Slide - Unidade 2 - Balanços de Massa - 2023-2

2. BALANÇOS DE MASSA Prof.ª Alice Medeiros de Lima Princípios dos Processos Químicos 10.501-5 SUMÁRIO 2.1. Fluxogramas de processo 2.2. Introdução aos balanços de massa 2.3. Classificação dos processos 2.4. Equação geral de balanço 2.5. Balanço de massa para um componente 2.6. Procedimentos para realização de cálculos de balanço de massa 2.7. Balanços em processos de múltiplas unidades 2.8. Reciclo 2.9. Bypass e purga 2.10. Balanço de massa em processos com reação SUMÁRIO 2.1. Fluxogramas de processo 2.2. Introdução aos balanços de massa 2.3. Classificação dos processos 2.4. Equação geral de balanço 2.5. Balanço de massa para um componente 2.6. Procedimentos para realização de cálculos de balanço de massa 2.7. Balanços em processos de múltiplas unidades 2.8. Reciclo 2.9. Bypass e purga 2.10. Balanço de massa em processos com reação 2.1. FLUXOGRAMAS DE PROCESSO ⚫ Processos químicos são representados por um desenho esquemático chamado de fluxograma ou diagrama de fluxo do processo. Estes diagramas indicam a lógica do processo. ⚫ Na fase de projeto de um processo, vários diagramas de fluxo são feitos para ilustrar as alternativas. 2.1. FLUXOGRAMAS DE PROCESSO ⚫ Os 3 principais tipos de fluxograma são: − BFD (Block flow diagram): diagrama de blocos − PFD (Process flow diagram): diagrama de processo − P&ID (Piping and instrumentation diagram): diagrama de instrumentação e tubulação. 2.1. FLUXOGRAMAS DE PROCESSO ⚫ BFD (Diagrama de blocos) − Representam as principais seções de processamento em blocos. − Este nível de detalhe ajuda a sumarizar as principais unidades do processo, e é muito utilizada nas fases iniciais de um projeto, quando várias alternativas do processo estão em consideração. 2.1. FLUXOGRAMAS DE PROCESSO ⚫ BFD − Diagrama de blocos do processo de produção de cloreto de vinila (C2H3Cl) 2.1. FLUXOGRAMAS DE PROCESSO ⚫ PFD (Diagrama de fluxo do processo) − Mostra uma visão mais detalhada do processo. − Indicam as maiores unidades de processamento (incluindo trocadores de calor, bombas e compressores), informações de correntes e as principais malhas de controle. − São construídos geralmente utilizando-se simuladores de processo. Adicionalmente, PFDs com maiores detalhes podem ser construídos usando o AUTOCAD, VISIO, Dia, etc. 2.1. FLUXOGRAMAS DE PROCESSO PFD 2.1. FLUXOGRAMAS DE PROCESSO PFD Stream Number Temperature (°C) Pressure (Atm) Vapor fraction Mass flow (lbmol/hr) Molar flow (lbmol/hr) Component molar flow (lbmol/hr): Ethylene Chlorine 1,2-dichloroethane Vinyl chloride Hydrogen chloride Stream Number Temperature (°C) Pressure (Atm) Vapor fraction Mass flow (lbmol/hr) Molar flow (lbmol/hr) Component molar flow (lbmol/hr): Ethylene Chlorine 1,2-dichloroethane Vinyl chloride Hydrogen chloride 2.1. FLUXOGRAMAS DE PROCESSO PFD Process Vessels Storage Vessels Reactors Separation Columns Pumps, Turbines, Compressors Heat Exchangers Fired Heater Instrument Stream Number Process Input or Output Valve Manual Valve Control Valve Figure 3.20 Icons in process flow diagrams. 2.1. FLUXOGRAMAS DE PROCESSO P&ID − Este é o tipo de documento transmitido dos engenheiros de projeto aos engenheiros responsáveis pela construção da planta. − Usado para startup, operação do processo e treinamento de operadores. 2.1. FLUXOGRAMAS DE PROCESSO P&ID ⚫ Tem um grande número de informações que não aparecem do PFD: − Localização e tipo de todos os instrumentos de medida e controle − Posicionamento de todas as válvulas − O tamanho e material de construção das tubulações ⚫ Como consequência, tem-se um número grande de P&ID para um processo que é representado por um simples PFD. 2.1. FLUXOGRAMAS DE PROCESSO P&ID 2.1. FLUXOGRAMAS DE PROCESSO P&ID 2.1. FLUXOGRAMAS DE PROCESSO Outros tipos de fluxograma... Planta 3D 2.1. FLUXOGRAMAS DE PROCESSO Outros tipos de fluxograma... Planta 3D 2.1. FLUXOGRAMAS DE PROCESSO Outros tipos de fluxograma... Planta 3D 2.1. FLUXOGRAMAS DE PROCESSO Nesse curso, estaremos interessados nos fluxogramas do tipo BFD ou diagrama de blocos. Uma unidade de processo (p.ex: reator, coluna de destilação, separador, etc...) ou um conjunto de unidades é representado por um bloco: UNIDADE DE PROCESSO 2.1. FLUXOGRAMAS DE PROCESSO A entrada e saída de material da unidade é representada por uma seta: Entrada 1 Saída 1 Saída 2 2.1. FLUXOGRAMAS DE PROCESSO Quando o processo tem mais de uma unidade, os blocos que representam cada unidade são interligados por meio de setas, que dizem o sentido do processo. UNIDADE 1 UNIDADE 2 Entrada 1 Saída 1 = Entrada 2 Saída 2 Saída 3 Saída 4 Saída 5 = Entrada 3 2.1. FLUXOGRAMAS DE PROCESSO ❑ Numerar as correntes. ❑ Indicar as variáveis conhecidas e principais valores com suas respectivas unidades nas correntes do fluxograma. ❑ Para as variáveis desconhecidas, indicar com letras e índices. UNIDADE 1 1 3 2 ሶ𝑚1 = 100 kg/h xA,1 = 0,5 xB,1 = 0,5 T = 30ºC P = 1 bar ሶ𝑚 2 = ? xA,2 = 0,3 xB,2 = ? T = 30ºC P = 1 bar ሶ𝑚 3 = 10 kg/h xA,3 = 0,95 xB,3 = ? T = 30ºC P = 1 bar EXEMPLO 1 Construir o diagrama de blocos O suco de laranja integral contém 12,0% em massa de sólidos, sendo o resto de água, enquanto o suco de laranja concentrado contém 42,0% em massa de sólidos. Inicialmente, usava-se um processo de evaporação simples para a concentração, mas os constituintes voláteis do suco escapam com o vapor de água, deixando o concentrado sem gosto. O processo atual resolve o problema desviando uma fração de suco integral do evaporador. O suco que entra no evaporador é concentrado até 58,0% de sólidos e o produto é depois misturado com o suco integral desviado para atingir a concentração de sólidos desejada. SUMÁRIO 2.1. Fluxogramas de processo 2.2. Introdução aos balanços de massa 2.3. Classificação dos processos 2.4. Equação geral de balanço 2.5. Balanço de massa para um componente 2.6. Procedimentos para realização de cálculos de balanço de massa 2.7. Balanços em processos de múltiplas unidades 2.8. Reciclo 2.9. Bypass e purga 2.10. Balanço de massa em processos com reação 2.2. INTRODUÇÃO AO BALANÇO 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. Uma dessas é o princípio da conservação da massa, segundo o qual nada pode ser criado ou destruído (a menos de reações nucleares). 2.2. INTRODUÇÃO AO BALANÇO DE MASSA Se em um dado processo 100 g de enxofre estão contidas no carvão diariamente queimado em uma caldeira, esta mesma quantidade de enxofre por dia, deixará a câmara de combustão de uma forma ou de outra. A análise química das cinzas e da fuligem (gases de chaminé ou fumos) revelará a quantidade de enxofre em cada uma dessas substâncias. Mas, necessariamente, a soma das duas quantidades deverá ser igual a 100 g. Para relacionar-se as quantidades de matérias envolvidas em um dado processo, realiza-se a contabilidade das massas totais e de cada componente, tendo em mente o princípio da conservação da massa. SUMÁRIO 2.1. Fluxogramas de processo 2.2. Introdução ao balanço de massa 2.3. Classificação dos processos 2.4. Equação geral de balanço 2.5. Balanço de massa para um componente 2.6. Procedimentos para realização de cálculos de balanço de massa 2.7. Balanços em processos de múltiplas unidades 2.8. Reciclo 2.9. Bypass e purga 2.10. Balanço de massa em processos com reação 2.3. CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS ⚫ Baseado no procedimento de entrada/saída dos materiais: − Batelada − Contínuos − Semi-contínuos ⚫ Baseado na dependência das variáveis do processo com relação ao tempo − Estado estacionário − Transiente 2.3. CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS 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: 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. ∆t 2.3. CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS Contínuo 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. 2.3. CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS Semi-Contínuo (“semi-batch”) 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. 2.3. CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS Estado estacionário ou em regime permanente Se os valores de todas as variáveis de um processo (todas as temperaturas,pressões, vazões, etc.) não se alteram com o tempo (a menos de pequenas flutuações) o processo é dito operar em estado estacionário ou regime permanente. Fonte: https://doi.org/10.1016/j.jprocont.2013.06.011 Fonte: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.iecr.5b04928 2.3. CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS Estado não-estacionário ou em 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, já que em ambos os casos há alteração das variáveis ao longo do tempo. Os processos contínuos, no entanto, 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. SUMÁRIO 2.1. Fluxogramas de processo 2.2. Introdução ao balanço de massa 2.3. Classificação dos processos 2.4. Equação geral de balanço 2.5. Balanço de massa para um componente 2.6. Procedimentos para realização de cálculos de balanço de massa 2.7. Balanços em processos de múltiplas unidades 2.8. Reciclo 2.9. Bypass e purga 2.10. Balanço de massa em processos com reação 2.4. EQUAÇÃO GERAL DE BALANÇO SAI = ENTRA + GERADO – CONSUMIDO - ACUMULADO (através da fronteira) (através da fronteira) (dentro do sistema) (dentro do sistema) (dentro do sistema) Pode ser aplicada 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. 2.4. EQUAÇÃO GERAL DE BALANÇO Princípio da conservação da massa para um volume de controle: a transferência total de massa para dentro ou para fora de um volume de controle durante um intervalo de tempo ∆t é igual à variação total (aumento ou diminuição) da massa total dentro do volume de controle durante ∆t. ACÚMULO = ENTRA - SAI 2.4. EQUAÇÃO GERAL DE BALANÇO Balanço Diferencial: ✓ Indicam o que está acontecendo num dado instante. ✓ Cada termo da equação de balanço é expresso em termo de uma velocidade (taxa); ✓ Tem unidades da quantidade balanceada dividida pela unidade de tempo (g SO2/s; pessoa/ano; barris/dia). ✓ Este é o tipo de balanço usualmente aplicado a um processo contínuo. 2.4. EQUAÇÃO GERAL DE BALANÇO Balanço Integral: ✓ 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. ✓ 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. 2.4. EQUAÇÃO GERAL DE BALANÇO SAI = ENTRA + GERADO – CONSUMIDO - ACUMULADO Referem à produção ou consumo da matéria relacionadas às transformações provocadas por reações químicas. REAGE Componente produzido (Produto) Componente consumido (Reagente) SAI = ENTRA + REAGE - ACUMULADO ሶ𝑚𝑠𝑎𝑖 = ሶ𝑚𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 + ሶ𝑚𝑟𝑒𝑎𝑔𝑒 − 𝑑𝑚 𝑑𝑡 2.4. EQUAÇÃO GERAL DE BALANÇO BALANÇO DE MASSA TOTAL OU GLOBAL PROCESSOS CONTÍNUOS (Sem reação química) Estado Estacionário (regime permanente): Estado não Estacionário (regime transiente): SAI = ENTRA + REAGE - ACUMULADO ሶ𝑚𝑠𝑎𝑖 = ሶ𝑚𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 + ሶ𝑚𝑟𝑒𝑎𝑔𝑒 − 𝑑𝑚 𝑑𝑡 ሶ𝑚𝑠𝑎𝑖 = ሶ𝑚𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 ሶ𝑚𝑠𝑎𝑖 = ሶ𝑚𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 + ሶ𝑚𝑟𝑒𝑎𝑔𝑒 − 𝑑𝑚 𝑑𝑡 𝑑𝑚 𝑑𝑡 = ሶ𝑚𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 − ሶ𝑚𝑠𝑎𝑖 PROCESSOS BATELADA (Sem reação química) Pela sua própria natureza, esses processos se desenvolvem em regime transiente. dm dt = 0 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = 𝑚𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 SUMÁRIO 2.1. Fluxogramas de processo 2.2. Introdução ao balanço de massa 2.3. Classificação dos processos 2.4. Equação geral de balanço 2.5. Balanço de massa para um componente 2.6. Procedimentos para realização de cálculos de balanço de massa 2.7. Balanços em processos de múltiplas unidades 2.8. Reciclo 2.9. Bypass e purga 2.10. Balanço de massa em processos com reação 2.5. BALANÇO DE MASSA PARA UM COMPONENTE PROCESSO BATELADA (Sem reação química) SAI = ENTRA → REAGE (A) = 0 dmA dt = 0 𝑚𝐴,𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = 𝑚𝐴,𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 PROCESSO CONTÍNUO (Sem reação química) (a) Regime transiente ACÚMULO(A) = ENTRA(A) - SAI(A) (b) Regime permanente SAI(A) = ENTRA(A) dmA dt = ˙mA,E− ˙mA,S ˙mA,E= ˙mA,S EXEMPLO 2 Duas misturas metanol-água estão contidas em recipientes separados. A primeira mistura contém 40% de metanol e a segunda contém 70% de metanol. Se 200 g da primeira mistura são combinadas com 150 g da segunda, qual será a massa e a composição do produto? EXEMPLO 3 Mil quilogramas por hora de uma mistura de benzeno e tolueno que contém 50% benzeno em massa são separadas por destilação em duas frações. A vazão mássica do benzeno na corrente de saída do topo é 450 kg B/h, e para o tolueno na corrente de saída do fundo é 475 kg T/h. A operação se desenvolve em regime permanente. Escreva os balanços para o benzeno e o tolueno para calcular as vazões não conhecidas nas correntes de saída. REFERÊNCIAS Felder, R. M., Rosseau, R. W. Princípios Elementares dos Processos Químicos, Ed. LTC, 3ª ed., 2005. Himmelblau, D. M., Riggs, J. B. Engenharia Química – Princípios e Cálculos, Ed. LTC, 7ª ed., 2006. Badino Junior, A. C., Cruz, A. J. G. Balanços de Massa e Energia – Um texto básico para análise de processos químicos. EdUFSCar, 2010. Seider, W. D., Seader, J.D., Lewin, D. R. Product & Process Design Principles – Synthesis, analysis and evalutation. Ed. Wiley, 2ª ed., 2009. Silla, H. Chemical Process Engineering. Ed.Marcel Dekker, 2003.