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BALANÇO DE MASSA

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by

João Paulo Silva

on 15 September 2015

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Transcript of BALANÇO DE MASSA

BIBLIOGRAFIA
FUDAMENTOS DE BALANÇOS DE MASSA
TIPOS DE BALANÇO
PRINCIPAIS CASOS
BALANÇO DE MASSA
João Paulo Rodrigues da Silva
Lei de Conservação da Massa
DEFINIÇÕES IMPORTANTES
VOLUME DE CONTROLE

DIAGRAMA DO PROCESSO
SISTEMAS
CLASSIFICAÇÃO DE PROCESSOS
1. PROCEDIMENTO DE ENTRADA E SAÍDA DOS MATERIAIS
1,1 PROCESSOS EM BATELADA
1.2 PROCESSOS CONTÍNUOS
1.3 PROCESSOS EM SEMIBATELADA OU SEMICONTÍNUOS
2. COMPORTAMENTO DAS VARIÁVEIS AO LONGO DO TEMPO
2.1 PROCESSOS EM ESTADO ESTACIONÁRIO OU REGIME PERMANENTE
Os valores das variáveis de processo (T, P, vazões, concentrações etc) não variam com o tempo em qualquer posição fixa.
2.2 PROCESSOS EM ESTADO TRANSIENTE OU NÃO PERMANENTE
Os valores das variáveis variam com o tempo
em alguma posição fixa do processo.
EXPLICAÇÕES POSSÍVEIS
1. Está vazando metano através do equipamento.
2. O metano está sendo consumido como reagente.
3. O metano está sendo gerado como produto.
4. O metano está se acumulando dentro da unidade, possivelmente absorvido pelas paredes.
5- As medidas estão erradas.
1. Está vazando metano através do equipamento.
2. O metano está sendo consumido como reagente.
3. O metano está sendo gerado como produto.
4. O metano está acumulando na unidade, possivelmente sendo absorvido em suas paredes.
5- As medidas estão erradas.
EXEMPLO 1
Suponha que ao final de um dado mês você recebeu R$1000,00 de salário. Perdeu R$200,00, gastou R$700,00 e ganhou R$400,00 na loteria. A quantidade de dinheiro acumulado no final do mês será:
EXEMPLO 2
A cada ano, 50000 pessoas se mudam para uma cidade, 75000 pessoas abandonam a cidade, 22000 pessoas nascem e 19000 morrem. Escreva um balanço da população P desta cidade:
1. BALANÇO DIFERENCIAL
Indica o que está acontecendo em um sistema em um instante determinado do tempo.
Cada termo da equação é uma taxa e tem as unidades da quantidade balanceada dividida por uma unidade de tempo (pessoas/ano, barris/dia, massa/tempo, mols/tempo).
Usualmente utilizado em um processo contínuo.
2. BALANÇO INTEGRAL
Descreve o que acontece entre dois instantes de tempo.
Cada termo da equação é uma porção da grandeza balanceada e tem as unidades correspondentes (pessoas, barris).
Normalmente é aplicado a processos em batelada, onde os dois instantes de tempo são o momento depois da entrada dos reagentes e o momento antes da retirada dos produtos.
2.
Balanço integral
em um
processo em batelada
(não há fluxo de material para dentro ou para fora do sistema durante o processo), os termos de
entrada
e de
saída
são iguais a
zero
.
1.
Balanço diferencial
em um
processo contínuo
(o material escoa através do processo) no
estado estacionário

(nenhuma variável do processo varia com o tempo), o termo de
acúmulo
no balanço (a taxa de aumento ou diminuição da quantidade da espécie balanceada) é igual a
zero
.
FELDER, R. M.; ROUSSEAU, R. W.
Princípios elementares dos processos químicos
. 3ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2005
Antoine Laurent Lavoisier
(1743-1794)
MASSA TOTAL DE SAÍDA
MASSA TOTAL DE ENTRADA
=
Exemplo de
balanço de massa

ou
balanço de material
.
Sistema delimitado (escolhido) para se aplicar o balanço de massa.
SISTEMA ABERTO
Permite o fluxo de matéria através da fronteira do sistema.
SISTEMA FECHADO
Não há transferência de massa através da fronteira do sistema no intervalo de tempo de interesse (a massa é fixa dentro do sistema).
O sistema é alimentado e os produtos são retirados de uma só vez, no início e ao final do tempo de processo, respectivamente.

Assim, o processo ao longo da batelada se comporta como um sistema fechado.

Normalmente, esta estratégia de operação é usada para produzir pequenas quantidades de especialidades químicas.



a)
Adição instantânea de reagentes em um tanque e remoção dos produtos e reagentes não consumidos algum tempo depois, quando o sistema atingiu o equilíbrio;

b)
Panela de pressão;

c)
Preparação de uma vitamina em um liquidificador;

EXEMPLOS
Há, continuamente, a passagem de massa através das fronteiras do processo através das correntes de entrada e de saída.

Desta forma o processo se comporta como um sistema aberto.

Esta operação é característica de grandes volumes de produção.




a)
Refino do petróleo e na indústria petroquímica;

b)
Bombeamento de uma mistura de líquidos a uma vazão constante a um tanque e retirada dos produtos na mesma vazão constante.

c)
Evaporador (processo industrial) de suco de laranja.
EXEMPLOS:
A entrada de material é praticamente instantânea e a saída é contínua, ou vice-versa.

Há passagem contínua de matéria através de uma única fronteira (entrada ou saída) do processo.




a)
Adição contínua de líquidos em um tanque misturador, do qual nada é retirado.

b)
Escape de gás de um bujão pressurizado.

c)
Tanque de combustível.
EXEMPLOS:
m
entrada
m
saída
UNIDADE DE
PROCESSO
m (kg CH /h)
4
m (kg CH /h)
4
e
.
s
.
.
.
Um balanço de uma quantidade conservada (massa total, massa de uma espécie particular, energia) em um sistema (uma unidade de processo, uma série de unidades ou um processo completo) pode ser escrito na seguinte forma geral:
RESPOSTA: 500
RESPOSTA: -22000
Os balanços podem ser aplicados:
Massa total
Espécies individuais
Energia
Equação Geral do Balanço
Entrada + Geração - Consumo - Saída = Acúmulo
Em ambos os casos, o balanço é simplificado para:
Entrada + Geração = Saída + Consumo
3. Se o balanço é sobre a
massa total
ou sobre uma
espécie não-reativa
, a equação simplifica-se ainda mais:
Entrada = Saída
1° EXEMPLO
Mil quilogramas por hora de uma mistura de benzeno (B) e tolueno (T) contendo 50% em peso de benzeno são separados por destilação em duas frações. A vazão mássica de benzeno na corrente do topo é 450 kg B/h, e a de tolueno na corrente do fundo é 475 kg T/h. A operação se desenvolve no estado estacionário. Escreva os balanços do benzeno e do tolueno para calcular as vazões do componente desconhecido nas correntes de saída.
EXEMPLO 3
Água entra em um tanque de 2,00 m com uma vazão de 6,00 Kg/s e é esvaziado com uma vazão de 3,00 Kg/s. O tanque está inicialmente pela metade.
a)
Este processo é contínuo, em batelada ou em semibatelada? É transiente ou estacionário?
b)
Escreva um balanço de massa para este processo. Identifique os termos da equação geral do balanço estão presentes na sua equação e estabeleça os motivos para a omissão de qualquer termo não presente.
c)
Quanto tempo levará para o tanque transbordar
3
RESPOSTAS:
a)
Contínuo. Transiente.
b)
Entrada - Saída = Acúmulo
c)
333,3 s
Duas misturas metanol-água de composições diferentes estão contidas em recipientes separados. A primeira mistura contém 40% de metanol e a segunda 70% de metanol em massa. Se 200g da primeira mistura são combinados com 150g da segunda mistura:

a)
Classificar o processo em relação ao tempo e em relação à entrada/saída;

b)
Qual a massa e a composição da corrente de produto formada?

Obs:
Considerar que não há interação entre o metanol e a água.

2° EXEMPLO
Uma mistura contendo 45,0% de benzeno (B) e 55,0% de tolueno (T) em massa é alimentada em uma coluna de destilação. A corrente de saída do topo contém 95,0% de B em massa. A corrente de fundo contém 8,0% de benzeno alimentado. A taxa de alimentação é de 2000,0 kg/h. Determine a vazão da corrente de topo e fundo, além da composição mássica da corrente de fundo.
3° EXEMPLO
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