introdução à engenharia química

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Introdução à Engenharia QuímicaIntrodução à Engenharia Química

Professor:Professor: Francisco MouraFrancisco MouraBibliografia:Bibliografia: Himmelblau, David M. e Riggs, James B.; Engenharia Himmelblau, David M. e Riggs, James B.; Engenharia

Química - Princípios e Cálculos, 7Química - Princípios e Cálculos, 7aa ed., Editora LTC, 2006. ed., Editora LTC, 2006.

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ia2. Balanço Material2. 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.

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ia2. Balanço Material2. 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 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+ - - =

50000 /ano 22000 /ano 75000 /ano 19000 /ano A /ano+ - - =

A = -22000 /ano (Todo ano a população decresce em 22000 pessoas)

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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 Material2. Balanço Material

Ex: Processo de destilação.

Entrada Geração Saída Consumo Acúmulo+ - - =0 0 0

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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)

CO2

COO2

N2

SO2

H2O

Análise de Orsat ou base seca

- Ar em excesso: Quando se deseja combustão (O2 de excesso) completa (CO2 e H2O)

100excessoOentadolimaO

excessoOexcessoar%

100requeridoO

requeridoOentadolimaOexcessoar%

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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

Base de cálculo: 1 mol de CH4

- Quantidade de ar requerido (teórico):

2

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Ndesãomoles52,7

ardemoles52,9Omoles21,0

ardemol1Odemoles2

- Quantidade de ar de excesso:)Ndemoles78,9eOdemoles60,2(

ardemoles38,1230,1ardemoles52,9

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Resumo: ar O2 N2

Requerido 9,52 2 7,52

Excesso 12,38 2,60 9,78

Composição Gases da Chaminé:

Espécie Moles %

CH4 0 0

CO2 1 4,4

H2O 2 8,7

O2 2,6 11,3

N2

7,5275,6

9,78

Total 22,9 100

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Ex: SecagemUma 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 %

Celulose 0,29 50,9

Água 0,28 49,1

Total 0,57 100

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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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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

perdasdelb

destiladodelb6,0

625,0

375,0

P

D

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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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Base de cálculo: 100lb de água evaporada

- Balanço total: A = B + 100

- Balanço da massa seca: A.0,20 = B.0,60

assim, A3

1

60,0

A20,0B

inicialmassalb150evapágualb7,66

.evapágualb100inicialmassalb100

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:

inicialmassalb100

.evapáguadelb7,663,33100evaporadaáguademassa

inicialmassalb100

finalmassalb3,33

asecmassalb60

finalmassalb100

inicialmassalb100

asecmassalb20

Base de cálculo: 100lb de massa inicial

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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 efluenteb) Qual foi a percentagem de ar em excesso.

Base de cálculo: 100lb-mol de GCS:

Base de cálculo: 100lb de efluente:

Clb161Cmollb1

Clb12Cmollb4,13

Cmollb331,7Clb12

Cmollb1Clb88

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Resolvendo o problema usando a solução algébrica

x = lb efluentey = lb-mol GCSz = lb-mol arw = lb-mol H2O

Base de cálculo: x = 100lb efluente

- Balanço total:

- Balanço por componentes:

w18y3,30z29100

Cmollb1

Clb12

GCSmollb1

Cmollb134,0GCSmollby88,0100

C:

H2:2

2

2

22 Hmollb1

Hlb2

OHmollb1

Hmollb1OHmollbw12,0100

N2:

O2:

y83,0z79,0

GCSmollb1

Omollb)134,0036,0(GCSmollby

OHmollb1

Omollb5,0OHmollbwz21,0 2

2

22

Obs.: os componentes de amarração envolve somente duas correntes.

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Assim: GCSmollb6,5412134,0

88,0100y

armollb5,576,5479,0

83,0z

4,1910097,11,12

97,1excessoar%


excessoOexcessoar%

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Cálculo do percentual de ar em excesso:

O2 alimentado = 57,5.0,21 = 12,1lb-mol

O2 excesso = 0,036.54,6 = 1,97lb-mol

(a)

(b)

Extra:efluentelb100

OHmollb6

2

12,0100w 2

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Resolvendo o problema usando os componentes de amarração.

efluentelb100

GSCmollb6,54

efluentelb100

Clb88

Clb161

GSCmollb100

efluentelb100

GSCmollb6,54

efluentelb100

Cmollb33,7

Cmollb4,13

GSCmollb100

GCSmollb100

Omollb1,22

Nmollb79

Omollb21

GCSmollb100

Nmollb83 2

2

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ou

(a)

(b)

4,191006,31,22

6,3excessoar%


excessoOexcessoar%

22

2


Extra:efluentelb100

OHmollb6

Hlb2

OHmollb1

efluentelb100

Hlb12 2

2

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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.

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ia 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.


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.

hkmol3R75,0)R1(R

hkmol2P225,0)R1(P

Cálculo do reciclo:

Produção de amônia:

Base de cálculo: 1 kmol de N2

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Tempo Entrada Reciclo Saída[hora] N2 [kmol/h] H2 [kmol/h] Tot [kmol/h] N2 [kmol/h] H2 [kmol/h] Tot [kmol/h] NH3 [kmol/h]

1 1.00 3.00 4.00 0.75 2.25 3.00 0.502 1.75 5.25 7.00 1.31 3.94 5.25 0.883 2.31 6.94 9.25 1.73 5.20 6.94 1.164 2.73 8.20 10.94 2.05 6.15 8.20 1.375 3.05 9.15 12.20 2.29 6.86 9.15 1.536 3.29 9.86 13.15 2.47 7.40 9.86 1.647 3.47 10.40 13.86 2.60 7.80 10.40 1.738 3.60 10.80 14.40 2.70 8.10 10.80 1.809 3.70 11.10 14.80 2.77 8.32 11.10 1.85

10 3.77 11.32 15.10 2.83 8.49 11.32 1.8911 3.83 11.49 15.32 2.87 8.62 11.49 1.9212 3.87 11.62 15.49 2.90 8.71 11.62 1.9413 3.90 11.71 15.62 2.93 8.79 11.71 1.9514 3.93 11.79 15.71 2.95 8.84 11.79 1.9615 3.95 11.84 15.79 2.96 8.88 11.84 1.9716 3.96 11.88 15.84 2.97 8.91 11.88 1.9817 3.97 11.91 15.88 2.98 8.93 11.91 1.9818 3.98 11.93 15.91 2.98 8.95 11.93 1.9919 3.98 11.95 15.93 2.99 8.96 11.95 1.9920 3.99 11.96 15.95 2.99 8.97 11.96 1.9921 3.99 11.97 15.96 2.99 8.98 11.97 2.0022 3.99 11.98 15.97 2.99 8.98 11.98 2.0023 3.99 11.98 15.98 3.00 8.99 11.98 2.0024 4.00 11.99 15.98 3.00 8.99 11.99 2.0025 4.00 11.99 15.99 3.00 8.99 11.99 2.0026 4.00 11.99 15.99 3.00 8.99 11.99 2.0027 4.00 11.99 15.99 3.00 9.00 11.99 2.0028 4.00 12.00 15.99 3.00 9.00 12.00 2.0029 4.00 12.00 16.00 3.00 9.00 12.00 2.0030 4.00 12.00 16.00 3.00 9.00 12.00 2.00


introdução à engenharia química

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