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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ – CCET Professor Emerson Martim Fundamentos de Processos

1 – INTRODUÇAO

A natureza impõe certas restrições às transformações químicas e físicas de matéria, que precisam ser levadas em conta quando projetamos um novo processo ou analisamos um já existente. Uma dessas restrições é o princípio da conservação da massa ou Princípio de Lavosier, segundo o qual nada pode ser criado ou destruído, apenas transformado (a menos das reações nucleares). Se em um dado processo 120g de enxofre estão contidos no carvão diariamente queimado em uma caldeira, esta mesma quantidade de enxofre por dia deixará a câmara de combustão de uma forma ou de outra. A análise química das cinzas ou da fuligem (gases de chaminé ou fumos) revelará a quantidade de enxofre em cada uma dessas substâncias. Mas necessariamente, a soma das duas quantidades deverá ser igual a 120g. Para relacionar-se as quantidades de matéria envolvidas em um dado processo, o engenheiro realiza um balancete ou uma contabilidade das massas totais e de cada componente, tendo em mente o princípio da conservação da massa. Esta técnica é chamada de balanço de massa ou de material.

1.1 Classificação dos Processos

Os processos químicos podem ser classificados em batelada, contínuos ou semi-contínuos. A classificação se baseia no procedimento de entrada e saída dos materiais.

1.1- Processos em Batelada:

A alimentação é introduzida no sistema de uma só vez, no início do processo e todos os produtos são retirados algum tempo depois. Nenhuma massa atravessa a fronteira do sistema no intervalo de tempo decorrido entre a alimentação e a remoção dos produtos.

Exemplo: adição instantânea de reagentes em um tanque e remoção dos produtos e reagentes não consumidos algum tempo depois, quando o sistema atingiu o equilíbrio; panela de pressão; cozimento de pão; preparação de uma vitamina em um liquidificador.

1.2- Processos Contínuos:

A alimentação e os produtos fluem continuamente enquanto dura o processo. Há contínua passagem de matéria através das fronteiras do sistema.

Exemplo: Bombeamento de uma mistura de líquidos a uma vazão constante a um tanque e retirada dos produtos na mesma vazão constante. Evaporador (processo industrial) de suco de laranja.

1.3- Processos Semi-Contínuos:

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.

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

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b) escape de gás de um bujão pressurizado.
c) tanque de combustível.

Os processos também são classificados em relação ao tempo, como estado estacionário ou transiente.

2.1 Processos em estado estacionário ou regime permanente

Se os valores de todas as variáveis de processo (todas as temperaturas, pressões, concentrações, vazões, etc.) não se alteram com o tempo (a menos de pequenas flutuações) o processo é dito que opera em estado estacionário ou regime permanente.

2.2 Estado Transiente (ou não permanente)

São aqueles processos onde ocorrem alterações dos valores das variáveis de processo com o tempo.

Os processos em batelada e semi-contínuos, pela sua natureza, são operações em estado transiente, já que ambos os casos há alteração das variáveis ao longo do tempo. No exemplo dos reagentes colocados no tanque de forma instantânea, haverá em cada tempo a alteração da composição do sistema, além das decorrentes alterações de pressão, temperatura, volume, etc. No caso do escape de gás do butijão, haverá alteração da massa e da pressão dentro do sistema com o tempo.

Os processos contínuos, no entanto, podem ocorrer tanto em regime permanente quanto em transiente. Se um dado ponto do sistema as variáveis alterarem-se com o tempo, o regime será transiente. Mas, se naquele ponto, não houver alteração, o regime será permanente, mesmo que essas variáveis tenham valores diferentes em um outro ponto do mesmo sistema, mas também aí constantes no tempo.

Consideremos o exemplo da parede de um forno de cozimento dentro da qual a temperatura é igual a 200°C. A temperatura do lado externo é ambiente (25°C). Quando se inicia o aquecimento do forno, a temperatura da parede interna será de 200°C e da externa 25°C. Com o decorrer do tempo, a temperatura da parede externa irá aumentando até atingir uma temperatura final de 40°C, por exemplo, e a partir daí estabilizar-se-á e se formará um perfil de temperaturas definido em função das propriedades do material que compõe o material. Então até que a temperatura atinja esse valor inicial, o processo é transiente pois a temperatura variou neste ponto (parede externa) com o tempo. Quando a temperatura da parede externa não mais se alterar, o regime atingiu regime permanente. Observemos que continuamente haverá passagem de calor porque há uma diferença de temperatura entre as duas faces da parede do forno, mas em qualquer posição da parede isolante do forno, a temperatura será constante com o tempo e o processo se desenvolve em estado estacionário. Observemos que regime permanente não quer dizer equilíbrio. Num determinado processo, se o equilíbrio for alcançado, cessará a passagem de calor. A Figura 3.1 esquematiza este exemplo.

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T=200°CT=200°C T=200°C
T=25°CQ T=30°C Q T=45°C Q
t0=0t1>t0 t2>t1 permanente

39 Figura 3.1 – Perfis de Temperatura

Os processos em batelada são comumente utilizados quando quantidades relativamente pequenas de um produto necessitam ser produzidas em dadas ocasiões. Os processos contínuos são usualmente desenvolvidos quando se necessitam de grandes produções. Eles são normalmente operados em estado estacionário ocorrendo o estado transiente na partida do processo (start-up) ou quando ele necessita ser intencionalmente ou acidentalmente reparado.

1.2 Equação de Balanço

Suponha que ao final de um dado mês você recebeu R$100,0 de salário. Perdeu

R$20,0, gastou R$70,0 e ganhou R$40,0 na loteria. A quantidade de dinheiro acumulado no final do mês será:

∆ = dinheiro que entra por mês – dinheiro que desapareceu no mês = R$ (10,0 + 40,0 - 20,0 - 70,0) = R$50,0 Assim, neste mês você acumulou R$50,0.

Suponhamos agora um processo contínuo onde entra e sai metano à vazão qe (kg CH4/h) e qs (kg CH4/h), respectivamente, representado na Figura 3.2.

As vazões foram medidas e constatou-se que qe é diferente de qs. Há cinco explicações para este fato:

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.

Se as medidas estão corretas, e não há vazamento, as demais possibilidades (uma ou ambas) são responsáveis pela diferença constatada.

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UNIDADE DE
qe (kg CH4 / h)PROCESSO qs (kg CH4 / h)

40 Figura 3.2 – Unidade de processo

Um balanço (ou contabilidade) de massa de um sistema (uma única unidade, várias unidades ou o sistema como um todo) pode ser escrito na seguinte forma geral:

SAI = ENTRA + GERADO - CONSUMIDO - ACUMULADO

(através da fronteira) (através da fronteira)(dentro do sistema) (dentro do sistema) (dentro do sistema)

Esta é a equação geral de balanço que pode ser escrito para qualquer material que entra ou deixa um sistema: pode tanto ser aplicado a massa total de componentes do sistema ou a qualquer espécie molecular ou atômica envolvida no processo.

Nós podemos também escrever dois tipos de balanços:

A) Balanços Diferenciais

São os balanços que indicam o que está acontecendo num dado sistema num dado instante. Cada termo da equação de balanço é expresso em termos de uma velocidade (taxa); e tem unidade da quantidade balanceada dividida pela unidade de tempo (g SO2 / h; pessoa/ano; barris / dia). Este é o tipo de balanço usualmente aplicado a um processo contínuo.

B) Balanços Integrais

São os balanços que descrevem o que acontece entre dois instantes de tempo (∆t). Cada termo da equação de balanço é então uma quantidade balanceada com sua respectiva unidade (g SO2; pessoas, barris) Este tipo de balanço é usualmente aplicado a processos em batelada, como os dois instantes de tempo sendo o momento imediatamente após a entrada da alimentação e o momento imediatamente anterior à retirada do produto.

Os termos “gerado” e “consumido” se referem à produção ou consumo de matéria relacionados às transformações provocadas por reações químicas. Podem, portanto, serem substituídos pelo termo “reage”. Se um dado componente a ser balanceado estiver sendo produzido no interior do sistema, o termo será positivo; caso contrário será negativo.

Assim,SAI= ENTRA + REAGE – ACUMULA

O acúmulo de massa, próprio dos sistemas em regime transiente, relaciona a taxa de aumento (ou diminuição) de matéria com o tempo (dmA/dt). Se em uma dada unidade de processo entram qAe (kg/s) de um dado componente “A” e saem qAs (kg/s) desse mesmo componente, havendo reação química (consumo ou geração do componente) à taxa rA (kg/s), a equação se transforma em:

dmrqq A AAeAs−+=

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