Trabalho de Química

UNINTER ESCOLA SUPERIOR POLITÉCNICA ENGENHARIA DE PRODUÇÃO PLANTA INDUSTRIAL Trabalho orientado como parte da avaliação da Disciplina de Processos Químicos Industriais CLAUDINEIA CHAVES DE ANDRADE RU 4578550 Curitiba PR 19082025 SUMÁRIO 1 Introdução 3 2 Representação do Processo 4 3 Balanço de Massa 5 4 Análise do Vapor Gerado 7 5 Balanço de Energia 8 6 Conclusões 10 7 Referências 11 8 Anexo Dados e Premissas 12 1 Introdução Este relatório apresenta no modelo solicitado pela UNINTER um estudo completo de balanços de massa e energia para um processo de concentração de solução de ácido fosfórico HIPOI em um evaporador de efeito único O objetivo é aplicar os conceitos de operações unitárias e balanços a um caso representativo da indústria de processos químicos contemplando ainda a análise do vapor gerado e sua potencial utilização para geração de energia 2 Representação do Processo A operação analisada consiste em concentrar uma corrente de alimentação de 20 mm de HIPOI até 50 mm por evaporação de água O aquecimento é realizado por vapor saturado a aproximadamente 3 bar abs que condensa em um trocador de calor do tipo cascoIeItubos O produto concentrado segue para estocagem e o vapor gerado água é encaminhado para condensação e recuperação de calor 3 Balanço de Massa Considerando o ácido fosfórico como não volátil na faixa de operação o balanço de massa do soluto fornece FxF PxP P FxFxP Com F 1000 kgh xF 020 e xP 050 obtémIse Massa de HIPOI no sistema 20000 kgh Vazão de produto P 40000 kgh Vazão de vapor gerado V F P 60000 kgh Composição do produto 50 mm HIPOI Interpretação Para concentrar 1000 kgh de alimentação a 20 para 50 mm é necessário remover aproximadamente 600 kgh de água como vapor O produto sai com vazão de 400 kgh 4 Análise do Vapor Gerado Suficiência para Geração de Energia O vapor gerado no evaporador possui conteúdo térmico aproximado igual ao seu calor latente de condensação A potência térmica associada ao fluxo de vapor V é dada por Φtérmica Vλ3600 Usando λ 2257 kJkg obtémIse Vazão de vapor gerado V 60000 kgh Potência térmica disponível Vλ3600 37617 kW Potência elétrica estimada turbina η 20 7523 kW Necessidade dos geradores suposição 3000 kW Vapor é suficiente para atender à necessidade SIM Observase que uma fração do potencial térmico pode em princípio ser convertida em energia elétrica usando uma pequena turbina a vapor de contrapressão A eficiência global considerada 20 é conservadora para instalações de pequeno porte e serve apenas como critério de comparação 5 Balanço de Energia O balanço de energia do evaporador regime permanente desprezando perdas de calor ao ambiente é Qtotal Qsensível Qlatente FcpTeb Tentrada Vλ Substituindo F 1000 kgh cp 38 kJkgK Teb 108 C Tentrada 25 C V 600 kgh e λ 2257 kJkg Qsensível 315400 kJh Qlatente 1354200 kJh Qtotal 1669600 kJh Vapor de aquecimento necessário 3 bar m Qtotalλsteam 78385 kgh Nota usouse vapor saturado a aproximadamente 133 C 3 bar abs com calor latente de condensação λsteam 2130 kJkg Em aplicações reais adicionase uma margem de 515 para perdas térmicas 6 Conclusões 1 O balanço de massa indica que para 1000 kgh de alimentação a 20 mm de HIPOI geramIse 600 kgh de vapor e obtémIse 400 kgh de produto a 50 mm 2 O balanço de energia requer uma taxa de aquecimento total de 4638 kW equivalente a aproximadamente 784 kgh de vapor de serviço a 3 bar desprezando perdas 3 A potência elétrica potencial associada ao vapor gerado considerando conversão de 20 é de 752 kW Comparando com uma necessidade de 30 kW hipótese concluiIse que o vapor gerado é suficiente 7 Referências GEANKOPLIS C J Transport Processes and Separation Process Principles Prentice Hall COULSON J M RICHARDSON J F Chemical Engineering Vol 6 Design Elsevier PERRY R H GREEN D W Perrys Chemical Engineers Handbook McGrawIHill 8 Anexo Dados e Premissas Alimentação F 1000 kgh composição xF 20 mm HIPOI temperatura de entrada 25 C Produto xP 50 mm HIPOI FísicoIquímicos aproximações didáticas cpliq 38 kJkgK λevap 2257 kJkg Teb 108 C BPE incluída Vapor de aquecimento saturado a 133 C 3 bar abs λsteam 2130 kJkg Eficiência de conversão de vapor em eletricidade para estimativa η 20 Necessidade dos geradores para comparação 30 kW hipótese