Introdução à Engenharia Introdução à Engenharia Química Química Professor: Professor: Francisco Moura Francisco Moura Bibliografia: Bibliografia: Himmelblau, David M. e Riggs, James B.; Himmelblau, David M. e Riggs, James B.; Engenharia Química - Princípios e Cálculos, Engenharia Química - Princípios e Cálculos, 7 7 a ed., Editora LTC, 2006. ed., Editora LTC, 2006.
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Main TitleIntrodução à Engenharia Química
*
*
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).
*
*
2. Balanço Material
Entrada
(Alimentação)
Geração
+
-
-
=
Ex: Todo ano 50000 pessoas mudam para uma determinada cidade, 75000 saem para outras cidades, 22000 nascem e 19000 morrem. Escrever o balanço populacional.
Entrada
Geração
Saída
Consumo
Acúmulo
*
*
2. Balanço Material
Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia
Balanço do Benzeno: 500 kg B/h = 450 kg B/h + m2 m2 = 50 kg B/h
Balanço Tolueno: 500 kg T/h = m1 + 475 kg T/h m1 = 25 kg T/h
Conferindo os cálculos:
Balanço de Massa Total: 1000 kg/h = 450 + m1 + m2 + 475 (kg/h)
m1 = 25 kg T/h e m2 = 50 kg/h
1000 kg/h = 1000 kg/h
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.
CO2
CO
O2
N2
SO2
H2O
Análise de Orsat ou base seca
*
*
Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia
Suponha que você está queimando gás natural (100% de CH4) em um aquecedor doméstico com 130% de ar em excesso. Qual a composição do gás de chaminé.
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
- Quantidade de ar requerido (teórico):
- Quantidade de ar de excesso:
2. Balanço Material
2. Balanço Material
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
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.
*
*
2. Balanço Material
- 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
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.
*
*
2. Balanço Material
- Balanço total: A = B + 100
- 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
*
*
2. Balanço Material
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:
*
*
2. Balanço Material
x = lb efluente
y = lb-mol GCS
z = lb-mol ar
w = lb-mol H2O
- Balanço total:
*
*
2. Balanço Material
O2 alimentado = 57,5.0,21 = 12,1lb-mol
O2 excesso = 0,036.54,6 = 1,97lb-mol
Resolvendo o problema usando os componentes de amarração.
ou
(a)
(b)
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.
*
*
Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia
Ex: Um reator de síntese de amônia opera segundo a reação,
N2(g) + 3H2(g) = 2NH3(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:
*
*
2. Balanço Material
TempoEntrada Reciclo Saída
[hora]N2 [kmol/h]H2 [kmol/h]Tot [kmol/h]N2 [kmol/h]H2 [kmol/h]Tot [kmol/h] NH3 [kmol/h]
11.003.004.000.752.253.000.50
21.755.257.001.313.945.250.88
32.316.949.251.735.206.941.16
42.738.2010.942.056.158.201.37
53.059.1512.202.296.869.151.53
63.299.8613.152.477.409.861.64
73.4710.4013.862.607.8010.401.73
83.6010.8014.402.708.1010.801.80
93.7011.1014.802.778.3211.101.85
103.7711.3215.102.838.4911.321.89
113.8311.4915.322.878.6211.491.92
123.8711.6215.492.908.7111.621.94
133.9011.7115.622.938.7911.711.95
143.9311.7915.712.958.8411.791.96
153.9511.8415.792.968.8811.841.97
163.9611.8815.842.978.9111.881.98
173.9711.9115.882.988.9311.911.98
183.9811.9315.912.988.9511.931.99
193.9811.9515.932.998.9611.951.99
203.9911.9615.952.998.9711.961.99
213.9911.9715.962.998.9811.972.00
223.9911.9815.972.998.9811.982.00
233.9911.9815.983.008.9911.982.00
244.0011.9915.983.008.9911.992.00
254.0011.9915.993.008.9911.992.00
264.0011.9915.993.008.9911.992.00
274.0011.9915.993.009.0011.992.00
284.0012.0015.993.009.0012.002.00
294.0012.0016.003.009.0012.002.00
304.0012.0016.003.009.0012.002.00
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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).
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2. Balanço Material
Entrada
(Alimentação)
Geração
+
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Ex: Todo ano 50000 pessoas mudam para uma determinada cidade, 75000 saem para outras cidades, 22000 nascem e 19000 morrem. Escrever o balanço populacional.
Entrada
Geração
Saída
Consumo
Acúmulo
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2. Balanço Material
Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia
Balanço do Benzeno: 500 kg B/h = 450 kg B/h + m2 m2 = 50 kg B/h
Balanço Tolueno: 500 kg T/h = m1 + 475 kg T/h m1 = 25 kg T/h
Conferindo os cálculos:
Balanço de Massa Total: 1000 kg/h = 450 + m1 + m2 + 475 (kg/h)
m1 = 25 kg T/h e m2 = 50 kg/h
1000 kg/h = 1000 kg/h
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.
CO2
CO
O2
N2
SO2
H2O
Análise de Orsat ou base seca
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Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia
Suponha que você está queimando gás natural (100% de CH4) em um aquecedor doméstico com 130% de ar em excesso. Qual a composição do gás de chaminé.
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
- Quantidade de ar requerido (teórico):
- Quantidade de ar de excesso:
2. Balanço Material
2. Balanço Material
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
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.
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2. Balanço Material
- 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
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.
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2. Balanço Material
- Balanço total: A = B + 100
- 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
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2. Balanço Material
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:
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2. Balanço Material
x = lb efluente
y = lb-mol GCS
z = lb-mol ar
w = lb-mol H2O
- Balanço total:
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2. Balanço Material
O2 alimentado = 57,5.0,21 = 12,1lb-mol
O2 excesso = 0,036.54,6 = 1,97lb-mol
Resolvendo o problema usando os componentes de amarração.
ou
(a)
(b)
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.
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Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia
Ex: Um reator de síntese de amônia opera segundo a reação,
N2(g) + 3H2(g) = 2NH3(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:
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2. Balanço Material
TempoEntrada Reciclo Saída
[hora]N2 [kmol/h]H2 [kmol/h]Tot [kmol/h]N2 [kmol/h]H2 [kmol/h]Tot [kmol/h] NH3 [kmol/h]
11.003.004.000.752.253.000.50
21.755.257.001.313.945.250.88
32.316.949.251.735.206.941.16
42.738.2010.942.056.158.201.37
53.059.1512.202.296.869.151.53
63.299.8613.152.477.409.861.64
73.4710.4013.862.607.8010.401.73
83.6010.8014.402.708.1010.801.80
93.7011.1014.802.778.3211.101.85
103.7711.3215.102.838.4911.321.89
113.8311.4915.322.878.6211.491.92
123.8711.6215.492.908.7111.621.94
133.9011.7115.622.938.7911.711.95
143.9311.7915.712.958.8411.791.96
153.9511.8415.792.968.8811.841.97
163.9611.8815.842.978.9111.881.98
173.9711.9115.882.988.9311.911.98
183.9811.9315.912.988.9511.931.99
193.9811.9515.932.998.9611.951.99
203.9911.9615.952.998.9711.961.99
213.9911.9715.962.998.9811.972.00
223.9911.9815.972.998.9811.982.00
233.9911.9815.983.008.9911.982.00
244.0011.9915.983.008.9911.992.00
254.0011.9915.993.008.9911.992.00
264.0011.9915.993.008.9911.992.00
274.0011.9915.993.009.0011.992.00
284.0012.0015.993.009.0012.002.00
294.0012.0016.003.009.0012.002.00
304.0012.0016.003.009.0012.002.00
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