exercicio de destilaria

Quím ica Tecno lóg ica Gera l - José Ivan Abeid V ive i ros - Ed ição 2011

ESCOLA DE ENGENHARIA DE LINS PLANO DE AULA

DISCIPLINA MODULO DATA TURMA HORARIO

109.007 QUÍMICA PARA ENGENHARIA 04 2011 T1/T2

19:00 – 20:35 20:55 – 22:30

CONTEÚDO/ MODULO SUB-TITULOS

Rendimento e Produt iv idade

Tecnologia Química

RENDIMENTO E PRODUTIVIDADE

1. Rendimento

1.1. Conceito

Denomina-se Rendimento [R] a relação entre a quantidade de produto [P] obtida e

a quantidade de matéria -prima [MP] utilizada para isto.

Normalmente a expressão industrial de unidades para Rendimento é kg/kg, ou seja,

kg de produto por kg de matéria -prima.

R = P

MP

Onde: R = Rendimento P = Produto MP = Materia-Prima

1.2. Aplicações do Rendimento

Em uma reação, alguns reagentes ou matérias -primas combinam-se para formar

produtos de reação. Estes reagentes, reagem e formam produtos de acordo com as

Leis Ponderais que regem as reações químicas.

Além das informações relacionadas com o rendimento da p rodução, é comum

desejar-se conhecer o comportamento da matéria prima (ou de cada coadjuvante de

produção).

Isto pode ser expresso pelo Consumo Específico [C] de matéria prima [MP] ou

coadjuvante, que é a relação entre a quantidade desta matéria e a quantidade de

produto [P] com ela obtido.

[C] = MP

P

onde: [C] = Consumo específico de certa matéria [P] = Produto total [MP] =

Matéria prima da qual se pretende obter o consumo específico.

O cálculo correto do consumo específico deve ser baseado nas equações químicas

estequiométricamente balanceadas propostas pelo laboratório. Entretanto

considerando as deficiências do processo industrial (“in vivo”) em relação ao

processo de laboratório (“in vitro”) verifica -se que a quantidade de uma matéria

Quím ica Tecnológ ic a Gera l - José I van Abeid V ive i ros - Ed ição 2011

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prima específica fornecida ao processo industrial, é maior que a quantidade desta

matéria prima específica que deveria reagir ou participar da reação formando

produto, ou seja, aquela que foi estabelecida pela equação fornecida pelo

laboratório.

Procedemos então aos dois cálculos:

Consumo Específico de matéria -prima Fornecida [CF] , ou seja, aquela adquirida e

colocada à disposição para consumo industrial, e Consumo Específico de matéria -

prima reagida, ou seja, aquela que reagiu e formou produto [CR] .

Na verdade o consumo específico retrata o material efetivamente necessário à

reação, porém, com os dois cálculos, podemos avaliar a quantidade de uma matéria

prima sendo fornecida e não utiliz ada necessariamente pelo processo, denotando

assim, baixo rendimento, mal aproveitamento ou perda.

1.3. Exercícios Resolvidos (do balanço anterior)

1.3.1 "Uma desti laria de cachaça trabalha com uma coluna de destilação contínua

que recebe uma garapa fermentada, também chamada de vinho ou mosto, com 8,5%

de álcool (o resto é água). Após a destilação, obtém -se uma aguardente destilada

com 44,5% de álcool (o resto é água), e um resti lo também chamado vinhoto,

vinhaça ou ainda garapão com 0,6% de álcool" . Qual o Rendimento, o Consumo

Específico de álcool e a perda porcentual de álcool ?

Resolução

a) Rendimento

Rendimento (R) = Produto (P)

Materia Prima (MP)

Produto: 18,00 kg aguardente

Matéria prima: 100,00 kg de vinho

R = 18,00 kg R = 0,18 kg/kg

100,00 kg

b) Consumo Específico de Álcool [C] = Matéria Prima [MP]

Produto [P]

Matéria Prima: 8,5 kg [só o álcool contido na matéria prima]

Produto: 18,0 kg aguardente

[C] = 8,5 kg [C] = 0,47 kg/kg

18,0 kg

c) Perda Porcentual de álcool

A perda é obtida por uma regra de três simples, estabelecendo a relação existente

entre o álcool perdido no resíduo e o álcool total fornecido na matéria prima:

82,0 kg resíduo com 0,6% de álcool 0,492 kg de álcool

8,5 kg de álcool total contido em 100,0 kg de MP 100,00%

0,492 kg de álcool perdido no resíduo X %

0,492 x 100,00 % = Perda Porcentual de Álcool = 5,788 %


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8,5 kg

1.3.2 Em uma indústria que fabrica gás clorídrico pela reação de ácido sulfúrico

com cloreto de sódio, a produção diária em 24 h, é de 5,5 ton. de HCl . A

alimentação do reator é de 300 li tros de H2SO4 (d=1,75 g/cm3) por hora, e 450 kg

de NaCl . Pede-se: a) consumo de matéria prima por dia. b) Rendimento. c)

Consumo específico de H2SO4 por dia.

Resolução:

a) consumo de matéria prima por dia:

H2SO4 300 L d = 1,75 g/cm 3

m = d x V m = 300 L x 1,75 kg/L 525 kg/h

525 kg/h x 24 h 12.600 kg H2SO4 por dia

NaCl 450 kg/h x 24 h 10.800 kg NaCl por dia

Matéria Prima total por dia (24 h) 23.400 kg/dia

b) Rendimento:

Rendimento = produto R = 5.500 kg/dia .

matéria prima 23.400 kg/dia

Rendimento : R 0,235 kg/kg

c) Consumo Específico de Ácido Sulfúrico

H2SO4 + 2 NaCl Na2SO4 + 2 HCl

Mol 98,0 g 117,0 g 142,0 g 73,0 g

(observamos que para cada 73,0 g de gás clorídrico produzido são utilizados -

reagem - 98,0 g de ácido sulfúrico. Considerando que a indústria produz 5.500,00

kg de gás clorídrico/dia, procedemos à regra de três simples).

73,0 g HCl 98,0 g H2SO4

5.500,0 kg HCl x

x = H2SO4 utilizados para produção de 5.500,00 kg de HCl

H2SO4 = 5.500,00 kg (HCl)x 98,00 g (H2SO4)

73,00 g (HCl)

H2SO4 utilizado (reage) = 7.383,5 kg

[CR] = matéria prima (reagida) [CR] =7.383,5 kg

produto final 5.500,0 kg

Consumo específico de H2SO4 : [CR] => 1,34 kg/kg (REAGIDO)

(Observe que são fornecidos 12.600,0 kg de ácido sulfúrico, e o processo consome

apenas 7.383,5 kg. Está claro que está se fornecendo mais que o necessário. Neste

caso, procede-se também ao cálculo do ácido sulfúrico fornecido.)

[CF] = matéria prima (fornecida) [CF] = 12.600,0 kg


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produto final 5.500,0 kg

Consumo específico de H2SO4 : [CF] 2,29 kg/kg (FORNECIDO)

Verificamos de pronto, que (2,29 kg - 1,34 kg) 0,95 kg de ácido sulfúrico estão

sendo fornecidos e não utilizados pelo processo.

2. Produtividade

2.1. Conceito

A otimização de processos pode ser avaliada pela Produtividade (PRO). Na

atividade industrial , a produtividade é a relação (quociente) entre o Produto

obtido em um certo TEMPO , e em um VOLUME de instalação industrial.

Pro = Produto

Tempo x Volume

A produtividade inclui tempo de produção, volume instalado, e exclui a matéria

prima. A otimização de processos pode, em caso, reduzir o volume de instalação e

manter a mesma produção, com conseqüente redução de mão -de-obra.

Diversas situações são possíve is, devendo-se estabelecer a mais interessante sob

todos os aspectos:

- aumentar a produtividade e a produção;

- manter a produtividade e aumentar a produção;

- aumentar a produtividade e diminuir rendimento;

- etc.

2.2. Exercício resolvido

2.2.1 O amoníaco, é obtido da fixação do Nitrogênio atmosférico, pela reação com

o Hidrogênio. Um reator de 3,5 m3 é al imentado com 80 kg/minuto de N2 , e 15

kg/minuto de H2 . A indústria produz 9,6 ton. de Amoníaco( NH3) por dia, em

jornada de 8 h.

Pede-se: a) Rendimento b) Consumo específico de Hidrogênio c) Produtividade

Resolução: Inicialmente deve-se converter todas as unidades, por exemplo em kg e

horas.

Nitrogênio – 80,0 kg/min 4.800 kg/h

Hidrogênio – 15,0 kg/min 900 kg/h

Amoníaco – 9,6 ton./8 h 1.200 kg/h

a) Rendimento

Importante: Para o cálculo do Rendimento, devem ser empregadas as massas

totais das matérias-primas uti lizadas !

Rendimento

=

produto R =

1.200,0 kg

matéria prima 5.700,0 kg

Rendimento: R 0,21 kg/kg

b) Consumo Específico de Hidrogênio

Vamos verificar a estequiometria da reação para 1.200,0 kg de NH3

Reação Teórica 3 H2 + 1 N2 2 NH3


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Massas Moleculares 6,0 g 28,0 g 34,0 g

Calculo de H2 e N2 y x 1.200,0 kg

x (N2)= 1.200,00 kg x 28,0 g N2 988,24 kg/h

34,0 g

y (H2)= 1.200,00 kg x 6,0 g H2 211,76 Kg/h

34,0 g

Obs.: Para a produção de 1.200,00 kg de amoníaco, são fornecidos 4.800,00 kg de

N2 por hora e só reagem (são uti lizados) 988,24 kg. São fornecidos 900,00 kg de

H2 por hora e só reagem (são uti lizados) 211,76 kg.

[CR] H2 = matéria prima H2 (REAGIDO) 211,76 kg

produto (NH3) 1.200,00kg

Consumo Específico: [CR] => 0,1765 kg/kg (REAGIDO)

Como são fornecidos 900,00 kg de hidrogênio por hora, e só reagem 211,76 kg,

convém proceder-se também ao cálculo do hidrogênio fornecido.

CF] H2 = Matéria Prima H2 (FORNECIDO) 900,00 kg

Produto (NH3) 1.200,00 kg

Consumo Específico: [CF] => 0,75 kg/kg (FORNECIDO)

c) Produtividade

Importante: Para o cálculo da produtividade devem ser empregados os dad os

globais da produção real.

Produtividade= produto final PRO = 1.200,0 kg

tempo x volume 1 h x 3,5 m3

Produtividade: PRO => 342 kg/m3 x h

Obs.: Pelos exemplos utilizados, pode -se verificar que as massas de matéria prima

fornecida e consumida, são diferentes. Assim sendo, sempre procederemos ao

cálculo de Consumo Específico de matéria prima Fornecida [CF] , e Consumo

específico de matéria prima Consumida pela reação, ou reagida [CR] , e verificada

na estequiometria.


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3. Exercícios Propostos.

3.1. Uma indústria fabrica Cloreto de Alumínio ( AlCl3), reagindo Ácido Clorídrico

(HCl) com Alumínio metálico (Al).

O reator da fábrica tem capacidade de 3,8 m 3 e é alimentado com 2.800,0 L de HCl

com densidade = 1,18 g/cm 3) e 600,0 kg de Al por hora. A produção diária em

jornada de 8 horas é de 9,8 ton. Pede -se: a) Rendimento; b) Produtividade

mensal;

c) Consumo específico de Ácido Clorídrico (Forn./Cons.)

3.2. Em uma operação de cristalização, purifica -se sacarose para separá-la da

glicose que a impurifica. Consegue-se as seguintes informações relativas à glicose:

no produto 0,90 %; na entrada 6,60 %; no sub -produto 97,50 %.

A operação é feita em uma turbina que fornece 72.000,0 kg de produto por dia de

24 horas, ocupando um volume de 18,5 m3.

Pede-se: a) O esquema da operação; b) Balanço de material total e parciais para

um mês de operação; c) Rendimento; d) Produtividade. e) Recuperação porcentual

da sacarose;

3.3. Resolva o mesmo exercício (2) considerando uma matéria prima qu e tenha

100,0 kg de glicose, e todos os demais dados iguais.

3.4. Considere uma indústria que fabrica gás clorídrico (HCl) pela reação de ácido

sulfúrico(H2SO4) e cloreto de sódio (NaCl).

A produção diária de um reator de 5,6 m3 é de 16,8 toneladas por dia (24 horas). A

alimentação do reator é de 920,0 L de ácido sulfúrico ( H2SO4) de densidade = 1,75

g/cm3 e de 1340,0 kg de NaCl por hora.

Pede-se: a) balanço de materiais total e parciais; b) Rendimento; c)

Produtividade; d) Consumo específico de H2SO4 reagido e fornecido.

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