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ia
Introdução à Engenharia QuímicaIntrodução à Engenharia Química
Professor:Professor: Francisco MouraFrancisco MouraBibliografia:Bibliografia: Himmelblau, David M. e Riggs, James B.; Engenharia Himmelblau, David M. e Riggs, James B.; Engenharia
Química - Princípios e Cálculos, 7Química - Princípios e Cálculos, 7aa ed., Editora LTC, 2006. ed., Editora LTC, 2006.
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ia2. Balanço Material2. Balanço Material Tipos de processos
Batelada: O sistema é carregado no início e descarregado após um tempo determinado para a execução do processo.
Contínuo: O fluxo de alimentação e descarga ocorrem simultaneamente.
Semi-contínuo: O processo ocorre como se fosse contínuo, mas com alimentação e descarga intermitentes.
Os processos, ainda podem ser de:
Regime estacionário (permanente): Os valores dos parâmetros do processo (temperatura, pressão, volume, vazões, concentrações) não variam com o tempo (exceto por possíveis flutuações em torno de um valor médio).
Regime não estacionário (transiente): Neste caso, os parâmetros de processo variam com o tempo.
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ia2. Balanço Material2. Balanço Material
Equação geral do balanço molar
Entrada(Alimentação)
Geração(Produzido dentro
do sistema)
Saída(Descarga)
Consumo(dentro
do sistema)
Acúmulo(dentro
do sistema)+ - - =
Ex: Todo ano 50000 pessoas mudam para uma determinada cidade, 75000 saem para outras cidades, 22000 nascem e 19000 morrem. Escrever o balanço populacional.
Entrada Geração Saída Consumo Acúmulo+ - - =
50000 /ano 22000 /ano 75000 /ano 19000 /ano A /ano+ - - =
A = -22000 /ano (Todo ano a população decresce em 22000 pessoas)
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ia2. Balanço Material2. Balanço Material
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Balanço do Benzeno: 500 kg B/h = 450 kg B/h + m2 m2 = 50 kg B/h
Balanço Tolueno: 500 kg T/h = m1 + 475 kg T/h m1 = 25 kg T/h
Conferindo os cálculos:
Balanço de Massa Total: 1000 kg/h = 450 + m1 + m2 + 475 (kg/h)
m1 = 25 kg T/h e m2 = 50 kg/h
1000 kg/h = 1000 kg/h
2. Balanço Material2. Balanço Material
Ex: Processo de destilação.
Entrada Geração Saída Consumo Acúmulo+ - - =0 0 0
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ia2. Balanço Material2. Balanço Material
Problemas com soluções diretas
Problemas em que uma massa e uma composição não são conhecidas podem ser resolvidos diretamente por simples adições e subtrações.Ex: Combustão.
Aparelho de Orsat
- Gases da Chaminé (base úmida)
CO2
COO2
N2
SO2
H2O
Análise de Orsat ou base seca
- Ar em excesso: Quando se deseja combustão (O2 de excesso) completa (CO2 e H2O)
100excessoOentadolimaO
excessoOexcessoar%
100requeridoO
requeridoOentadolimaOexcessoar%
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Suponha que você está queimando gás natural (100% de CH4) em um aquecedor doméstico com 130% de ar em excesso. Qual a composição do gás de chaminé.
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
Base de cálculo: 1 mol de CH4
- Quantidade de ar requerido (teórico):
2
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Ndesãomoles52,7
ardemoles52,9Omoles21,0
ardemol1Odemoles2
- Quantidade de ar de excesso:)Ndemoles78,9eOdemoles60,2(
ardemoles38,1230,1ardemoles52,9
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2. Balanço Material2. Balanço Material
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ia2. Balanço Material2. Balanço Material
Resumo: ar O2 N2
Requerido 9,52 2 7,52
Excesso 12,38 2,60 9,78
Composição Gases da Chaminé:
Espécie Moles %
CH4 0 0
CO2 1 4,4
H2O 2 8,7
O2 2,6 11,3
N2
7,5275,6
9,78
Total 22,9 100
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ia2. Balanço Material2. Balanço Material
Ex: SecagemUma polpa de celulose tem 71% de água. Após a secagem 60% da água original foi removida.-Qual a composição da polpa de celulose seca?-Qual a massa de água removida por kg de polpa úmida?
Base de cálculo: 1kg de polpa de celulose úmida
Massa de água removida: 0,6.0,71kg = 0,43kg/kg de polpa úmida
Massa de água não removida: 0,71kg – 0,43kg = 0,28kg/kg de polpa úmida
Composição da polpa que passou pelo processo de secagem:
kg %
Celulose 0,29 50,9
Água 0,28 49,1
Total 0,57 100
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ia2. Balanço Material2. Balanço Material
Balanço material usando técnicas algébricas
Neste caso, o balanço material pode levar a um conjunto de equações lineares, que pode ser solucionado por substituições. Se o número de equações for muito grande pode se utilizar métodos numéricos (método da triangularização de Gauss).
Ex: Destilação - Para o processo esquematizado abaixo, calcule:- Libras de destilado por libras alimentadas e- Libras do destilado por libras de perdas.
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ia2. Balanço Material2. Balanço Material
Base de cálculo: 1lb de alimentação
- Balanço total: 1 = D + P
- Balanço do etanol: 1.0,35 = D.0,85 + P.0,05
- Balanço da água: 1.0,65 = D.0,15 + P.0,95
Substituindo tem-se: D = 0,375lb/lb alimentada
e P = 0,625lb/lb alimentada
perdasdelb
destiladodelb6,0
625,0
375,0
P
D
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ia2. Balanço Material2. Balanço Material
Problemas envolvendo componentes de amarração
Um componente de amarração é o material que vai de uma corrente (fluxo) para outra sem qualquer variação na massa.
Ex: No processamento do peixe, após a extração do óleo, ele é secado em um equipamento rotatório, moído e acondicionado.
Calcular a massa alimentada no secador.
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ia2. Balanço Material2. Balanço Material
Base de cálculo: 100lb de água evaporada
- Balanço total: A = B + 100
- Balanço da massa seca: A.0,20 = B.0,60
assim, A3
1
60,0
A20,0B
inicialmassalb150evapágualb7,66
.evapágualb100inicialmassalb100
Substituindo no balanço total: A=150 lb de massa inicial
Resolvendo o problema usando o componente de amarração.
Colocando na base de 100lb de água evaporada:
inicialmassalb100
.evapáguadelb7,663,33100evaporadaáguademassa
inicialmassalb100
finalmassalb3,33
asecmassalb60
finalmassalb100
inicialmassalb100
asecmassalb20
Base de cálculo: 100lb de massa inicial
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ia2. Balanço Material2. Balanço Material
Ex: Combustão – Incinerador catalítico
Para o processo esquematizado abaixo, calcule: a) Determinar quantos lb-mol de gás de combustão seco são
produzidos por 100lb de efluenteb) Qual foi a percentagem de ar em excesso.
Base de cálculo: 100lb-mol de GCS:
Base de cálculo: 100lb de efluente:
Clb161Cmollb1
Clb12Cmollb4,13
Cmollb331,7Clb12
Cmollb1Clb88
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ia2. Balanço Material2. Balanço Material
Resolvendo o problema usando a solução algébrica
x = lb efluentey = lb-mol GCSz = lb-mol arw = lb-mol H2O
Base de cálculo: x = 100lb efluente
- Balanço total:
- Balanço por componentes:
w18y3,30z29100
Cmollb1
Clb12
GCSmollb1
Cmollb134,0GCSmollby88,0100
C:
H2:2
2
2
22 Hmollb1
Hlb2
OHmollb1
Hmollb1OHmollbw12,0100
N2:
O2:
y83,0z79,0
GCSmollb1
Omollb)134,0036,0(GCSmollby
OHmollb1
Omollb5,0OHmollbwz21,0 2
2
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Obs.: os componentes de amarração envolve somente duas correntes.
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ia2. Balanço Material2. Balanço Material
Assim: GCSmollb6,5412134,0
88,0100y
armollb5,576,5479,0
83,0z
4,1910097,11,12
97,1excessoar%
100excessoOentadolimaO
excessoOexcessoar%
22
2
Cálculo do percentual de ar em excesso:
O2 alimentado = 57,5.0,21 = 12,1lb-mol
O2 excesso = 0,036.54,6 = 1,97lb-mol
(a)
(b)
Extra:efluentelb100
OHmollb6
2
12,0100w 2
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Resolvendo o problema usando os componentes de amarração.
efluentelb100
GSCmollb6,54
efluentelb100
Clb88
Clb161
GSCmollb100
efluentelb100
GSCmollb6,54
efluentelb100
Cmollb33,7
Cmollb4,13
GSCmollb100
GCSmollb100
Omollb1,22
Nmollb79
Omollb21
GCSmollb100
Nmollb83 2
2
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ou
(a)
(b)
4,191006,31,22
6,3excessoar%
100excessoOentadolimaO
excessoOexcessoar%
22
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2. Balanço Material2. Balanço Material
Extra:efluentelb100
OHmollb6
Hlb2
OHmollb1
efluentelb100
Hlb12 2
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ia2. Balanço Material2. Balanço Material
Cálculos de reciclo, derivação (bypass) e purga
Reciclo: Parte do fluxo de saída (reagente com suficiente concentração para ser reaproveitado) que volta para a entrada do processo.
Bypass: Fluxo que é desviado de um ou mais estágios do processo passando diretamente para um outro estágio.
Purga: fluxo sangrado para remover acúmulos de inertes ou materiais indesejados que poderiam atrapalhar o processo.
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ia Ex: Um reator de síntese de amônia opera segundo a reação,
N2(g) + 3H2(g) = 2NH3(g)
Supondo que a alimentação seja estequiométrica e que a conversão seja de 25%, calcular o fluxo molar de reciclo e de amônia.
2. Balanço Material2. Balanço Material
Em 1908, Haber e Le Rossignol projetaram, construíram um equipamento em que uma mistura gasosa de nitrogênio e hidrogênio a 200 atm era introduzida em um reator de síntese de amônia. Após a reação a corrente de saída passava por um separador onde a amônia era liquefeita e separada e os gases que não reagiram era reciclado para o reator.
hkmol3R75,0)R1(R
hkmol2P225,0)R1(P
Cálculo do reciclo:
Produção de amônia:
Base de cálculo: 1 kmol de N2
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Tempo Entrada Reciclo Saída[hora] N2 [kmol/h] H2 [kmol/h] Tot [kmol/h] N2 [kmol/h] H2 [kmol/h] Tot [kmol/h] NH3 [kmol/h]
1 1.00 3.00 4.00 0.75 2.25 3.00 0.502 1.75 5.25 7.00 1.31 3.94 5.25 0.883 2.31 6.94 9.25 1.73 5.20 6.94 1.164 2.73 8.20 10.94 2.05 6.15 8.20 1.375 3.05 9.15 12.20 2.29 6.86 9.15 1.536 3.29 9.86 13.15 2.47 7.40 9.86 1.647 3.47 10.40 13.86 2.60 7.80 10.40 1.738 3.60 10.80 14.40 2.70 8.10 10.80 1.809 3.70 11.10 14.80 2.77 8.32 11.10 1.85
10 3.77 11.32 15.10 2.83 8.49 11.32 1.8911 3.83 11.49 15.32 2.87 8.62 11.49 1.9212 3.87 11.62 15.49 2.90 8.71 11.62 1.9413 3.90 11.71 15.62 2.93 8.79 11.71 1.9514 3.93 11.79 15.71 2.95 8.84 11.79 1.9615 3.95 11.84 15.79 2.96 8.88 11.84 1.9716 3.96 11.88 15.84 2.97 8.91 11.88 1.9817 3.97 11.91 15.88 2.98 8.93 11.91 1.9818 3.98 11.93 15.91 2.98 8.95 11.93 1.9919 3.98 11.95 15.93 2.99 8.96 11.95 1.9920 3.99 11.96 15.95 2.99 8.97 11.96 1.9921 3.99 11.97 15.96 2.99 8.98 11.97 2.0022 3.99 11.98 15.97 2.99 8.98 11.98 2.0023 3.99 11.98 15.98 3.00 8.99 11.98 2.0024 4.00 11.99 15.98 3.00 8.99 11.99 2.0025 4.00 11.99 15.99 3.00 8.99 11.99 2.0026 4.00 11.99 15.99 3.00 8.99 11.99 2.0027 4.00 11.99 15.99 3.00 9.00 11.99 2.0028 4.00 12.00 15.99 3.00 9.00 12.00 2.0029 4.00 12.00 16.00 3.00 9.00 12.00 2.0030 4.00 12.00 16.00 3.00 9.00 12.00 2.00
2. Balanço Material2. Balanço Material