6 kg de N2• Considerando o excesso de 30% de ar, teremos:• (1.345,5 O2 + 5.095,6 N2) . 1,30 = 6.450,0 . 1,30 = 8.385,0 kg de ar• Relação teórica “ar-combustível”• Ar / C = (kg de ar) / (kg de combustível) = 8.385,0 / 650 = 12,90, ou seja: 12,90 kg de ar por kg de combustível 65
  66. 66. Resolução 3• Composição da fumaça• CO2: (650/46,07).(88,022) = 1.242,0 kg de CO2• H2O: (650/46,07).(54,05) = 762,5 kg de H2O• O2 – em excesso: (1.354,5 . 1,30 – 1.354,5) = 406,5 kg de O2• N2 – circulante: (5.095,6).1,30 = 6.624,28 kg de N2• Composição da fumaça (tabela): Kg % CO2 1.242,0 H2O 762,5 O2 (excesso) 406,35 N2 (excesso) 6.624,28 TOTAIS 9.035,13 100,00 66
  67. 67. Resolução 3• Resumo do Balanço Material: Produto Entrada Saída Etanol 650,00 - O2 (excesso) 1.760,85 406,35 N2 (excesso) 6.624,28 6.624,28 CO2 - 1.242,00 H2O - 762,50 TOTAIS 9.035,13 9.035,13 67
  68. 68. Balanço de Massa Glossário• Acúmulo: aumento ou diminuição da massa do sistema (emmassa ou moles).• Acúmulo negativo: diminuição da massa no sistema• Balanço material: equação do balanço de massa ou daconservação da massa• Balanço por componente: balanço material de uma substânciaquímica no sistema• Condição inicial: a quantidade de massa no processo no iníciodo processo• Condição final: a quantidade de massa no processo no final doprocesso 68
  69. 69. Balanço de Massa Glossário• Conservação da massa: a massa nunca é criada e nemdestruída (Princípio de Lavoisier)• Consumo: a diminuição da massa de um componente em umsistema devido a uma reação química• Entrada: massa que entra em um sistema• Geração: o surgimento de um componente em um sistemadevido a uma reação química• Processo batelada: um processo no qual a massa não éadicionada nem removida do processo durante a sua operação• Processo semi-batelada: um processo no qual há entrada demassa, mas o produto não é removido durante o a operação 69
  70. 70. Balanço de Massa Glossário• Saída: massa que deixa o sistema• Sistema: parte do processo global considerada para a análise. Éuma região limitada do espaço por uma superfície fictícia ou física• Superfície do sistema: superfície fechada que contéma parte doprocesso a ser analisada• Sistema aberto: aquele no qual massa atravessa a suasuperfície• Sistema fechado: aquele no qual massa não atravessa a suasuperfície• Vazão: quantidade de material que atravessa a superfície dosistema por unidade de tempo (por ex., kg/h, mols/h, L/min, etc)• Volume de controle: região do espaço no qual faremos obalanço de massa 70
  71. 71. Onde Estudar a Aula de Hoje• Princípios Elementares dos ProcessosQuímicos – Autor: Richard M. Felder (LTC)– cap. 4 a 6 (Fundamentos dos BM)• Estequiometria Industrial – Autor:Reynaldo Gomide (Cap. II – BalançosMateriais) – xerox (pg. 35 a 76) 71
  72. 72. Na Próxima Aula Veremos ... Processo Químico• Balanço de energia 72
  73. 73. Contato 73

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