Previously for Chemical Engineering sophomores...

- Conversão de unidades: uso de fatores de conversão

- Homogeneidade dimensional: consistência algébrica das

unidades de uma equação

- Grandezas Adimensionais: Grandezas sem unidades

- Trabalhando com algarismos significativos

- Variáveis de Processo:

densidade

volume específico

vazão

composição química

volume

composição química e concentração

temperatura

pressão

Análise de processos químicos (relembrando)

CALCULAR QUANTIDADES E PROPRIEDADES DE PRODUTO

PARTINDO DAS QUANTIDADES E PROPRIEDADE DE MATÉRIA-PRIMA

OU VICE-VERSA

- Variáveis de Processo- Conservação de massa- Conservação de energia- Termodinâmica

abordagem sistemática

- Solução dos problemas (aqui e no dia-a-dia)

Balanço de massa (ou material)

- Baseado no princípio da conservação das massas (Lavoisier)

- Relaciona as quantidades de massa envolvidas em um processo através da contabilidade das massas e de cada componente

- Uma das atribuições vitais da Engenharia Química, pois os balanços de massa fazem parte dos modelos de todos equipamentos e de todos processos.

Balanço de massa (ou material)

SISTEMAReações Químicas

Fluxo

Massa

Fluxo

Massa

Fluxo

Fluxos ou Correntes: responsáveis pela entrada e saída de matéria (massa) no sistema

Reações Químicas: responsáveis pela geração e consumo deespécies químicas com ou sem variação de energia.

Mecanismos responsáveis pela variação da massa no interior dos sistemas: Fluxos e Reações Químicas.

Balanço de massa (ou material)

SISTEMAReações Químicas

Fluxo

Massa

Fluxo

Massa

Fluxo

Forma Geral do balanço da quantidade G (massa):

Taxa de Acumulação =

de G

Taxa de Taxa de Entrada - Saída de G de G

Taxa de Taxa de+ Geração - Consumo de G de G

Fluxos Reações

(Taxa: quantidade de G por unidade de tempo)

SAI = ENTRA + REAGE – ACUMULAqAs = qAe + rA - dmA/dt

vazão de saída de A

vazão de entrada de A

taxa de consumoou geração de A

taxa de acumu-lação de A

Classificações dos Processos

A) Regimes de Operação quanto aos Fluxos

2) Operação contínua: sistema permanentemente aberto para entrada e saída de massa. Exemplos: produção de vapor em caldeiras; bombeamento e retirada de fluído num tanque a uma mesma vazão

3) Operação semi-contínua: sistema fechado para um componente e aberto para outro Exemplos: borbulhamento de um gás em um meio líquido; escape de gás de um cilindro pressurizado; tanque de combustível

1) Operação em batelada: sistema fechado após alimentação e abertopara a retirada do produto. Exemplos: cozimento em panela de pressão; autoclavação de materiais

Classificações dos Processos

B) Regimes de Operação quanto à Acumulação ou Tempo

2) Estado estacionário, regime estacionário ou steady state (operação contínua): Caracteriza-se pela não-alteração das variáveis ao longo do tempotaxa de acumulação nula equação algébrica

1) Estado transiente ou regime não-permanente (partidas, paradas e perturbações na operação de equipamentos e processos, operação em batelada): Caracteriza-se pela alteração das variáveis ao longo do tempotaxa de acumulação positiva ou negativa equação diferencial

y

tt1

transiente

dy/dt > 0

Partida

t2

estacionário

dy/dt = 0

Operação normal

transiente

dy/dt < 0

Parada

y é uma variável relevante no processo em operação

Partida, Operação Normal e Parada de um Processo

- A partir daqui, você irá se deparar com textos deste estilo:

A desidrogenação catalítica do propano é realizada em um reator contínuo de leito empacotado. 1000Kg/h de propano puro são pré-aquecidos a uma temperatura de 670o C antes de entrar no reator. O gás efluente do reator, que inclui propano, propileno, metano e hidrogênio é resfriado de 800 a 110oC e alimentado a uma torre de absorção onde o propano e o propileno são dissolvidos em óleo. O óleo passa então a uma coluna de dessorção, onde é aquecido, liberando os gases dissolvidos; estes gases são recomprimidos e enviados a uma coluna de destilação de alta pressão na qual o propano e o propileno são separados. A corrente de propano é reciclada de volta para se juntar à alimentação do preaquecedor do reator.A corrente de produto da coluna de destilação contém 98% de propileno e a corrente de reciclo contém 97% de propano. O óleo retificado é reciclado à torre de absorção. - Um fluxograma organiza este tipo de informação em uma forma apropriada para a realização de cálculos

- Caixas ou outros símbolos são usados para representar as unidades de processo (reatores, separadores, etc) e setas para representar as correntes de entrada e saída. (caixas são suficientes para este curso!)

Fluxogramas

Fluxogramas - Sugestões

1. Ler e entender o enunciado2. Rotular o fluxograma – com os valores de todas variáveis de

processo e símbolos para identificar as variáveis desconhecidas3. Utilizar como placar – escrever o valor das variáveis encontradas

com a solução do problema4. Escrever os valores e as unidades de todas as variáveis das

correntes conhecidas na localização apropriada no diagrama.ex: uma corrente contendo 21% molar O2 e 79% molar N2 a 320oC

e 1,4 atm fluindo a uma vazão de 400 mol/h

Obs: é possível substituir as fracões molares ou mássicas pelas vazões de cada componente

400 mol/h

Y O2 = 0,21Y N2 = 0,79T = 320oC, p = 1,4 atm

Fluxogramas - Sugestões

5. Atribua símbolos algébricos às variáveis desconhecidas de cada corrente e escreva esses nomes de variáveis e suas unidades associadas no diagrama.

Ex: caso não se conheça a vazão total do exemplo anterior

Praticando: Três correntes de entrada alimentam uma câmara de evaporação para produzir uma corrente de saída de evaporação de composição desejada desejada.

a) Água líquida, alimentada a vazão de 20 cm3/minb) Ar (21% molar O2 e resto N2)c) O2, puro com vazão molra igual a 1/5 da corrente bO gás de saída é analisado e contém 1,5% molar de água. Desenhe

o fluxograma.

Q corrente A ? (mol/h)

Y O2 = 0,21Y N2 = 0,79T = 320oC, p = 1,4 atm

Fluxogramas – Saiu algo como isto???

Água líquida (A)Q A = 20 cm3/min

Y O2 = 0,21

Y N2 = 0,79

Ar (B)Q B?

Oxigênio (C)Q C = 1/5 Q B

Gás de saída (D)Q D?

Y H2O = 0,015

Y N2 = ?Y O2 = ?

- Teremos a oportunidade de praticar esta habilidade em MUITOS exercício de agora em diante!

Equações gerais para balanço de massa

Balanço total de massa

Bal. de massacomponente Asem reação química

SAI=ENTRA+REAGE-ACUMULAqAs = qAe + rA - dmA/dtdmA/dt = qAe - qAs + rA

SAI=ENTRA-ACUMULAqAs = qAe -dmA/dtdmA/dt = qAe – qAs

SAI=ENTRA -ACUMULAqAs = qAe - dmA/dtdmA/dt = qAe - qAs

SAI=ENTRAqAs = qAe

SAI=ENTRA+REAGEqAs = qAe + rA

SAI=ENTRAqAs = qAe

MASSA FINAL =MASSA INICIAL

SAI=ENTRA=0ACUMULA=REAGEdmA/dt = rA

SAI=ENTRAREAGE=0MASSA FINAL A = MASSA INICIAL A

Bal. de massacomponente Acom reação química

Processo ContínuoEst. Transiente

Processo ContínuoEst. Estacionário

Processo BateladaClassificação

Exemplo de balanço de massa para vários componentes

QA QC

QB

X1

X2

X3

X’1X’2X’3

X”1

X”2

X”3

Balanço de massa global: QA = QB + QC

Sistema contínuo, em estado estacionário, sem R.Q. ENTRA = SAI

Balanço de massa do componente 1: Q1,A = Q1,B + Q1,C

X1 QA = X’1 QB + X”1 QC

Balanço de massa do componente 2: X2 QA = X’2 QB + X”2 QC

Balanço de massa do componente 3: X3 QA = X’3 QB + X”3 QC

Restrições: X1 + X2 + X3 = 100% = 1 = X’1 + X’2 + X’3 = X”1 + X”2 + X”3

Procedimentos para Cálculos de balanço de massa

1) Desenhe um fluxograma

2) Indique todos os valores das variáveis conhecidas

3) Indique as variáveis desconhecidas

4) Caso nenhuma quantidade ou vazão seja conhecida, escolha uma base de cálculo (as variáveis desconhecidas serão determinadas relativamente a este valor)

5) Converta valores de volumes e vazões volumétricas em qtddes. mássicas ou molares

6) Se houver mistura de unidades mássicas e molares, adotar uma das duas

7) Escrevas as equações de balanço material

Se não há reação e n espécies estão presentes: n equações

o número de equações tem de ser igual ao número de variáveis desconhecidas 8) Assumir que não há incertezas associadas aos valores das variáveis que impactem no fechamento do balanço (ao contrário da indústria)

Praticando!

Exemplo 1: Duas misturas metanol-água de composições diferentes estão contidas em recipientes separados. A primeira mistura contém 40% de metanol e a segunda 70% metanol em massa. Se 200g da primeira mistura são combinados com 150g da segunda mistura, qual a massa e a composição do produto. Considerar que não há interação entre o metanol e a água.

Conceito envolvido: classificar o processo!

Praticando!

Exemplo 2: Uma unidade industrial de verniz tem que entregar 1000 lbm de uma solução de nitrocelulose a 8%. Eles têm em estoque a solução a 5,5%. Quanto de nitrocelulose secadeve ser dissolvida na solução para atender ao pedido?

Conceitos envolvidos: classificar o processo! sistemas de equações lineares!

Praticando! – Agora é com vocês

Exemplo I - alunos: Uma unidade industrial de verniz tem que entregar 1000 lbm de uma solução de nitrocelulose aquosa a 8% em massa. A unidade possui uma grande quantidade de solução aquosa com fração molar de 5,5%, que será concentrada por evaporação para produção da solução concentrada. Pede-se a) A massa de solução a 5,5% necessária para produzir 1000 lbm nitrocelulose aquosa a 8% em massa por evaporação.b) A massa de água evaporada, em toneladas.