Aula 6

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Balano de Massa e Energia.

Sumario

Introduo.

Balano de Massa. Exemplos.

Balano de Energia. Balano de calor.*

*Processos IndustriaisComplicados problemas industriais so resolvidos pela aplicao dos princpios da qumica, da fsica e da fsico-qumica, e de sua aplicao depende o SUCESSO da soluo obtida.As tcnicas de aplicao dos princpios bsicos para resolver problemas de processo, e de operaes unitrias, constituem, em seu conjunto, a ESTEQUIOMETRIA INDUSTRIAL.A variedade de princpios colocados disposio para resoluo dos problemas de estequiometria industrial muito grande, eles se dividem em:balanos materiais;balanos de energia;reaes de equilbrio;equaes de velocidade de equilbrio.

*Balanos MateriaisLei da conservao da massa:A massa de um sistema fechado permanece constante durante os processos que nele ocorrem.Torna-se possvel calcular a quantidade dos produtos obtidos, a partir das quantidades dos reagentes inicialmente adicionados ao sistema, desde que suas frmulas qumicas sejam conhecidas e bem como as reaes que ocorrem durante o processo.

*Trs elementos para iniciar os Balanos MateriaisImaginar o que est ocorrendo no sistema, CONHECER O PROCESSO, o primeiro passo para a resoluo de um problema.Esquematizar o processos num FLUXOGRAMA simplificado, onde ilustre apenas as correntes que intervm no casos especfico. Todos os dados importantes disponveis devero ser colocados diretamente no fluxograma, dentre eles: vazes, composies, presso, temperatura.ESTUDAR O FLUXOGRAMA E OS DADOS de modo a relacionar mentalmente as diversas correntes do processo e as quantidades das diversas substncias que compe estas correntes.

Procedimento para problemas de Balano de materiais1. Elaborao de um diagrama de fluxo dos Processos.2. Listar todos os dados disponveis.3. Listar toda a informao requerida para o balano4. Dividir os limite do sistema.5. Se h reao qumica escrever todas as reaes envoltas.6. Selecionar as variveis informativas e de clculo.7. Checar o numero de equaes. #Eq = #Incg8. Decidir a base de clculo (so quantidades arbitrarias)*

*A Tcnica dos Balanos MateriaisEscolher a BASE DE CLCULO apropriada e indic-la com clareza e destaque.Base de clculo a quantidade arbitrria de reagentes ou produtos em relao qual se referem todos os clculos efetuados.Selecionar o SISTEMA em torno do qual sero feitos os balanos.Realizar os balanos, obtendo em resultado um nmero suficiente de equaes que permita resolver o sistema, ou seja, o N DE EQUAES SEJA IGUAL AO N DE INCGNITAS.

O Principio de Conservao da matria (com e sim reao quimica)* O principio de conservao da matria pode ser aplicado a clculos industriais. aplicvel a operaes continuas e descontinuas o tambm em estado estacionrio e no estacionrios. Estado estacionrio quando as condies de operao a mesma em qualquer instante de tempo. Acumulao=0Sada = Entrada + Gerado - ConsumidoACUMULAO ENTRADA POR SAIDA POR GERACION CONSUMODENTRO DO = OS LIMITES - OS LIMITES + POR - POR SISTEMA DO SISTEMA DO SISTEMA REAO REAO

*Tipos de Balanos:

Balano total: Se analisa simultaneamente todo o que entra e todo o que sai sim particularizar em nenhuma substancia. BT A = B + C

Balano por componentes: Se analisa a composio de cada componente em cada corrente. BPx1 A*X1 = B*X1 + C*X1 BPx2 A*X2 = B*X2 + C*X2

Ex. Balano do componente 1, supor que s existe em A e em C. X1A = m1/A X1C = m1/C X1A . A = X1C . CB,X1,X2

*Exemplo: Duas misturas metanol - gua de composies diferentes esto contidas em recipientes separados. A primeira mistura contm 40% em peso de metanol e a segunda contm 70% em peso. Se 200g da primeira mistura so combinados com os 150g da segunda, quais so a massa e a composio do produto?. Considere que no h interao entre o metanol e a gua.

*Soluo: o processo em batelada, sem reao qumica. Observemos que as correntes de entrada e sada mostradas no diagrama, denotam estados iniciais do sistema em batelada. Como no h reao qumica: ENTRA=SAI

* Mescla SeparaoProcessos Bsicos em Engenharia de processosA + B = CA =B + CA + B = C + DReagentes Produtos

*FluxogramaColuna de Destilaogua deRefrigeraoCondensadorRefervedorVapor deAquecimentoResduo (W)Destilado (D)Alimentao(F)Sistema ISistema IISistema III

*Tanque de ArmazenamentoNuma instalao de recuperao de soda do processo sulfato para produo de celulose, recebe gua de vrias fontes, por isto se tem um tanque de armazenamento de gua quente destinada a lavar lama de carbonato. Num dia de operao, 240m3 de condensado da fbrica so enviados para este tanque, 80m3 de gua quente contendo pequena quantidade de hidrxido de clcio e soda custica vm do lavador de lama e,130m so provenientes do filtro rotativo. Durante esse mesmo perodo,300m so retirados para usos diversos, 5m e so perdidos por evaporao e, 1m por vazamentos. A capacidade do tanque de 500m e, no incio do dia, est com lquido at a sua metade. Quanta gua haver no tanque no fim do dia?

*Tanque de Armazenamento

*V=500m3130 m380m35 m3240 m31 m3300 m3Mentra Msai = AcmuloMentra = (240 + 130 + 80) m3Msai = (300 + 5 + 1) m3

Acmulo = 450 -306 = 144 m3

Exemplo I*Um evaporador, que trabalha em estado estacionrio, concentra uma soluo salina em gua desde 20 at 40 % de sal. Determine a relao entre a gua evaporada e a soluo alimentada.Eleio do sistema de trabalho:EvaporadorE20 % salV (agua)40 % sal C

*Criar o sistema de equaes:

Balano total: E = C + V(1)Balano de sal: 0,20E = 0,40C (2)Se ha conformado um sistema de dos equaciones com trs incgnitas. Se pode supor uma das correntes de Base: E = 1 kg.

Soluo do sistema de equaes:Resolvendo (2), C = 0,5 kg. y substituindo em (1), V =0,5 kg. (V/E) = 0,5Resumo: A soluo do sistema de equaes se pode resolver sim utilizar base de clculo, substituindo uma equao na outra e se chega diretamente relao pedida.

Exemplo II*Num tanque se adiciona uma soluo ao 12,43 % peso de cido sulfrico e pela parte superior 200 kg de uma soluo ao 77,7 % de H2SO4 , para obter uma soluo final de 18,63 % de H2SO4. Quantos kg de soluo se obtm?. Quantos kg de H2SO4 ao 12,43 % se adicionaram?XH2SO4 =18,63 %P = ?

F = ?

A= 200 Kg

*Balano total. F + A = P (I) F = P A

Balano por componenteF. X1 + A . X1 = P (X1) (II)(P-200) X1 + AX1 = P (X1)P (0,1243) 200 (0,1243) + 200 (0,97) = P (0,186)P = 2110,4 KgF = 1910,4 KgFAP

Balano de Energia* Energia. Primeira Lei. Balano de Energia.El Principio de Conservao da Energia se aplica de forma similar ao Principio de Conservao da massa:E(acumulada) = E(entrada) E(saida) + E(gerada) E(consumida)Para seu estudo h que partir do concepto de energia e suas formas de manifestar-se.Energia: a forma de expresso do movimento da matria e ao igual que ela indestrutvel.Para seu estdio se agrupa em dois grandes categorias:

*A) Energia Acumulvel: Caracteriza o estado do sistema. Seu valor est determinado a um estado de referencia, nunca em forma absoluta.

Formas de Energia Acumulvel:Cintica (Ec):Energia que tem uma sistema , devido velocidade. Associada ao movimento do sistema Ec = ( m v2) .

Potencial (Ep): Energia que posei um sistema devido influencia fora gravitacional. Associada posio do sistema Ep =(mgh) Interna (U): Energia devido ao movimento de tomos e molculas, como as foras de atrao. Devido estrutura do sistema (U = Uf Ui)

Fluxo (PV): Energia caracterstica dos fluxo estacionrios. uma varivel de estado. (PV) = P2*V2 - P1* V1

Entalpa (H): uma aplicao do Balano de energia. H = U + PV . uma varivel de estado H = U - (PV) onde PV Trabalho de FluxoEnergia Acumulvel

*B) Energia em Trnsito: Se associa ocorrncia de um processo.

Formas de energia em trnsito:

Trabalho: Efeito mecnico (W = P dV -V dP em sistemas fechado ou abertos). a ENERGIA que se transfere quando um sistema move a outro mediante uma fora F

Calor: Efeito trmico, se determina de acordo ao processo (Q) e a ENERGIA que se transmite de forma espontnea de um corpo ou sistema de maior temperatura a outro de menor temperatura

*Primeira Lei da termodinmica; a manifestao do Principio de Conservao da Energia e sua aplicao a um sistema concreto se conhece como Balano de Energia: U = -(H + Ec + Ep + ...) +Q W -HrA entalpia se utiliza quando se trabalha com sistemas abertos, a energia interna em sistemas fechadosO calor se toma com signo positivo quando recebido por o sistema.O trabalho se toma positivo quando o realiza o sistema.O calor de reao se define para reaes exotrmicas, desprendido por o sistema e entretanto, aparece negativo no expresso.A energia acumulvel em funo do tempo, para processos em estado estacionrio seu valor nulo.

*Aplicaes do Balano de EnergiaPROCESSO EM ESTADO ESTACIONARIO: U = 0, Q W = H +

SISTEMA FECHADO EM ESTADO ESTACIONARIO: Q W = E = U

TROCADOR, EVAPORADOR, CALDEIRA: Q = H

TURBINA, COMPRESSOR: W = -H

REATORES, FORNOS: Q = Hr

Balano de calor*O Balano de calor um caso particular do Balano de Energia. E quando as outras formas de energias so deprecivel (Ep, Ec, W).Qentrada = Qsaida

Expreses para calcular Q, como:

Variao do calor sensvel : Q = F*Cp*(Tf Ti) onde Cp (J/kg-K)2. Variao de Entalpia: Qi = F * hi : Qf =F * hf Q = Qf Qi Q = F (hf - hi) h (J/kg)

3. Calor Latente: Q = F* (W) o calor de troca de fase ( Vaporizao, Condensao, Sublimao)

Concluses*Balanos de materiais.Lei de Conservao da massa e energia Primeira Lei da termodinmica. Balano de Energia