Slide - Aula 2 Fundamentos de Balanço de Massa - Princípios dos Processos Químicos 2022-2

Profa. Patrícia Moreira Lima PPQ - Aula 2 BALANÇOS DE MASSA 2 2. FUNDAMENTOS DE BALANÇOS DE MASSA  A natureza impõe certas restrições às transformações físicas e químicas da matéria que precisam ser levadas em conta quando projetamos um novo processo ou analisamos um já existente.  Princípio da Conservação da Massa: nada pode ser criado ou destruído (a menos de reações nucleares).  Para relacionar-se as quantidades de matérias envolvidas em um dado processo, o engenheiro realiza um balancete ou uma contabilidade das massas totais e de cada componente, tendo em mente o princípio da conservação da massa.  Esta técnica é chamada de Balanço de massa ou Balanço Material. 3 2.1- INTRODUÇÃO 4 2.2- CLASSIFICAÇÃ0 DOS PROCESSOS  Volume de Controle: volume definido que nos interessa para um estudo ou análise particular.  Superfície de Controle: superfície ou fronteira que envolve o volume de controle. É por ela que a massa entra e sai no volume. Algumas definições que auxiliarão na análise desses processos. Fronteira Tanque Sistema Vizinhança Air Air compressor Sistema fechado (massa de controle) Volume de controle (sistema aberto) Gas Boundary Air in Fuel in Drive shaft Exhaust gas out Boundary (control surface) 8 2.2- CLASSIFICAÇÃ0 DOS PROCESSOS 2) De acordo dependência ou não das variáveis de processo com o tempo.  Estado estacionário ou regime permanente (“steady -state”):  Estado não estacionário ou regime transiente 9 Processos em Batelada  A alimentação é introduzida no sistema de uma só vez no início do processo e todos os produtos são retirados algum tempo depois. Nenhuma massa atravessa a fronteira do sistema no intervalo de tempo decorrido entre a alimentação e a remoção dos produtos.  Exemplo: adição instantânea de reagentes em um tanque e remoção dos produtos e reagentes não consumidos algum tempo depois quando o sistema atingiu o equilíbrio. 10 Processos Contínuos  A alimentação e os produtos fluem continuamente enquanto dura o processo. Há contínua passagem de matéria através das fronteiras do sistema.  Exemplo: bombeamento de uma mistura de líquidos para uma coluna de destilação, à vazão constante, e retirada contínua das correntes de vapor e líquido do topo e da base da coluna. 11 Processos SemiContínuos  A entrada de material é praticamente instantânea e a saída é contínua, ou vice-versa. Há passagem contínua de matéria através de apenas uma fronteira (entrada ou saída) do processo.  Exemplo: 1. adição contínua de líquidos em um tanque misturador, do qual nada é retirado. 2. escape de gás de um botijão pressurizado. 12 Processos Em Estado Estacionário ou Regime Permanente  Se os valores de todas as variáveis de um processo (todas as temperaturas, pressões, vazões, etc.) não tem seus valores alterados com o tempo (exceto pequenas flutuações) o processo é dito operar em estado estacionário ou regime permanente. 13 Processos Em Estado Não Estacionário ou Regime Transiente  São aqueles processos onde ocorrem alterações dos valores das variáveis de processo com o tempo.  Os processos em batelada e semi-contínuos, pela sua natureza, são operações em estado transiente, em ambos os casos há alteração das variáveis ao longo do tempo.  Os processos contínuos podem ocorrer tanto em regime permanente como em transiente. Se num dado ponto do sistema, as variáveis alterarem-se com o tempo, o regime será transiente. Mas, se naquele ponto, não houver alteração, o regime será permanente, mesmo que essas variáveis tenham valores diferentes em um outro ponto do mesmo sistema, mas também aí constantes no tempo. 14  Os processos em batelada são comumente usados quando quantidades relativamente pequenas de um produto necessitam ser produzidas em dadas ocasiões.  Os processos contínuos são usualmente desenvolvidos quando necessita-se de grandes produções. São normalmente operados em estado estacionário ocorrendo o regime transiente na partida do processo (“start-up”) ou quando ele precisa ser – intencionalmente ou acidentalmente – reparado. 15 2.3- EQUAÇÃO GERAL DE BALANÇO  Suponha um processo contínuo onde entra e sai metano à vazão de we(kg CH4/h) e ws(kg CH4/h)  As vazões foram medidas e determinou-se que we é diferente de ws. Há somente quatro explicações para esse fato: 1. As medidas estão erradas 2. Está vazando metano através do equipamento. 3. O metano está sendo consumido como reagente ou gerado como produto. 4. O metano está acumulando na unidade 16  Um balanço de massa em um sistema (uma única unidade, várias unidades ou o processo como um todo), pode ser escrito na seguinte forma geral:  Esta é a equação geral de balanço que pode ser escrita para qualquer material que entra ou deixa um sistema: pode tanto ser aplicada à massa total de componentes do sistema ou a qualquer espécie molecular ou atômica envolvida no processo. 17 a) Balanços Diferenciais: que são os balanços que indicam o que está acontecendo num dado instante. Cada termo da equação de balanço é expresso em unidades da quantidade balanceada dividida pela unidade de tempo (g SO2/s ou mol SO2/s ). Este é o tipo de balanço usualmente aplicado a um processo contínuo. b) Balanços Integrais: são os balanços que descrevem o que acontece entre dois instantes de tempo (t). Cada termo da equação de balanço é então uma quantidade balanceada com sua respectiva unidade (g SO2 ou mol SO2 ). Este tipo de balanço é usualmente aplicado a processos em batelada, com os dois instantes de tempo sendo o momento imediatamente após a entrada da alimentação e o momento imediatamente anterior à retirada do produto.  Nós podemos escrever dois tipos de balanços: 18  Os termos “gerado” e “consumido” se referem à produção ou consumo da matéria relacionadas às transformações provocadas por reações químicas. Podem ser substituídos pelo termo “reage”. Se um dado componente a ser balanceado estiver sendo produzido no interior do sistema, o termo será positivo: caso contrário será negativo. 19  Acúmulo de massa, próprio dos processos em regime transiente, relaciona a taxa de aumento (ou diminuição) de matéria com o tempo (dmA/dt).  Se numa dada unidade de processo entram mAE(kg/s) de um dado componente “A” e saem mAS (kg/s) desse mesmo componente, havendo reação química (consumo ou geração do componente) à taxa rA(kg/s), a equação de balanço de massa se transforma em: 20 2.4- BALANÇO DE MASSA TOTAL  São os balanços envolvendo a massa total do conjunto de todos os componentes que entram e saem do sistema.  Num balanço total de massa, desaparecem os termos sobre geração e consumo da equação geral (REAGE), uma vez que a matéria não pode ser criada ou destruída (a menos de reações nucleares).  A massa dos componentes (reagentes e produtos) de uma reação se alteram. No entanto a massa total (reagentes e produtos) permanece constante. 21 Processos em Batelada  Pela sua própria natureza, esses processos ocorrem em regime transiente. Como a variação total com o tempo é igual a zero, a massa total é constante; 22 Processos Contínuos  Os termos SAI e ENTRA são diferentes de zero A) Estado não estacionário ou regime transiente Há acúmulo ou variação de massa com o tempo, o termo ACUMULA é diferente de zero. 23 B) Estado estacionário ou regime permanente Processos Contínuos Não há acúmulo ou variação de massa com o tempo, o termo ACUMULA é igual a zero. 24 Processos SemiContínuos  Ocorrem apenas em regime transiente, com saída ou entrada de material Ou 25 2.5- BALANÇO DE MASSA PARA UM COMPONENTE  Caso A seja um reagente: -rA ou produto: + rA  O balanço geral da equação de BM pode ser escrita para um dado componente na mistura. 26 Processos em Batelada  Não há entrada ou saída do componente A A) Com reação química B) Sem reação química 27 Processos Contínuos  Há entrada ou saída do componente A A1) Com reação química e regime transiente A2) Com reação química e regime permanente 28 Processos Contínuos A1) Sem reação química e regime transiente A2) Sem reação química e regime permanente 29 Processos SemiContínuos  Ocorrem apenas em regime transiente, com saída ou entrada de material A) Com reação química 31 2.6- ORIENTAÇÕES GERAIS PARA REALIZAÇÃO DE CÁCULOS DE BM 1- Desenhe um fluxograma para o processo 2- Numere as correntes de processo e relacione as espécies envolvidas, denominando-as por letras ou pela suas fórmulas químicas. 3- Escreva os valores e unidades de todas as variáveis de processo conhecidas sobre as linhas de corrente ou numa tabela. 4- Indique sobre as respectivas correntes de processo ou na tabela, as variáveis desconhecidas a serem calculadas com símbolos algébricos e unidades. 5- Se houver uma mistura de unidades mássicas e molares, deve-se normalizar as dimensões e unidades, transformando-as de acordo com os procedimentos já estudados. 6- Converta valores de vazão volumétrica em valores correspondentes de vazões mássica ou molar, pois pode haver variação de massa específica . Os BM são baseados na lei de conservação de massas. 32 Uma experiência de velocidade de crescimento de certos organismos requer o estabelecimento de um ambiente de ar úmido enriquecido em oxigênio. Três correntes são alimentadas à câmara de evaporação para produzir uma corrente de saída com a composição desejada. a) água líquida alimentada à vazão de 20 cm3 /min b) ar (21% O2 e 79% N2 molar) c) Oxigênio puro, com vazão molar igual a um quinto da vazão molar da corrente B. O gás de saída é analisado e observa-se que ele contém 1,5% (molar) de água. Calcule as variáveis desconhecidas. Exemplo 2.1: CÂMARA DE EVAPORAÇÃO Ṅ1 mols ar / min Y_O2^= 0,21 mols de O2 / mol Y_N2^= 0,79 mols de N2 / mol Ṅ2 mols O2 / min Ṅ3 mols H2O / min = 1,11 mols H2O / min Ṅ4 mols / min Y_A4 = 0,015 mols H2O / mol Y_N2^4= mols N2 / mol Y_O2^4= mols O2 / mol 34 Procedimento Geral para Cálculos de BM 1. Desenhe um fluxograma e indique todos os valores das variáveis conhecidas. 2. Escolha base de cálculo, uma quantidade ou vazão de uma das correntes de processo. Se nenhuma quantidade ou vazão for conhecida, assuma uma qualquer como base de cálculo (100 kg, 100 kg/h, etc.). 3. Indique no fluxograma, através de letras e índices, as variáveis desconhecidas. 4. Converta valores de volumes ou vazões volumétricas em quantidades mássicas ou molares, usando dados tabelados de densidades ou as leis dos gases. 5. Se houver uma mistura de unidades mássicas e molares é conveniente adotar-se uma ou outra para a realização dos cálculos transformando-as de acordo com procedimento já estudado (conversão de frações mássicas em molares ou vice-versa 35 6- Escreva as equações de balanço material, identificando o tipo de processo em questão (contínuo, batelada, transiente, permanente, com reação ou sem reação). Como as equações de balanço de massa são interdependentes, se não houver reação e N espécies estiverem presentes, você pode escrever no máximo Neq . Se uma for a equação de balanço total então você escreverá (N-1) equações para componentes. Escreva os balanços numa ordem tal que envolverem o menor número de variáveis desconhecidas sejam escritos em primeiro lugar. Lembre-se que o número de equações tem que ser iguais ao número de variáveis desconhecidas. Caso contrário há algo de errado. 7- Resolva o sistema de equações 36 Exemplo 2.2 Suponha uma mistura de 3 correntes, uma de ar (21% O2 e 79% N2 molar) à vazão de 100 mols/h , uma de CO2 a 30oC e 1 atm à vazão de 60 L/min e uma corrente de N2 à vazão de 1,4 Kg/h. Obtenha a composição molar da corrente resultante. Misturador de gases 1 2 3 4