Processo de Produo Qumica 1. Sem./2011 Engenharias

Nesta Aula Veremos ... Balano de Energia1. Introduo 2. Formas de Energia 3. Balano Macroscpico de Energia 4. Equao Geral do B.E. 5. B.E. para Sistemas Fechados Estacionrios 6. B.E. para Sistemas Fechados No-estacionrios 7. B.E. para sistemas Abertos Estacionrios Exerccios de aplicao

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Balano de EnergiaIntroduo

O que Energia ?

http://www.hiperescopio.com.br/imagens/ciente c/energia/base.swf

Balano de EnergiaIntroduoOrigem da palavra ENERGIA

enrgeia

Energia

Capacidade de gerar W ou Q

Produo de movimento contra uma resistncia

Balano de EnergiaDe onde vem a energia ?Energia cara. Ainda no aprendemos a usar eficientemente o infinito fornecimento de energia grtis proveniente do Sol, dos ventos e das mars; a gerao de energia nuclear possvel, mas os despejos radioativos so perigosos, e no existem suficientes quedas de guas represas para gerar em hidroeltricas. Isto nos deixa com a queima de combustveis ...

Energia habilidade para realizao de certo trabalho.

Balano de Energia Como medida a energia ?1J Energia envolvida para erguer, de 1 m, um corpo de aproximadamente 100 grama.

Transformao

Forma pela qual a energia transferidaTrabalho = Fx x

Unidade Medida Joule (J) Caloria (cal)

Mecnica Aquecimento

Calor

1 cal Quantidade de calor que aquece 1 grama de gua de 1oC.

Balano de Energia Sistema de Unidades

sistema S.I. S.A.

Comp m p (ft)

tempo seg seg, h

massa kg lbm

Fora Newton lbf

Temp. K, oC R, oF

Energia Joule BTU

S.Ing.

p (ft)

seg

slug

lb-peso

R, oF

BTU (*)

(*) BTU British Thermal Unit

hp.h ex.: ar condicionado

Balano de Energia Unidade Energia e PotnciaUnidade - Energia Smbolo Equivalncia

JouleCaloria (termoqumica) Caloria alimentar British Thermal Unit Quilo-watt-hora Horse Power - horaUnidade - Potencia watt Quilo watt horse power cavalo vapor

Jc C BTU kWh hphSmbolo W kW hp cv

= 1 N.m= 4,180 J = 4.180 J = 1055,06 J = 3,6 MJ = 2,6845 x 106 JEquivalncia = 1 J/s = 1.000 W = 745,7 W = 735,5 W

cavalo vapor

cv

= 0,9863 hp

Balano de EnergiaMatriz Energtica

Balano de EnergiaMatriz Energtica

Balano de EnergiaUsina Termeltrica

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Balano de EnergiaUsina TermeltricaUma usina termeltrica operando em ciclo combinado: gera energia eltrica, atravs de um processo que combina a operao de uma turbina gs (movida pela queima de gs natural) ou leo diesel, diretamente acoplada a um gerador. Os gases de escape da turbina gs, devido temperatura, promovem a transformao da gua em vapor para o acionamento de uma turbina a vapor, nas mesmas condies de operao de uma termeltrica convencional.13

Balano de EnergiaFormao do Smog fotoqumico e aumento do oznio atmosfrico: NOx + HCs + O2 + (UV) .. O3 (perigoso)

Gases que agravam o Efeito Estufa: CO2, CO, NOx e HCs

Chuva cida SO2 + H2O 2 H+ + SO42 NO2 + H2O H+ + NO3 Os ons H+ aumentam a acidez das chuvas

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Balano de Energia Poder CalorficoCombustvel PC superior (Kcal/kg)

O Poder Calorfico a quantidade de calor produzida na combusto de uma unidade de massa ou volume de combustvel

Hidrognio H2GLP

34.00012.000

GasolinaQuerosene

11.20011.100

leo Dieselleo Combustvel Pesado Carvo mineral lcool etlico Gs natural Lenha (20% umidade)

10.88010.410 6.800 6.500 4.300 2.500 3.000

Balano de EnergiaPoder calorficoPoder Calorfico Superior : a quantidade de calor produzida por 1 kg de combustvel, quando este entra em combusto, em excesso de ar, e os gases da descarga so resfriados de modo que o vapor de gua neles seja condensado. Poder Calorfico Inferior : a quantidade de calor que pode produzir 1kg de combustvel, quando este entra em combusto com excesso de ar, e os gases de descarga so resfriados at o ponto de ebulio (ou condensao) da gua, evitando assim que a gua contida na combusto seja condensada.

Balano de Energia Meio Ambiente1. 2. 3. 4. A poluio trmica inevitvel ? Qual a fonte mais econmica de combustvel ? O que pode ser feito com o calor excedente ? Qual a quantidade de vapor dgua, e a que T e P necessria para fornecer calor a um processo ?

A resposta para essas perguntas passam pelo entendimento sobre a transferncia de energia por processos naturais ou por mquinas.

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Balano de Energia Engenharia de Processo1. Quanta potncia (energia/tempo) necessria para bombear 1.250 m3/h de gua desde um tanque de armazenamento at uma unidade de processo? 2. Quanta energia necessria para converter 2.000 kg de gua a 30 C em vapor a 180 C ? 3. Uma reao altamente exotrmica A B acontece em um reator contnuo. Se uma converso de 75% de A atingida, com que taxa a energia deve ser transferida ao reator para manter o contedo a temperatura constante? 4. Quantos kg de leo combustvel deve ser queimado por dia para produzir energia suficiente para gerar vapor que movimentem as turbinas e produza a quantidade de eletricidade necessria abastecer uma cidade com 500.000 habitantes ?

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Indstria QumicaBalano Massa e Energia

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Balano de Energia Industria Qumica1. Todos os processos industriais esto associados a alteraes energticas sob as mais variadas formas 2. Processo com reao qumica: (endotrmico e exotrmico) 3. Processo de combusto : energia interna do combustvel utilizada para gerao de calor (fornos, caldeiras), ou para produo de trabalho (motores e turbinas) 4. Bombas e Compressores: fornece-se trabalho para acelerar ou comprimir fluidos 5. Trocadores de Calor: transfere-se calor de um fluido quente para um fluido frio.20

Balano de MassaEsquema BsicoUso Final Calor de processo Fora Motriz Iluminao, etc

Perdas

Energia Final

Energia til

Eficincia na converso do energtico do uso final

E.F = E.U + PerdasLei da Conservao 1a Lei Termodinmica

Eff [i,j] = E.U [i,j] / E.F [i,j]i = energtico j = uso final

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Balano de Energia Conceitos Bsicos1. Propriedade extensiva: proporcional a massa do material, ex. massa, n. mols, volume, vazo mssica, molar, volumtrica, Ec, Ep e Energia Interna. 2. Propriedade intensiva: independente da quantidade de matria, ex. T, P, densidade 3. Propriedade especfica: quantidade intensiva, obtida pela diviso de uma prop. ext. por uma quantidade total de um material de processo, ex. Volume = 200 cm3 e Massa = 200g, volume especfico = 1 cm3/g

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Balano de Energia Conceitos Bsicos1. Sistema Adiabtico: aquele que no realiza troca de calor com suas vizinhanas durante o processo. um sistema termicamente isolado. 2. Sistema Isotrmico: Nesse sistema a temperatura se mantm invariante durante o processo. 3. Sistema Isobrico: aquele que durante o processo a presso se mantm constante 4. Sistema Isocrico: aquele que durante o processo tem o volume constante.

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Balano de Energia Conceitos Bsicos1. Varivel de Estado: qualquer varivel (ou funo) cujo valor depende somente do estado do sistema. Um exemplo de funo de estado a energia interna, entalpia (H) lei de Hess 2. Varivel de Caminho (funo de caminho): aquela varivel (ou funo) cujo valor depende de como o processo ocorre. Trabalho e Calor so exemplos de funo de caminho.

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2

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Balano de Energia Conceitos Bsicos1. 1. Princpio da Termodinmica: O uso da energia implica em transform-la de uma forma para outra... porm a energia, no criada nem destruda. 2. 2. Princpio da Termodinmica: A energia total do Universo no muda, mas a parcela disponvel para realizao de trabalho, torna-se cada vez menor. Na maioria das transformaes parte da energia convertida em calor (dissipa facilmente)

Energia total antes da exploso

=

Energia total aps a exploso25

Balano de Energia Formas de Energia1. Energia Cintica (Ec): a energia associada velocidade de

um material ou sistema em relao vizinhana. No S.I. a energia cintica calculada como: Ec = m.v2DI = 3,0 cmQ = 1 l /s

gua bombeada de um tanque para uma tubulao de 3,0 cm de dimetro interno a uma vazo de 1 litro/s . Qual a energia cintica especifica da gua ... d =1 Q = v. A A = pi.(D/2)2gua

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Balano de Energia Formas de Energia2. Energia Potencial (Ep): a energia relacionada com o trabalho exercido sobre a massa de um sistema para desloc-lo, com relao a uma superfcie de referncia, num campo gravitacional ou eletromagntico, calculada como: Ep = m.g.h300 m 40 m

gua bombeada de um tanque para outro distante 300 m. O nvel de gua no 2. tanque esta 40 m acima do nvel de gua do 1. Qual o aumento na Ep especifica da gua em J/kg ...27

Balano de Energia Formas de Energia3. Energia Interna (U): Toda energia possuda por um sistema alm das Ec e Ep, tal como a energia devida ao movimento das molculas em relao ao centro de massa do sistema, ao movimento rotacional, vibracional e s interaes eletromagnticas das molculas, e ao movimento e s interaes dos constituintes atmicos e subatmicos das molculas

Entalpia (H): a funo de estado resultado da combinao de U + P.V, ou seja: H = U + P.V

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Balano de Energia Formas de Energia4. Trabalho (W): a energia que flui como resposta a uma fora motriz (ex.: torque, voltagem, etc) que no seja pela diferena de temperatura entre um sistema e suas vizinhanas. Quando as vizinhanas executam trabalho sobre o sistema, diz-se que o trabalho positivo. Caso contrrio, se o sistema executar trabalho sobre suas vizinhanas diz-se que o trabalho negativo. VIZINHANAS SISTEMA FECHADO

W>O

WO

Q 0 transf. da vizinhana sistema

W, Q < 0 transf. do sistema vizinhana32

Balano de Energia Simplificaes

O Balano Energia pode ser aplicado a: 1. sem reao qumica, 2. sistemas abertos ou fechados, 3. em regime estacionrio (permanente)

ou no estacionrio (transiente),4. sistema de 1 ou + componente.33

Balano de Energia Fechado EstacionrioTransfer ncia de energia para o sistema atravs da fronteira

Acmulo de energia dentro do sistema

=

-

Transfer ncia de energia do sistema atravs da fronteira

+

Gerao de energia dentro do sistema

-

Consumo de energia dentro do sistema

ACMULO = ENTRADA SADA ENTRADA = SADA

0

Sem Reao Qumica

0

0

0=Q+W

W, Q > 0 transf. da vizinhana sistema W, Q < 0 transf. do sistema vizinhana34

Balano de Energia Fechado Estacionrio O acmulo de massa e energia no sistema zero, uma vez que ele estacionrio E= 0 Assim Q e W so constantes tanto para dentro como para fora do sistema. Aplicando isso na equao geral temos que:

E= Q + W, como E= 0

Q + W= 0

W= -Q

Isto implica dizer que todo o W realizado sobre este tipo de sistema transferido para fora como Q. O contrrio verdadeiro ? Resp.: O calor absorvido por esse sistema no igual ao trabalho realizado por ele, j que esse calor o calor total, formado pelo calor absorvido e pelo calor perdido.

Balano de Energia Fechado No EstacionrioTransfer ncia de energia para o sistema atravs da fronteira

Acmulo de energia dentro do sistema

=

-

Transfer ncia de energia do sistema atravs da fronteira

+

Gerao de energia dentro do sistema

-

Consumo de energia dentro do sistema

Sem Reao Qumica ACMULO = ENTRADA SADA

0

0

E = Q + W W, Q > 0 transf. da vizinhana sistema

W, Q < 0 transf. do sistema vizinhana36

Balano de Energia Fechado No Estacionrio no ocorre entrada ou sada de massa no sistema (sistema fechado). o estado de material varia com o tempo (sistema noestacionrio)

U + Ec + Ep = E = Q + W

0

0

Para a grande maioria dos sistemas fechados os valores de Ec e Ep so muito pequenos ou nulos. Assim teremos:

E= U=Q+W

Balano de Energia Aberto EstacionrioAcmulo de energia dentro do sistema Transfer ncia de energia para o sistema atravs da fronteira Transfer ncia de energia do sistema atravs da fronteira Gerao de energia dentro do sistema Consumo de energia dentro do sistema

=

-

+

-

Vazes de entrada

0Sistema abertoVazes de sada

Sem Reao Qumica

0

0

E=Q+WACMULO = ENTRADA SADAENTRADA = SADA

We trabalho no eixo Wf trabalho de fluxo

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Balano de Energia Aberto Estacionrio So os mais comuns nos processos da industria qumica O acmulo de massa e energia no sistema zero, uma vez que ele estacionrio: ENTRA = SAI (E = 0)

O que ENTRA = taxa total de transporte Ec, Ep e U + taxa de transferncia de Q e W O que SAI = taxa total de transporte de Ec, Ep e U + taxa de transferncia de Q e W. Se Ej a taxa total de energia transportada pelas correntes j de entrada e sada, temos: Ej (entrada) - Ej (sada) = Q + W Se mj, Ecj, Epj, Uj - correntes j do processo Ej = Uj + Eci + Epj, como Ec = m.v2 e Ep = m.g.h Ej = mj . [ (Uj + v2j)/2 + ghj ]

Balano de Energia Aberto Estacionrio Por outro lado sabemos que: Wf = Pj.Vj (entra) + Pj.Vj (sai) We = trabalho de eixo (feito no fluido: bombas, rotor) Wf = trabalho de fluxo (feito no fluido: entrada sada) Ento: W = We + Wf = We + mj.Pj.Vj (entra) - mj.Pj.Vj (sai) A eq. do balano de energia torna-se: mj(sada) [Hj + v2j/2 + ghj] - mj (entra) [Hj + v2j/2 + ghj] = Q + We Utilizando , temos: H = mj.Hj (sada) - mj.Hj (entrada) Ec = mj. v2j/2 (sada) - mj. v2j/2 (entrada) Ep = mj.hj.g (sada) - mj.hj.g (entrada) Temos: H + Ec + Ep = Q + We H = H.[ mj (sada) - mj (entrada)] Como balano total de massa = mj (sada) = mj (entrada), ento H = 0 (sistema estacionrio)

Resoluo de Problemas de Balano de Energia

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Balano de Energia Passo-a-PassoBalano de energia - Tcnica: 1. Conhecer completamente do processo considerado; 2. Identificar se o sistema aberto ou fechado e se o estado permanente ou no permanente. 3. Esquematizar um fluxograma simplificado 4. Aplicar as simplificaes pertinentes Eq. Geral do B.E. 5. Se sistema aberto, indicar dados para determinao da entalpia especifica (presses, temperaturas, estado agregao) de cada corrente. 6. Escolher um base de clculo apropriada ao caso; 7. Selecionar o sistema onde ocorre o processo ou a operao; 8. Realizar o balano atravs de equaes que traduzam o problema e obter um valor numrico para o caso em anlise.

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Exerccio de Aplicao 1Aplicao Clculo da potencia necessria para bombear gua em um sistema aberto em estado estacionrio: gua bombeada de um poo cujo nvel constante, estando 20 m abaixo do nvel do solo. A gua descarregada a uma vazo de 0,5 m/s em um tubo horizontal que se encontra 5 m acima do solo. Admita que a taxa de transferncia de calor da gua desprezvel durante o escoamento. Calcule a potncia eltrica requerida pela bomba, sabendo que sua eficincia de converso de energia eltrica em mecnica de 100%. Despreza o atrito nos tubos e na bomba.

Passo-a-Passo

1. Fazer um fluxograma e analisar o desenho 2. Sistema aberto em regime no permanente sem reao qumica 3. Eq. Geral : E = Q + W 4. Balano de energia Equaes43

Resoluo 1 Sistema aberto em regime permanente: E = ( U + Ec +Ep) = Q + W Simplificaes: Processo adiabtico Q = 0 Ec = 0 (o sistema esta parado, no h movimento translacional) U = 0 (no h mudana de estado fsico) E = Q + W W = EpVazo = 0,50 m3/sh2 = 5 m

Dados do problema: h1 = 20 m h2 = 5 m Vazo volumtrica = 0,50 m3/s

h1 = 20 m

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Resoluo 1

W = Ep = mg.( h(sada) h(entrada) ) Base de clculo 1 segundo Para calcularmos a vazo mssica de escoamento: Vazo = rea x velocidade, V. mssica = V.volum. x densidade vazo mssica = 0,50 m3/s . 1,0 kg/m3 = 0,5 kg/s Como: W = Ep sada Ep entrada W = Ep = mg.( h(sada) h(entrada)) W = 0,5 kg/s . 10 m/s2 . (25 - 0) m W = 125 J e Potencia = 125 J/s Como 1 HP = 745,7 J/s, temos que 125 J/s = 0,167 HP Uma bomba de HP resolve (0,25 HP)

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Exerccio de Aplicao 2Aplicao Balano de Energia em uma Turbina (sistema aberto em estado estacionrio): 500 kg/h de vapor movimentam uma turbina. O vapor entra na turbina a 44 atm e 450o C com uma velocidade linear de 60 m/s, e sai por um ponto 5 m abaixo da entrada, presso atm e a velocidade de 360 m/s. A turbina fornece trabalho no eixo com uma taxa de 70 kW, e a perda de calor na turbina estimada em 104 kcal/h. Calcule a variao na entalpia especfica associada com o processo.

Passo-a-Passo 1. Fazer um fluxograma e analisar o desenho 2. Sistema aberto em regime no permanente sem reao qumica 3. Eq. Geral : E = Q + W 4. Converter kg/h kg/s, logo 500 kg/h/3600 s/h) = 0,139 kg/s46

Resoluo 2 Balano de energia Equaes Sistema aberto em estado estacionrio (regime permanente): E =( U + Ec +Ep) = Q + W Q = - 104 kcal/h We = - 70 kW Como U = H (h mudana de estado P, V e T) H = Q + We - Ec - Ep500 kg/h 44 atm, 450o C 60 m/s 5 metros 500 kg/h 1 atm 360 m/s Q = -104 kcal/h W = - 70 kW47

Resoluo 2

Ec = m.(V22 - V12) = . 0,139kg/s. (1N/1kg.m/s2).(3602-602) m2/s2 (1W/1N.m/s).(1kW/103 W) = 8,75 kW Ep = m.g.(hsada hentrada) = 0,139 kg/s.9,81N/s.(-5)m. (1kw/103N.m/s) = -6,81x10-3 kW Q = -104 kcal/h.(1J/0,239x10-3 kcal).(1 h / 3600 s).(1 kW/ 103 J/s) = -11,6 kW

We = - 70 kW, temos : H = Q + We - Ec - Ep H = -11,6 - 70 8,75 6,81x10-3 = -90,3 kW

Mas pela equao, H = m.(H2 H1) (H2 H1) = H/m = (-90,3 kJ/s) / (0,139 kg/s) = -650 kJ/kg48

Onde Estudar a Aula de Hoje

Princpios Elementares dos Processos Qumicos Autor: Richard M. Felder (LTC) cap. 7 a 8 (Balanos de Energia sem reao) XEROX - Estequiometria Industrial Autor: Reynaldo Gomide (Cap. III Balanos de Energia) (pg. 77 a 129)

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