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1 Introdução à Engenharia Química Professor: Francisco Moura Bibliografia: Himmelblau, David M. e Riggs, James B.; Engenharia Química - Princípios e Cálculos,

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1 1 Introdução à Engenharia Química Professor: Francisco Moura Bibliografia: Himmelblau, David M. e Riggs, James B.; Engenharia Química - Princípios e Cálculos, 7 a ed., Editora LTC, 2006.

2 2 2. Balanço Material Tipos de processos Batelada: O sistema é carregado no início e descarregado após um tempo determinado para a execução do processo. Contínuo: O fluxo de alimentação e descarga ocorrem simultaneamente. Semi-contínuo: O processo ocorre como se fosse contínuo, mas com alimentação e descarga intermitentes. Os processos, ainda podem ser de: Regime estacionário (permanente): Os valores dos parâmetros do processo (temperatura, pressão, volume, vazões, concentrações) não variam com o tempo (exceto por possíveis flutuações em torno de um valor médio). Regime não estacionário (transiente): Neste caso, os parâmetros de processo variam com o tempo.

3 3 2. Balanço Material Equação geral do balanço molar Entrada (Alimentação) Geração (Produzido dentro do sistema) Saída (Descarga ) Consumo (dentro do sistema) Acúmulo (dentro do sistema) +--= Ex:Todo ano pessoas mudam para uma determinada cidade, saem para outras cidades, nascem e morrem. Escrever o balanço populacional. Entrada Geração Saída Consumo Acúmulo +--= /ano /ano /ano /ano A /ano +--= A = /ano(Todo ano a população decresce em pessoas)

4 4 2. Balanço Material

5 5 Balanço do Benzeno:500 kg B/h = 450 kg B/h + m 2 m 2 = 50 kg B/h Balanço Tolueno:500 kg T/h = m kg T/hm 1 = 25 kg T/h Conferindo os cálculos: Balanço de Massa Total: 1000 kg/h = m 1 + m (kg/h) m 1 = 25 kg T/h e m 2 = 50 kg/h 1000 kg/h = 1000 kg/h 2. Balanço Material Ex:Processo de destilação. Entrada Geração Saída Consumo Acúmulo +--= 000

6 6 2. Balanço Material Problemas com soluções diretas Problemas em que uma massa e uma composição não são conhecidas podem ser resolvidos diretamente por simples adições e subtrações. Ex:Combustão. Aparelho de Orsat - Gases da Chaminé (base úmida) CO 2 CO O 2 N 2 SO 2 H 2 O Análise de Orsat ou base seca - Ar em excesso: Quando se deseja combustão (O 2 de excesso) completa (CO 2 e H 2 O)

7 7 Suponha que você está queimando gás natural (100% de CH 4 ) em um aquecedor doméstico com 130% de ar em excesso. Qual a composição do gás de chaminé. CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O Base de cálculo: 1 mol de CH 4 - Quantidade de ar requerido (teórico): - Quantidade de ar de excesso: 2. Balanço Material

8 8 Resumo: arO2O2 N2N2 Requerido9,5227,52 Excesso12,382,609,78 Composição Gases da Chaminé: EspécieMoles% CH 4 00 CO 2 14,4 H2OH2O28,7 O2O2 2,611,3 N2N2 7,52 75,6 9,78 Total 22,9100

9 9 2. Balanço Material Ex:Secagem Uma polpa de celulose tem 71% de água. Após a secagem 60% da água original foi removida. -Qual a composição da polpa de celulose seca? -Qual a massa de água removida por kg de polpa úmida? Base de cálculo: 1kg de polpa de celulose úmida Massa de água removida: 0,6. 0,71kg = 0,43kg/kg de polpa úmida Massa de água não removida: 0,71kg – 0,43kg = 0,28kg/kg de polpa úmida Composição da polpa que passou pelo processo de secagem: kg% Celulose0,2950,9 Água0,2849,1 Total0,57100

10 10 2. Balanço Material Balanço material usando técnicas algébricas Neste caso, o balanço material pode levar a um conjunto de equações lineares, que pode ser solucionado por substituições. Se o número de equações for muito grande pode se utilizar métodos numéricos (método da triangularização de Gauss). Ex:Destilação - Para o processo esquematizado abaixo, calcule: - Libras de destilado por libras alimentadas e - Libras do destilado por libras de perdas.

11 11 2. Balanço Material Base de cálculo: 1lb de alimentação - Balanço total:1 = D + P - Balanço do etanol:1. 0,35 = D. 0,85 + P. 0,05 - Balanço da água:1. 0,65 = D. 0,15 + P. 0,95 Substituindo tem-se:D = 0,375lb/lb alimentada e P = 0,625lb/lb alimentada

12 12 2. Balanço Material Problemas envolvendo componentes de amarração Um componente de amarração é o material que vai de uma corrente (fluxo) para outra sem qualquer variação na massa. Ex:No processamento do peixe, após a extração do óleo, ele é secado em um equipamento rotatório, moído e acondicionado. Calcular a massa alimentada no secador.

13 13 2. Balanço Material Base de cálculo: 100lb de água evaporada - Balanço total: A = B Balanço da massa seca: A. 0,20 = B. 0,60 assim, Substituindo no balanço total: A=150 lb de massa inicial Resolvendo o problema usando o componente de amarração. Colocando na base de 100lb de água evaporada: Base de cálculo: 100lb de massa inicial

14 14 2. Balanço Material Ex:Combustão – Incinerador catalítico Para o processo esquematizado abaixo, calcule: a)Determinar quantos lb-mol de gás de combustão seco são produzidos por 100lb de efluente b)Qual foi a percentagem de ar em excesso. Base de cálculo: 100lb-mol de GCS: Base de cálculo: 100lb de efluente:

15 15 2. Balanço Material Resolvendo o problema usando a solução algébrica x = lb efluente y = lb-mol GCS z = lb-mol ar w = lb-mol H 2 O Base de cálculo: x = 100lb efluente - Balanço total: - Balanço por componentes: C: H2:H2: N2:N2: O2:O2: Obs.: os componentes de amarração envolve somente duas correntes.

16 16 2. Balanço Material Assim: Cálculo do percentual de ar em excesso: O 2 alimentado = 57,5. 0,21 = 12,1lb-mol O 2 excesso = 0, ,6 = 1,97lb-mol (a) (b) Extra:

17 17 Resolvendo o problema usando os componentes de amarração. ou (a) (b) 2. Balanço Material Extra:

18 18 2. Balanço Material Cálculos de reciclo, derivação (bypass) e purga Reciclo:Parte do fluxo de saída (reagente com suficiente concentração para ser reaproveitado) que volta para a entrada do processo. Bypass:Fluxo que é desviado de um ou mais estágios do processo passando diretamente para um outro estágio. Purga:fluxo sangrado para remover acúmulos de inertes ou materiais indesejados que poderiam atrapalhar o processo.

19 19 Ex:Um reator de síntese de amônia opera segundo a reação, N 2 (g) + 3H 2 (g) = 2NH 3 (g) Supondo que a alimentação seja estequiométrica e que a conversão seja de 25%, calcular o fluxo molar de reciclo e de amônia. 2. Balanço Material Em 1908, Haber e Le Rossignol projetaram, construíram um equipamento em que uma mistura gasosa de nitrogênio e hidrogênio a 200 atm era introduzida em um reator de síntese de amônia. Após a reação a corrente de saída passava por um separador onde a amônia era liquefeita e separada e os gases que não reagiram era reciclado para o reator. Cálculo do reciclo: Produção de amônia: Base de cálculo: 1 kmol de N 2

20 20 2. Balanço Material


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