Fundamentos do Balanço de Massa, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

Baixe Fundamentos do Balanço de Massa e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Mecânica, somente na Docsity! ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA - EST Pós-Graduação Gestão e Tecnologia do Gás Natural GESTÃO AMBIENTAL FUNDAMENTOS DE BALANÇO DE MASSA PROCESSAMENTO DO GÁS NATURAL Joaldo Bezerra da Costa Junior – Engº. Mecânico TEMA: CONCEITO  Um dos princípios fundamentais da engenharia;  São usados para fundamentar quantitativamente: eficiências, rendimentos, dimensionamento de instalações e de equipamentos, etc.;  Baseia-se no princípio de conservação de massa. “A massa não pode ser criada nem destruída, porém, pode ser transformada” Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794) É uma restrição imposta pela natureza CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS  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.  Processos Contínuos - A alimentação e os produtos fluem continuamente enquanto dura o processo. Há contínua passagem de matéria através das fronteiras do sistema. AZUL AMARELO VERDE ENTRADA Q1 SAÍDA Q2 Q1 = Q2 = CTE  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. CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS SAÍDA CONTÍNUA ENTRADA EM BATELADA  Processos em estado estacionário ou regime permanente – Ocorre quando todas as variáveis do processo não se alteram com o tempo. T= 200 ºC T= 45 ºC Interior do forno Ambiente externo T=25 ºC CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS  Processos em estado transiente ou regime não-permanente – São aqueles processos onde ocorrem alterações dos valores das variáveis de processo com o tempo. T= 200 ºC T= 25 ºC Interior do forno Ambiente externo T=25 ºC t0 = 0 T= 200 ºC T= 30 ºC Interior do forno Ambiente externo T=25 ºC t1 > t0 T= 200 ºC T= 45 ºC Interior do forno Ambiente externo T=25 ºC t2 > t1 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. Os processos contínuos, no entanto, podem ocorrer tanto em regime permanente quanto em transiente. Vamos pensar um pouco. TIPOS DE BALANÇOS Existem dois tipos de balanços a saber, são eles:  Balanço diferencial - Indica o que está acontecendo em um sistema em um instante determinado de tempo. Cada termo da equação do balanço é uma taxa, e tem as unidades da quantidade dividida por uma unidade de tempo (ex: kg/h, L/h, Pessoas/ano). É usualmente utilizada em um processo contínuo.  Balanço integral: Descreve o que acontece entre dois instantes de tempo. Cada termo da equação do balanço é uma porção da grandeza balanceada e tem as unidades correspondentes (ex: kg, L, Pessoas). É normalmente aplicado a processos em batelada (descontínuo), onde os dois instantes de tempo são o momento depois da entrada das matérias-primas e o momento antes da retirada dos produtos. Processo 50 kg/h 125 kg/h 75 kg/h PROCEDIMENTO PARA CÁLCULOS Dada a descrição de um processo, o valor de várias variáveis de processo e a lista daquelas a serem determinadas:  Colete todos os dados conhecidos de massa e composição de todas as correntes de entrada e saída do problema;  Desenhe um diagrama de blocos, indicando o processo com entradas e saídas identificadas. Desenhe as fronteiras;  Escreva todos os dados disponíveis no diagrama de blocos;  Selecione uma base de cálculo conveniente;  Escreva o balanço material de acordo com a base de cálculo. Para cada variável é necessário um balanço;  Resolva as equações para determinar as variáveis desconhecidas. 500 kg/h 200 kg de Am 300 kg de Az 200 kg/h 50 kg de Am1 150 kg de Am2 1 3 300 kg/h 150 kg de Az1 150 kg de Az2 BALANÇO TOTAL DE MASSA São os balanços envolvendo a massa total do conjunto de todos os componentes que entram e saem do sistema.  Processos contínuos - Desaparecem os termos sobre a geração e consumo da equação geral, uma vez que a matéria não pode ser criada nem destruída. Estado transiente (regime não-permanente) Estado estacionário (regime permanente) SAÍDA ENTRADA ACÚMULO-= dm/dt = qe - qsOU ENTRADA SAÍDA= qe = qsOU  Processos em batelada - Pela própria natureza, esses processos se desenvolvem em regime transiente. Como qe = qs = 0, já que não há matéria atravessando a fronteira, temos que: dm/dt = 0 Massa final Massa inicial= BALANÇO DE MASSA P/ UM COMPONENTE Processos contínuos  Com reação química em estado transiente: OU  Sem reação química em estado transiente: REAGE ZERO= ENTRADASAÍDA = REAGE -+ ACÚMULO dm/dt = qe – qs + r : É a própria equação geral de balanço  Com reação química em estado estacionário: ENTRADASAÍDA = REAGE+ OU r = qs - qe ENTRADASAÍDA = - ACÚMULO dm/dt = qe – qsOU  Sem reação química em estado estacionário: ENTRADA SAÍDA= OU qe = qs BALANÇO DE MASSA P/ UM COMPONENTE EXEMPLO DE APLICAÇÃO PARA O PROCESSO CONTÍNUO 1000 kg/h de uma mistura de benzeno (C6H6) e tolueno (C7H8) que contém 50% em massa são separados em uma coluna de destilação em duas frações. A vazão mássica de benzeno na corrente de saída do topo é 450 kg B / h e para o tolueno na corrente de saída do fundo é 475 kg T / h. A operação se desenvolve em regime permanente. Escreva os balanços de massa para o benzeno e o tolueno. Calcular as vazões não conhecidas nas correntes de saída.  Sem reação química em estado estacionário: ENTRADA SAÍDA= Processo contínuo E MUDANÇA DE ESCALA E BASE DE CÁLCULO EXEMPLO DE APLICAÇÃO Amplie a escala para a produção de 100 lbm/min de corrente superior de saída. RECICLO, BYPASS E PURGA RECICLO É uma derivação da corrente de saída de um processo, a qual retorna em mistura com a corrente de alimentação. Alguns exemplos: - Reciclo parcial de ar em processos de secagem, com intuito de aproveitamento de energia do ar já aquecido. - Reciclo em destilação, etc. Reciclo Alimentação Misturador Separador PROCESSO SM Produto RECICLO, BYPASS E PURGA BYPASS É uma derivação da corrente de alimentação, desviada do processo e misturada com a corrente de saída, fornecendo uma composição desejada. Exemplo típico: Quando o processo em si pode ser muito drástico, ocasionando características indesejáveis ao produto (ex. perda de aromas), a derivação em bypass pode minimizar o problema. Bypass Alimentação Separador Misturador PROCESSO MS Produto RECICLO, BYPASS E PURGA PURGA É normalmente utilizada quando uma corrente por um lado contém componentes desejáveis que é de interesse reciclar no processo, mas por outro lado contém componentes indesejáveis que devem ser mantidos dentro de limites de concentração aceitáveis. Exemplo: Reaproveitamento de ar de secagem, que pode ser reciclado em mistura com ar ambiente, no entanto deve manter o teor de umidade dentro de limites aceitáveis (a água no ar é um componente indesejável). PURG AAlimentação Misturador Separador PROCESSO SM Produto Purga Alimentação secundária Ex: ar