Fundamentos do Balanço de Energia em Processos Químicos Industriais

PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS AULA 02 Profª Thaís Helena Curi Braga 2 CONVERSA INICIAL A energia é cara Ainda não aprendemos a usar a energia proveniente de fontes como o Sol marés e ventos de forma eficiente É possível produzir energia nuclear mas não sabemos como descartar com segurança os rejeitos radioativos Figura 1 Fontes alternativas de energia Dependemos essencialmente da queima de combustíveis sólidos líquidos e gasosos para liberar calor como fonte de energia térmica ou elétrica As indústrias de processos sempre reconheceram a necessidade de utilizar de forma eficiente a energia para aumentar os lucros Se uma planta gasta mais energia que os concorrentes seus produtos deixarão de ser competitivos no mercado consumidor A seguir há algumas perguntas comuns na indústria relacionadas à energia Qual a energia necessária para bombear água desde um tanque de armazenamento até uma unidade de processo Quanta energia é necessária para produzir vapor de água a 120oC a partir de água líquida à temperatura ambiente Qual a taxa de energia que deve ser retirada de um reator contínuo onde se realiza uma reação endotérmica para que a temperatura do meio reacional permaneça constante Um processo industrial consiste de reatores separadores bombas compressores trocadores de calor e outras unidades de processo Cada unidade individualmente libera e absorve calor Qual a necessidade de 3 energia por unidade de processo e para a planta em sua totalidade Como pode ser modificada a operação da planta a fim de que o aproveitamento de energia seja otimizado O Engenheiro de Produção deve estar apto a discutir essas questões com o engenheiro de projeto ou de processo Nesta aula você aprenderá os fundamentos do balanço de energia a fim de contabilizar a quantidade de energia que entra e sai de uma unidade de processo industrial Para isso falaremos das formas de energia e como podem ser transformadas as leis da termodinâmica que restringem essas transformações e como elas podem ser tratadas em termos de balanço de energia Você vai conhecer as tabelas e diagramas termodinâmicos e aprender a usálos para líquidos e vapores saturados subresfriados e superaquecidos Figura 2 Energia versus lucro Vamos começar TEMA 1 FORMAS DE ENERGIA E A PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA A energia total de um sistema tem três componentes Energia cinética Ec energia em virtude do movimento do sistema Energia potencial Ep energia em virtude da posição do sistema Energia interna U toda energia que o sistema possui além das energias cinética e potencial tal como a energia em virtude do movimento e das interações das moléculas e de seus constituintes atômicos 4 Essas são as formas de energia denominadas energias armazenáveis pelo sistema As formas de energia que podem ser transferidas pelos limites do sistema são chamadas energias em trânsito e só existem enquanto uma transferência de energia estiver acontecendo São elas Calor Q energia que flui como consequência de uma diferença de temperatura Trabalho W energia que flui como resposta a qualquer outra força motriz que não a diferença de temperatura Quando um gás dentro de um cilindro se expande e movimenta um pistão contra uma força de resistência ele está realizando trabalho A energia tem unidades de força vezes distância como Joule J Nm ou unidades de quantidade de calor transferido como caloria cal e unidade térmica britânica Btu O princípio que fundamenta todos os balanços de energia é a lei da conservação de energia Analogamente à lei da conservação da massa ela estabelece que a energia não pode ser criada ou destruída apenas transformada Essa lei é conhecida como a Primeira Lei da Termodinâmica Um sistema é chamado aberto ou fechado se existe ou não transferência de massa pelos limites do sistema durante o período de tempo analisado O sistema de um processo em batelada é fechado por definição enquanto os processos contínuos e semicontínuos são abertos Reescrevendo a equação geral de balanço de massa ENTRADA SAÍDA GERAÇÃO CONSUMO ACÚMULO Para o sistema fechado eliminamse os termos de entrada e saída No entanto como o sistema não é isolado a energia pode atravessar seus limites como calor ou trabalho formas de energia em trânsito Para esse sistema pode se escrever ENERGIA FINAL ENERGIA INICIAL ENERGIA TRANSFERIDA Energia inicial Ui Eci Epi Energia final Uf Ecf Epf Energia transferida Q W 5 Expressão matemática básica da Primeira Lei da Termodinâmica para sistemas fechados 𝛥𝑈 𝛥𝐸𝑐 𝛥𝐸𝑝 𝑄 𝑊 Um sistema aberto é caracterizado pela transferência de massa entre as vizinhanças e o sistema Para a massa entrar é necessário realizar trabalho sobre o sistema e a massa que deixa o sistema realiza trabalho sobre as vizinhanças Uma nova propriedade termodinâmica aparece no balanço de energia para sistemas abertos a entalpia É definida matematicamente como a soma da energia interna pelo produto da pressão pelo volume 𝛥𝐻 𝛥𝑈 𝛥𝑃𝑉 Expressão matemática básica da Primeira Lei da Termodinâmica para sistemas abertos 𝛥𝐻 𝛥𝐸𝑐 𝛥𝐸𝑝 𝑄 𝑊 Acompanhe esse assunto mais detalhadamente no Anexo 1 disponível no material online TEMA 2 TABELAS E DIAGRAMAS TERMODINÂMICOS Estado termodinâmico e funções de estado Um estado termodinâmico é definido por um conjunto de propriedades termodinâmicas tais como temperatura pressão volume densidade energia interna entalpia e entropia Por exemplo nitrogênio gasoso a 1 atm e 25oC possui um valor determinado de volume específico e de energia interna Na realidade ele possui um conjunto completo de propriedades termodinâmicas intensivas isto é propriedades independentes da quantidade de massa Se esse gás sofrer uma variação de temperatura ou pressão e depois voltar às condições iniciais suas propriedades intensivas também retornam aos valores iniciais Essas propriedades não dependem da história passada da substância nem do caminho que a levou a esse estado As grandezas que dependem apenas das condições presentes quaisquer sejam as formas de alcançálas são denominadas funções de estado Smith Van Ness 2007 6 Diagrama de fases para substância pura Figura 3 Diagrama de fases da água Fonte wwwfisicanawebworldpresscom Diagrama PT Pressão versus Temperatura Relaciona dados de Temperatura versus Pressão para uma dada substância As curvas dividem o gráfico nas regiões de sólido líquido e gás e se encontram no chamado ponto triplo Pt A curva que separa a região de sólido da região de líquido é denominada curva de fusão de acordo com a mudança que acontece entre esses dois estados de agregação da matéria Da mesma forma a curva de vaporização separa fase líquida de fase vapor e a curva de sublimação separa as fases sólida e gasosa Conceito de saturação No diagrama de fases PT apresentado na Figura 3 vamos estudar apenas a curva de vaporização também denominada curva de pressão de vapor ou curva de saturação Água líquida a pressão atmosférica ao ser aquecida vaporiza ao atingir a temperatura de 100oC Essa é a temperatura de saturação a 1 atm de pressão e para que a água líquida comece a evaporar ela precisa estar completamente saturada Figura 4 Ebulição da água a 1 atm 7 Após atingir a temperatura de saturação o vapor começa a se desprender da fase líquida A partir desse ponto pressão e temperatura permanecem constantes até que toda a água tenha evaporado Sempre que as fases líquido e vapor de uma dada substância coexistem dizse que estão saturadas Figura 5 Diagrama ilustrativo da vaporização da água em virtude do aquecimento Note que o ponto de interseção entre a pressão de 1 atm e a temperatura de 100oC localizase exatamente sobre a curva de pressão de vapor ou de saturação Ou seja a essa pressão a água sempre evapora na temperatura fixa de 100oC Se a pressão de vapor mudar a temperatura de saturação também se altera mas o ponto de interseção desse novo par de dados PT deve estar sobre a curva de saturação Desse modo a curva de saturação é o lugar 8 geométrico de todas as condições de saturação de uma dada substância química A partir do conceito de saturação podese definir as condições de sub resfriamento e superaquecimento Líquido comprimido ou subresfriado dizse de qualquer substância no estado líquido que não se encontra na condição de saturação Por exemplo água a 1 atm e 20oC é classificada como líquido subresfriado Ela só estará saturada quando atingir a temperatura de 100oC Vapor superaquecido dizse de qualquer substância no estado gasoso que não se encontra na condição de saturação Por exemplo água a 1 atm e 120oC é classificada como vapor superaquecido Ela só estará saturada quando atingir a temperatura de 100oC Existem as condições de líquido superaquecido e vapor subresfriado Eles são menos comuns e denominados estados metaestáveis Acompanhe mais exemplos de diagramas termodinâmicos no Anexo 2 disponível no material online TEMA 3 USO DA TABELA DE VAPOR A tabela termodinâmica para a substância água é comumente denominada tabela de vapor É muito utilizada em cálculos de balanço de energia uma vez que vapor de água e água de refrigeração estão presentes em quase a totalidade das plantas industriais A tabela de vapor é subdividida em tabela de vapor saturado e tabela de vapor superaquecido e permite a determinação de um conjunto de propriedades termodinâmicas a partir de dados conhecidos Se a água está saturada na fase líquida ou vapor usase a tabela de vapor saturado e é necessário apenas o conhecimento de uma propriedade termodinâmica para que todas as demais sejam lidas Se a água está na condição de vapor superaquecido suas propriedades termodinâmicas serão obtidas na tabela de vapor superaquecido a partir de pelo menos dois dados iniciais É apresentada a seguir a linha da tabela de vapor referente à temperatura de 60oC 9 T oC P kPa Vl Vv Ul Uv Hl Hv 60 1992 1017 76785 2511 24568 2511 26097 Para água líquida saturada nessa temperatura a tabela fornece o seguinte conjunto de dados termodinâmicos Pressão de vapor 1992 kPa Volume específico de líquido saturado 1017 mLg Energia interna específica de líquido saturado 2511 kJkg Entalpia específica de líquido saturado 2511 kJkg Para vapor de água saturado nessa temperatura a tabela fornece o seguinte conjunto de dados termodinâmicos Pressão de vapor 1992 kPa Volume específico de líquido saturado 76785 mLg Energia interna específica de líquido saturado 24568 kJkg Entalpia específica de líquido saturado 26097 kJkg Note que a pressão de vapor é a mesma para líquido saturado e vapor saturado Outra forma de definir a condição de saturação é referindose a ela como um estado em que líquido e vapor coexistem O volume específico de vapor saturado é maior do que o volume específico de líquido saturado porque a evaporação é um processo de expansão Da mesma forma as energias são maiores na fase vapor visto que calor é absorvido durante a evaporação 10 Observe as tabelas de vapor saturado e superaquecido no Anexo 3 disponível no material online TEMA 4 BALANÇO DE ENERGIA EM REGIME PERMANENTE PARA SISTEMAS ABERTOS Muitos processos químicos industriais podem ser equacionados em termos de energia de maneira bastante simples visto que em vários casos o balanço de energia se reduz a um balanço de entalpia quando as parcelas de energia cinética e potencial são desprezíveis e não há trabalho mecânico envolvido e os dados de entalpia podem ser retirados de uma tabela de vapor para a substância água ou calculados como o produto do calor específico pela variação de temperatura para outras substâncias A expressão de balanço de energia a partir da aplicação da primeira lei da termodinâmica pode ser simplificada 𝛥𝐻 𝛥𝐸𝑐 𝛥𝐸𝑝 𝑄 𝑊 𝛥𝐻 𝑄 𝐶𝑝 𝛥𝑇 O calor específico a pressão constante Cp é a quantidade de energia necessária para elevar em uma unidade de grau de temperatura uma massa unitária de determinada substância química O calor específico da água líquida é igual a 1 calgoC e o calor específico do ar atmosférico é igual a 024 calgoC Isso significa que a água precisa de 1 cal para elevar a temperatura de uma massa unitária em 1oC enquanto o ar precisa de 024 cal para efetuar o mesmo aquecimento Isso explica o fato de o ar atmosférico aquecer mais rapidamente em uma manhã de sol quando comparado com a água do mar por exemplo O mesmo motivo explica o fato de a água do mar manter sua temperatura por mais tempo ao fim da tarde quando o ar atmosférico já começa a esfriar O calor específico varia com a temperatura Para pequenas faixas de valores de temperatura podese usar um valor médio de calor específico a fim de calcular a variação de entalpia Para variações maiores de temperatura usamse equações de calor específico como uma série de potências em função da temperatura com constantes numéricas a b c d determinadas experimentalmente e tabeladas para diversas substâncias 11 Cp a bT cT2 dT3 Além da variação de entalpia em função da mudança de temperatura em processos de aquecimento e resfriamento existe a variação de entalpia devido a mudanças no estado de agregação sem variação de temperatura São os calores de mudança de estado ou de fase como o calor de fusão vaporização condensação congelamento e sublimação Acompanhe no Anexo 4 o balanço de energia realizado em uma caldeira para produção de vapor a fim de calcular a carga térmica da caldeira TEMA 5 TERMOQUÍMICA A termoquímica é a parte da termodinâmica que estuda a energia envolvida nas reações químicas As reações químicas apresentam diferença nos níveis de energia de reagentes e produtos Quando os produtos têm um nível de energia maior que os reagentes é necessário fornecer energia para que a reação aconteça Esse tipo de reação que absorve calor é chamado de reação endotérmica Quando os produtos têm um nível de energia menor que os reagentes é necessário retirar energia do meio reacional para que a reação aconteça Esse tipo de reação que libera calor é chamado de reação exotérmica Os calores de reação são expressos como variações de entalpia em um dado estado denominado estado de referência O estado de referência padrão mais usual é definido para pressão atmosférica 1 atm e temperatura ambiente de 25oC Existem tabelas na literatura que apresentam os valores de calores de formação e de combustão para muitas substâncias químicas O calor de formação por definição referese à reação de formação na qual um mol de certa substância química composta é formado a partir dos seus elementos químicos constituintes O calor de combustão por definição referese à reação de combustão na qual um mol de certa substância química composta ou elemento puro é queimado na presença de oxigênio gerando produtos de combustão 12 Acompanhe esse assunto mais detalhadamente no Anexo 5 SÍNTESE A segunda aula de Processos Químicos Industriais resgata conceitos da Termodinâmica e mostra como usálos em balanços de energia Agora você já está familiarizado com a terminologia e diagramas e tabelas usados na análise de processos em termos energéticos Viu ainda como são tratadas as reações químicas em termos de demanda de energia na forma de calor de reação Expanda seus conhecimentos lendo os anexos das rotas de aprendizagem e pesquisando o assunto na bibliografia Para refletir um pouco mais sobre o tema ENERGIA sugiro que assista ao episódio do programa Cidades e Soluções da Globonews o qual mostra dois exemplos bemsucedidos de uso de energia eólica e solar para suprir toda a demanda energética de uma montadora de veículos de Sumaré SP em uma indústria de cosméticos de Alvinópolis MG e em uma vinícola de Dom Pedrito RS REFERÊNCIAS BRASIL N I Introdução à engenharia química 3 ed Rio de Janeiro Interciência 2013 FELDER R M ROUSSEAU R W Princípios elementares dos processos químicos 3 ed Rio de Janeiro LTC Livros Técnicos e Científicos Editora Ltda 2005 SMITH J M VAN NESS H C ABBOTT M M Introdução à termodinâmica da engenharia química 7 ed Rio de Janeiro LTC Livros Técnicos e Científicos Editora Ltda 2007