Introdução à Engenharia Química

1. Introdução à Engenharia Química Professor:Francisco Moura Bibliografia:Himmelblau, David M. e Riggs, James B.; Engenharia Química - Princípios e Cálculos, 7a ed., Editora LTC, 2006.

2. 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). Regime não estacionário (transiente): Neste caso, os parâmetrosde processo variam com o tempo.

3. 2. Balanço Material  Equação geral do balanço molar Geração (Produzido dentro do sistema) Acúmulo (dentro do sistema) Consumo (dentro do sistema) Entrada (Alimentação) Saída (Descarga) + - - = Ex: Todo ano 50000 pessoas mudam para uma determinada cidade, 75000 saem para outras cidades, 22000 nascem e 19000 morrem. Escrever o balanço populacional. Acúmulo Entrada Saída + - - = Geração Consumo 75000 /ano 22000 /ano A /ano 50000 /ano + - - = 19000 /ano A = -22000 /ano (Todo ano a população decresce em 22000 pessoas)

4. 2. Balanço Material

5. 2. Balanço Material Ex: Processo de destilação. 0 0 0 Acúmulo Entrada Saída + - - = Geração Consumo 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 

6. 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 - Gases da Chaminé (base úmida) - Ar em excesso: Quando se deseja combustão (O2 de excesso) completa (CO2 e H2O) Aparelho de Orsat

7. 2. Balanço Material 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): - Quantidade de ar de excesso:

8. 2. Balanço Material Resumo: Composição Gases da Chaminé:

9. 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:

10. 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.

11. 2. Balanço Material 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

12. 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.

13. 2. Balanço Material Base de cálculo: 100lb de água evaporada - 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. Base de cálculo: 100lb de massa inicial Colocando na base de 100lb de água evaporada:

14. 2. Balanço Material 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 efluente b) Qual foi a percentagem de ar em excesso. Base de cálculo: 100lb-mol de GCS: Base de cálculo: 100lb de efluente:

15. 2. Balanço Material Resolvendo o problema usando a solução algébrica x = lb efluente y = lb-mol GCS z = lb-mol ar w = lb-mol H2O Base de cálculo: x = 100lb efluente - Balanço total: - Balanço por componentes: C: H2: N2: O2: Obs.: os componentes de amarração envolve somente duas correntes.

16. 2. Balanço Material Assim: (a) 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 (b) Extra:

17. 2. Balanço Material Resolvendo o problema usando os componentes de amarração. (a) ou (b) Extra:

18. 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. Purga: fluxo sangrado para remover acúmulos de inertes ou materiais indesejados que poderiam atrapalhar o processo.

19. 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. 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. Base de cálculo: 1 kmol de N2 Cálculo do reciclo: Produção de amônia:

20. 2. Balanço Material