03_OpUnit_Balanço_Material_2012

8/2/2019 03_OpUnit_Balano_Material_2012

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Balano MaterialBalano material em processos que no envolveme que envolvem reaes qumica. Dicas e sugestes

para balano material. Estado estacionrio

OPERAES UNITRIAS I

Prof. Cssio Lus Fernandes de Oliveira


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INTRODUO

Balano de massa e energia identificam os fluxos dematerial e energia envolvidas no processo de produo.

AUXILIAM NA IDENTIFICAO DOS PRINCIPAIS LOCAISDE GERAO DE RESDUOS E DESPERDCIO,Onde

PODE-SE PROPOR FORMAS DE MINIMIZ-LOS

PERMITE DETERMINAR A EFICINCIA E APRODUTIVIDADE DE UM PROCESSO


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INTRODUO

O BALANO DE MASSA E DE ENERGIA OBEDECEMO PRINCPIO DA CONSERVAO:

NADA SE PERDE, NADA SE CRIA, TUDO SETRANSFORMA

Se no h acmulo (armazenamento) deenergia ou de massa, o que entra em um

processo deve sair.


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OPERAO UNITRIA

PROCESSO OUEMPRESAMateriais armazenados

Energia armazenada

Matrias primas

Energia

Total de produtosTotal de resduos

Total de energianos produtos

Total de energianos resduos

Total de energia perdidapara vizinhana

Em qualquer unidade de produo, o balano demassa e energia pode ser representado por:


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Balano material em processos queno envolvem reaes qumicas

Alguns processos qumicos no envolvem reaes qumicas, massomente clculos de material que entra, que sai e que se acumula.

Em outros processos h reaes qumicas e o balano de materialdeve levar em conta estas reaes e portanto necessrio o seu

conhecimento prvio.

Exemplos de processos que no envolvem reaes qumicas:a) Secagemb) Misturas

c) Destilao

d) Moagem, etc


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Exemplo de um processo de secagem e o balano material:

1) Deseja-se secar um slido com 25% de umidade em peso, em secadorcontnuo.

O produto deve sair com 8% de umidade final. A carga inicial de 850

kg/hora.Questes:

a) Qual a quantidade de produto deve sair em kg/hora do secador.b) Qual a quantidade de gua (kg) a ser retirada (removida) por hora?

Material asecar com 25%

de umidade

Ar quente

Material seco com

8% de umidade


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Resolvendo

O slido completamente seco possui 75% da massa doproduto na entrada do secador

Para que o slido na sada tenha 8% de umidade, ele tem que ter

a massa seca (637,5 kg) mais uma quantidade de gua que tercerta massa (mcom 8%) tal que, 92% dela de slido seco:

A quantidade de gua a ser removida por hora :

DEVE SAIR DO

SECADOR POR HORA


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Exemplo de um processo de mistura de leos:

2) Um processo industrial de produo de leos lubrificantes recebe deum depsito, um certo tipo de leo grau A.P.I. 30 razo de 300

kg/min. De um segundo depsito, outro tipo de leo de grau A.P.I. 10 razo de 150 kg/min.Os dois leos, ao se misturarem em um homogeneizador provoca a

formao de gomas na base de 8% em peso dos componentes. Aps ahomogeneizao, a mistura de leos centrifugada para separao da

goma e do leo.a) Fazer um esquema (diagrama de bloco para o processo)

b) Estabelecer um balano material de produo por hora para esteprocesso qumico.


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Resoluo

Misturador

leo com API30

leo com API10

Centrfuga

Gomaleo

homogeneizado

a) Diagrama de blocos (esquema)


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ResoluoComo o balano deve ser feito por hora, a massa quecada um dos leos entra no homogeneizador ser:

Na homogeneizao teremos ento, por hora, a mistura de:

Mas dessa massa, 8% de gomas, ou seja:

E de leo ser:


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Exemplo de um processo de destilao:

3) Em um processo industrial, deseja-se proceder destilao paraseparar mistura de acetona e gua. A mistura a destilar alimentada

na coluna retificadora com concentrao de 15 mol% de acetona (F).Deseja-se obter um produto destilado (D) com concentrao de 98mol% em acetona e um resduo (W) com a concentrao mxima de 3mol% em acetona. A coluna retificadora alimentada razo de 1250

kmol/hora.a) Fazer um fluxograma deste processo

b) Calcular o balano material da produo (inclusive o resduo)

Antes de fazer o exerccio, faa os clculos que quantos kmol tem deacetona e de gua na alimentao (F), por hora e qual a massa de

gua e acetona na alimentao em kg


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Resoluoa) fluxograma

Coluna dedestilao

Conden-sador

Resduo (W)

Destilado (D)Alimentao (F)15mol% de acetona 98mol% de acetona

3mol% de acetona


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ResoluoF = alimentao (alimentado), D = destilado e W = resduokmol/h

Pela conservao da matria, tudo que entra (F) deve sair comodestilado (D) e resduo (W)

Ento:

Se, xF, xD e xWso as fraes molares de acetona no alimentado, destilado e resduo,respectivamente, ento, a quantidade de matria de acetona que entra (alimentao),

no destilado e no resduo ser, respectivamente:

Pelo princpio da conservao:

Ou seja:

Como, W=F-D, ento:

Ento: Como F=1250kmol, xF=0,15, xD=0,98 e xW=0,03,ento


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Exemplo de aplicao de balano de massa em uma usina aucareira

Em uma aucareira, procede-se a moagem de cana BC-47. A referidacana apresenta, na safra, um teor mdio de 80,60% de caldo com

Grau Brix 18. Na moagem, observa-se um rendimento de 97,5% emremoo de caldo. A usina tem capacidade de moagem de 25toneladas por hora com 24 horas/dia de trabalho na safra.

a) Estabelecer o balano material de produo de acar por 24

horas (quantidade de acar, caldo, bagao e gua)

Obs: Cana com Grau Brix 18 no seu caldosignifica caldo com 18% de acares


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ResoluoMoagem 24 h =

Cana com 80,60% de caldo -Como o rendimento da moagem 97,5% ento a quantidade de caldo

obtida ser de:

A quantidade de bagao seco ser de:

A quantidade de caldo quefica no bagao ser:

A quantidade debagao mido ser de:

Quantidade de acarproduzido por dia:

Quantidade de acar

perdido no bagao por dia:


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Balano material em processos queenvolvem reaes qumicas

Vrios balanos materiais s podem ser solucionados quando seconhece as reaes qumicas que so envolvidas no processo.

Os clculos que envolvem o balano material que envolvemreaes qumicas esto baseados na estequiometria da(s)

reao(es) e a unidade empregada mol, kmol, gramas, kg ou

toneladas.


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Exerccio: Estabelecer o balano material para a combustode 650 kg de etanol (lcool etlico), considerando oxignio

puro e ar atmosfrico.Calcular a relao terica ar/combustvel e a composio

percentual da fumaa resultante da combusto com 30% deexcesso de ar terico.

Obs:A quantidade mnima de ar que fornece oxignio a uma reaocompleta de combusto denominada de ar terico. Quando a quantidade

de ar terico exata, o produto resultante da reao no contm oxignio;caso contrrio a combusto oxidante e h excesso de oxignio.

Na prtica sempre usa-se um excesso de ar, assim uma combusto com

excesso de 40% de ar significa que foram fornecidos 40% de ar alm doteoricamente necessrio


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Resoluo

1. Passo: escrever a reao de combusto.

2. Passo: acertar a estequimetria:

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3. Passo: as quantidades em mols de cada um dos componentes (reag.e prod.) equivale a quanto em unidade de massa (g ou kg)?

Para responder a essa pergunta recorremos massa molar (MM) decada um deles a partir das massa atmicas do:

Carbono (C=12 kg/kmol) Hidrognio (H=1 kg/kmol)

Oxignio (O=16 kg/kmol)


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Resoluo

MM(CH3CH2OH)=

MM(O2)=

MM(CO2)=

MM(H2O)=

Como na reao 1 kmol de etanol reage com 3 de oxignio e produz 2de gs carbnico e 3 de gua teremos em massa as quantidades:

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Resoluo

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Se temos a combusto de 650 kg de etanol, ento teremosque montar as seguintes regras de trs:

650 kg x y z

Se quero saber quanto de oxignio (ar puro) deve ser fornecido:

1.356,52 kg de ar puro so usados paracombusto de 650 kg de etanol


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ResoluoE quanto de ar atmosfrico?

sabido que na atmosfera temos: 78,1% de N2

, 20,9% de O2

, 0,9% deAr e menos que 0,1% de CO2.

Ou seja, praticamente temos somente N2 (79%) e O2(21%).

Te tivermos 100 kg de ar, ento teremos 79 kg de N2 e 21 kg de O2, ouseja teremos: 2,79 kmol de N2 e 0,66 kmol de O2.

Isso resulta em uma relao em massa de N2/O2 no ar seco de

Ou se j, se h consumo de 1.356,52 kg de O2

, ento a quantidade deN2 seria :

A quantidade de ar seria ento:

B l i l


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Estabelecer o balano material para acombusto exibida no exerccio anterior mas

com excesso de 30% em ar.Inclusive a composio da fumaa eapresentar um resumo do balano de massa


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Resoluo

Usando os dados e resultados obtidos no item anterior.

temos que calcular o balano com excesso de 30%Qual seria a quantidade de ar a ser fornecida?

Se para combusto completa dos 650 kg de etanol necessrio

6.459,75 kg de ar, com 30% a mais a massa de ar seria:

A relao terica ar/combustvel seria ento:


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ResoluoE a composio da fumaa (CO2, H2O, N2 e O2)?

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650 kg mO2 mCO2 mH2O

a) Gs carbnico:

b) gua:

650 kg mO2 mCO2 mH2O


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ResoluoE a composio da fumaa (CO2, H2O, N2 e O2)?

c) Oxignio em excesso:Na combusto entra 30% a mais de ar que aquele necessrio (se

no tivesse excesso no haveria oxignio na fumaa).A massa de ar excessiva ser:

Mas que contm apenas 21% de oxignio, ento a massa deoxignio na fumaa ser:

d) nitrognio:O nitrognio no reage, ento o que entra sai. Como a massa total de

ar (contando o excesso) de 8.397,68 kg e nesse ar tem 79% denitrognio, na fumaa sai ento:


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ResoluoE a composio percentual da fumaa?

Componente da

fumaaMassa, kg

Composio em

percentagem, %

CO2 1.243,49 13,74

H2O 763,04 8,43

O2 (excesso) 406,97 4,50

N2 6.634,17 73,33

TOTAL 9.047,66 100

l


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ResoluoResumo do balano de massa

Componente Massa de entrada, kg Massa de sada, kg

Etanol 650 0

CO2 0 1.243,5

H2O 0 763,0

O2 1.763,5 407,0

N2 6.634,2 6.634,2

TOTAL 9.047,7 9.047,7


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Balano materialDICAS PARA BALANO MATERIAL

Em um Balano Material, no se deve confundir

massa com volume, pois as massas especficas

dos produtos so diferentes.

Um balano material dever ser realizado sempre

em quantidade de matria (mol, kmol) ou emmassa, pois amassa ou qdade de matria de um certo produto

que entra em um sistema, mesmoque transformada em outros produtos, sempre

ser a mesma que est saindo deste sistema,

enquanto os volumes sofrem variao conforme

a densidade de cada produto

S t b l d


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Sugestes para um balano demassa e energtico

Como regra geral, antes de iniciar clculos que evolvambalanos mssicos e/ou balanos energticos, deve-se:a) transformar todas as vazes volumtricas em vazes mssicas, pois o balano deve

ser realizado sempre em massa, uma vez que a vazo em massa no varia com atemperatura.

b) faa um esquema simplificado do processo em que sero realizados os balanos;

c) identifique com smbolos, as vazes e as composies de todas as correntesenvolvidas nos processos em que esto sendo realizados os balanos;

d) anote, no esquema simplificado de processo, todos os dados de processo disponveiscomo vazes, composies, temperaturas, presses, etc;

e) verificar que composies so conhecidas ou podem ser calculadas;f) verificar quais vazes mssicas so conhecidas ou podem ser calculadas;

g) selecionar a base de clculo conveniente a ser adotada para o incio da resoluodo roblema.


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Estado Estacionrio

Uma operao unitria considerada em ESTADOESTACIONRIO com respeito a uma varivel operacional(massa, volume, temperatura, etc.) quando esta varivel

no se altera com o tempo.

O volumeou a

massa que

entra notambor amesmaquesai

A massa ou o volumedentro do tambor no

muda com o tempo(estado estacionrio)


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Questes

Considerando os conceitos de balano de massa, julgue como falsa ouverdadeira as assertivas a seguir:

I. Um sistema em estado estacionrio aquele em que as quantidades e

as condies operacionais no variam com o tempo.

II. Um balano total de massa analisa um s componente ou espcie

qumica. O balano pode indistintamente ser formulado em massa ou

moles.

III. Um balano de massa sempre satisfaz a lei universal de conservaoda massa.

IV. Para sistemas sem reao qumica e estado no estacionrio, o

balano de massa adota a seguinte forma escrita: acmulo de massa no

sistema = massa que entra ao sistema + massa que sai do sistema.


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FIM

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