Processos Químicos Industriais

1 Atividade Prática Processos Químicos Industriais ESCOLA SUPERIOR POLITÉCNICA Atividade Prática de Processos Químicos Industriais OBJETIVO Essa atividade tem como intuito aplicar na prática conceitos abordados na disciplina de Processos Químicos Industriais na execução de um balanço de massa e de um balanço de energia além de análises e tomadas de decisão MATERIAL DE CONSULTA Para a realização desta atividade prática o discente deve consultar o Texto de leitura da Rota de Aprendizagem referente aos balanços de massa e de energia bem como as Aulas de Resolução de Exercícios e o Caderno de Exercícios postado na Aula 1 2 Atividade Prática Processos Químicos Industriais ESCOLA SUPERIOR POLITÉCNICA ATIVIDADE BALANÇO DE MASSA Na primeira etapa deverá fazer um balanço de massa de um evaporador sendo que a vazão de alimentação terá o valor dos 6 primeiros números de seu RU a concentração de sólidos na alimentação terá o valor da soma dos 6 primeiros números do seu RU e a concentração final será de 75 Como exemplo temos RU 98765432 terá uma vazão de alimentação na entrada de 987654 kgh seis primeiros números do RU e concentração de sólidos na alimentação de 39 987654 Sabendo que hoje a eficiência energética vem sendo cada vez mais exigida nos processos industriais e que muitas empresas já fazem a cogeração de energia usando o vapor gerado na planta industrial usando como referência a tabela abaixo para consumo de vapor modelos de geradores de 30MW de energia a quantidade de vapor gerada será suficiente para atender a alguma unidade de geração de energia Justificar em função do consumo da unidade de geração e da quantidade 3 Atividade Prática Processos Químicos Industriais ESCOLA SUPERIOR POLITÉCNICA de vapor gerada no evaporador CLIQUE PARA EXIBIRCLIQUE PARA EXIBIR Fazendo o balanço de massa temos P 513580 kgh e V 474074 kgh Comprando a quantidade de vapor produzida com o consumo de vapor necessário para os geradores V 474074 kgh 474074 th Veremos que a quantidade de vapor gerada atende a todos os modelos individualmente pois é superior ao consumo de cada um deles 4 Atividade Prática Processos Químicos Industriais ESCOLA SUPERIOR POLITÉCNICA ATIVIDADE BALANÇO DE ENERGIA Nesta segunda etapa deverá elaborar um balanço de energia para estimar a quantidade de vapor saturado do Setor de Utilidades W deverá ser usada para a evaporação obtida na Etapa 1 Para isso deverão usar como premissa que a Entalpia da solução de entrada HA é de 107 kJkg a Entalpia do Produto HP é de 1070 kJkg a temperatura da solução de alimentação é de 25ºC a temperatura de trabalho do evaporador é de 100ºC a temperatura do vapor V gerado é de 100ºC e que a temperatura do vapor do Setor de Utilidades é de 120ºC Lembrem que a temperatura do vapor gerado V e do vapor do Setor de Utilidades W devem ser usadas para obter as entalpias que usarão no cálculo da tabela de vapor saturado A expressão para o cálculo é a do balanço de energia A HA W HW V HV P HP W HL 5 Atividade Prática Processos Químicos Industriais ESCOLA SUPERIOR POLITÉCNICA No nosso exemplo A 987654 kgh P 513580 kgh V 474074 kgh HA 107 kJkg HP 1070 kJkg HW valor de entalpia de vapor saturado pego na tabela para a temperatura do vapor do Setor de Utilidades W HV valor de entalpia de vapor saturado pego na tabela para a temperatura do vapor gerado V HL valor de entalpia de líquido saturado pego na tabela para a temperatura do vapor do Setor de Utilidades W A quantidade de vapor do Setor de Utilidades que será usada no evaporador para nosso exemplo foi W 777584 kgh 6 Atividade Prática Processos Químicos Industriais ESCOLA SUPERIOR POLITÉCNICA 7 Atividade Prática Processos Químicos Industriais ESCOLA SUPERIOR POLITÉCNICA TUTORIAL TRABALHO DE PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS 1 Fazer o Balanço de Massa 2 Avaliar se a quantidade de vapor V gerado atende a demanda de todos ou de alguns ou de nenhum gerador 3 Fazer o Balanço de Energia 4 Estimar a quantidade de vapor do Setor de Utilidades que será usada no evaporador 8 Atividade Prática Processos Químicos Industriais ESCOLA SUPERIOR POLITÉCNICA ESTRUTURA DO TRABALHO CAPA conforme abaixo UNINTER ESCOLA SUPERIOR POLITÉCNICA ENGENHARIA DE PRODUÇÃO PLANTA INDUSTRIAL ARIAL 14 Trabalho orientado pelo Professor Marcos Baroncini Proença como parte da avaliação da Disciplina de Processo Químicos Industriais Arial 10 ALUNO A CIDADE ESTADO DATA ARIAL 12 9 Atividade Prática Processos Químicos Industriais ESCOLA SUPERIOR POLITÉCNICA SUMÁRIO páginas referentes a cada título e subtítulo INTRODUÇÃO comentário sobre o trabalho o objetivo do balanço de massa e o objetivo do balanço de energia BLANÇO DE MASSA apresentar detalhadamente a representação e os cálculos do balanço de massa ANÁLISE REFERENTE AO VAPOR GERADO SER SUFICIENTE PARA GERAR ENERGIA fazer a análise comparando a quantidade de vapor gerado V com as necessidades dos geradores BALANÇO DE ENERGIA apresentar detalhadamente a representação e os cálculos do balanço de energia bem como a estimativa da quantidade de vapor do Setor de Utilidades W que será utilizada UNINTER ESCOLA SUPERIOR POLITÉCNICA ENGENHARIA DE PRODUÇÃO PLANTA INDUSTRIAL Trabalho orientado pelo professor Marcos Baroncini Proença como parte da avaliação da Disciplina de Processos Químicos Industriais ALUNOS CIDADES ESTADO 2025 Sumário INTRODUÇÃO3 BALANÇO DE MASSA4 ANÁLISE REFERENTE AO VAPOR GERADO SER SUFICIENTE PARA GERAR ENERGIA6 BALANÇO DE ENERGIA6 REFERÊNCIAS8 2 INTRODUÇÃO Os processos químicos industriais desempenham papel central na transformação de matériasprimas em produtos de valor agregado sustentando grande parte das cadeias produtivas modernas A operação eficiente desses processos exige rigor técnico na análise no controle e na otimização das etapas envolvidas de modo a garantir segurança produtividade e redução de custos Felder Rousseau 2005 Sinnott Towler 2020 Dentro desse contexto os balanços de massa constituem ferramentas fundamentais para o dimensionamento e o entendimento das operações unitárias O princípio de conservação da massa base desses cálculos assegura que todas as entradas saídas e transformações materiais ocorram de forma coerente com o comportamento físico do processo sendo indispensável na modelagem e no controle de sistemas industriais Himmelblau Riggs 2012 Bird Stewart Lightfoot 2007 No presente trabalho esse princípio é aplicado à análise operacional de um evaporador equipamento amplamente utilizado na concentração de soluções líquidas por remoção de solvente especialmente em indústrias alimentícias químicas e de bioprocessos A caracterização correta dos fluxos de alimentação produto e vapor é essencial para garantir a eficiência do equipamento e otimizar seu desempenho Geankoplis 2018 McCabe Smith Harriott 2005 A segunda etapa consiste na elaboração do balanço de energia necessário para determinar a quantidade de calor e portanto de vapor saturado do Setor de Utilidades requerida para promover a evaporação obtida anteriormente Esse tipo de análise é crucial para avaliar o desempenho térmico do sistema estimar o consumo de utilidades e planejar operações de forma energeticamente eficiente Çengel Boles 2015 Moran et al 2010 Por fim o trabalho realiza uma avaliação da viabilidade de utilização do vapor gerado no evaporador em sistemas de cogeração A análise compara a quantidade de vapor produzida com as demandas energéticas típicas de geradores industriais permitindo verificar a capacidade do processo de contribuir para a produção de energia térmica e elétrica dentro da planta Kehlhofer Rukes Hannemann 2009 PalaciosBereche et al 2013 3 Dessa forma o estudo integra fundamentos de balanços de massa e energia operações unitárias e análise energética proporcionando uma compreensão completa do funcionamento do evaporador e de sua relevância para o desempenho global de sistemas industriais BALANÇO DE MASSA O desenvolvimento do balanço de massa parte do princípio fundamental da conservação da matéria segundo o qual toda a massa que entra em um sistema deve ser igual à massa que dele sai No caso do evaporador analisado a corrente de alimentação A é separada em duas correntes de saída o vapor gerado B e o produto concentrado C Essa relação pode ser visualizada na Figura 1 que apresenta o esquema simplificado do processo Figura 1 Representação esquemática do Evaporador Fonte Autoria própria 2025 Assim considerando o sistema devidamente delimitado o balanço global de massa é expresso por ABC Substituindose o valor da vazão de alimentação 214788 kg h BC 4 Como o vapor produzido é isento de sólidos fração mássica de sólidos igual a zero todo o material sólido presente na alimentação deve obrigatoriamente sair pela corrente concentrada Dessa forma o balanço de sólidos fornece uma equação direta para determinar a vazão do produto C Balanço de sólidos AxSaBxSbCxsC Em que xS são as concentrações de sólidos de cada corrente A B e C as correntes kgh Substituindo os valores conhecidos 21478803B0C075 644364C075 644364 075 C C859152 kg h Com a vazão do produto determinada substituise o valor de C no balanço global para calcular a vazão de vapor B 214788 kg h B859152 kg h 214788 kg h 859152 kg h B B1288728 kg h Convertendo para toneladas por hora B1288728 ton h Dessa forma concluise que a operação do evaporador resulta em uma vazão de B 1289 th de vapor e uma vazão de C 859 th de produto concentrado Esses valores respeitam o princípio da conservação de massa e confirmam a coerência física do processo 5 ANÁLISE REFERENTE AO VAPOR GERADO SER SUFICIENTE PARA GERAR ENERGIA A partir do balanço de massa realizado para o evaporador obtevese uma vazão de vapor igual a 1288728 kgh correspondente a 12887 th Com base nos critérios estabelecidos na atividade prática essa vazão deve ser comparada aos valores de consumo de vapor apresentados na Tabela 1 que reúne diferentes modelos de geradores de 30 MW e seus respectivos requisitos operacionais de vapor conforme disponibilizado no material de referência da disciplina Ao confrontar a vazão de vapor produzida pelo evaporador com os consumos especificados na tabela verificase que nenhum dos modelos de geradores apresenta demanda igual ou inferior a 12887 th Os equipamentos listados por se tratarem de unidades de geração de energia de porte industrial requerem vazões de vapor substancialmente superiores situandose na faixa de centenas de toneladas por hora Assim constatase que a quantidade de vapor gerada pelo processo não é suficiente para suprir integralmente a necessidade de operação de nenhuma das unidades de cogeração apresentadas na Tabela 1 Dessa maneira concluise que o evaporador nas condições operacionais especificadas não atende ao consumo mínimo exigido por nenhum dos geradores avaliados impossibilitando seu uso direto como fonte exclusiva de vapor para tais equipamentos Caso se buscasse a integração do processo com um sistema de cogeração seria necessário considerar fontes adicionais de vapor operação em paralelo de múltiplos evaporadores ou o redimensionamento da planta de utilidades de modo a atingir a vazão de vapor requerida pelos geradores de energia propostos BALANÇO DE ENERGIA O balanço de energia do evaporador tem como objetivo determinar a quantidade de vapor proveniente do Setor de Utilidades W necessária para promover a evaporação obtida na Etapa 1 Esse procedimento baseiase no princípio da conservação de energia aplicado a um sistema aberto em regime permanente onde a energia que entra no sistema é igual à energia que sai desconsiderandose variações de energia cinética e potencial 6 No processo em estudo a corrente de alimentação A entra no evaporador a uma entalpia conhecida enquanto o vapor de utilidades W fornece a energia térmica necessária para a vaporização parcial da solução As correntes de saída incluem o vapor gerado B e o produto concentrado C ambos com suas respectivas entalpias A expressão geral do balanço de energia para o sistema é dada por AHaWHwBHbCHcWHl onde H a entalpia da alimentação kJkg H b entalpia do vapor gerado kJkg H C entalpia do produto concentrado kJkg H W entalpia do vapor de utilidades kJkg H l entalpia do líquido saturado à temperatura do vapor de utilidades kJkg Com base no material da disciplina e nos cálculos realizados no balanço de massa têmse as seguintes condições A214 788 kgh B128 8728 kgh C85 915 2 kgh H a107 kJkg H c1070 kJkg Temperatura do vapor gerado T b100 C Temperatura do vapor de utilidades T W120 C Tabela de vapor saturado o H b2676 kJkg o H W2706 kJkg o H l5037 kJkg Substituindo esses valores isolase W WHwWHlBHbCHc AHa WHwHlBHbCHc AHa W BHbCHc AHa HwHl 7 W 128872826768591521070214788107 27065037 W 1878992693 kg h W 1879 ton h A quantidade de vapor saturado do Setor de Utilidades necessária para operar o evaporador nas condições especificadas é de 1879 tonh Esse valor representa a energia térmica suplementar que deve ser fornecida ao sistema para garantir a evaporação parcial da alimentação e atingir a concentração desejada no produto final REFERÊNCIAS Bird R B Stewart W E Lightfoot E N 2007 Transport phenomena 2nd ed John Wiley Sons Çengel Y A Boles M A 2015 Thermodynamics An engineering approach 8th ed McGrawHill Education Felder R M Rousseau R W 2005 Elementary principles of chemical processes 3rd ed John Wiley Sons Geankoplis C J 2018 Transport processes and separation process principles 5th ed Pearson Himmelblau D M Riggs J B 2012 Basic principles and calculations in chemical engineering 8th ed Prentice Hall Kehlhofer R H Rukes B Hannemann F 2009 Combinedcycle gas steam turbine power plants PennWell Corporation McCabe W L Smith J C Harriott P 2005 Unit operations of chemical engineering 7th ed McGrawHill Moran M J Shapiro H N Boettner D D Bailey M B 2010 Fundamentals of engineering thermodynamics 7th ed Wiley PalaciosBereche R Silva Lora E E Venturini O J 2013 Exergy analysis of cogeneration systems Energy Conversion and Management 67 2733 Sinnott R K Towler G 2020 Chemical engineering design 6th ed Elsevier 8