Douglas Henrique Perez Pino Equipe de Revisão Linguística Ana Luiza Menezes Baldin Daniela Silva Guanais Costa Francimeire Leme Coelho Jorge Ialanji Filholini Letícia Moreira Clares Lorena Gobbi Ismael Luciana Rugoni Sousa Marcela Luisa Moreti Paula Sayuri Yanagiwara Sara Naime Vidal Vital. Este livro apresenta de forma clara e objetiva os principais conceitos relacionados aos balanços de massa e energia, fundamentais para a análise de processos químicos. A primeira unidade, Introdução aos Processos Químicos, define e explica os processos químicos, incluindo aqueles de produção de sacarose e etanol que se destacam a nível nacional.
A Unidade 2, Dimensões e Unidades, trata de dimensões e unidades, e prepara o leitor para converter corretamente unidades de dimensões conhecidas, com base nos diversos sistemas de unidades existentes. Na terceira unidade, Variáveis de Processo, são apresentadas as variáveis mais importantes encontradas nos processos químicos (suas dimensões e unidades) e as equações que relacionam essas variáveis para uma melhor compreensão e análise adequada dos processos químicos. Na Unidade 4, Balanços de Massa, os processos químicos são classificados com base na entrada e saída de matéria do volume de controle (processos descontínuos, contínuos e semi-contínuos) e na dependência das variáveis do processo em relação ao tempo (estado estacionário e estado transitório). processos) bem como apresentou as equações de balanço de massa para estes processos com base na equação de balanço geral.
Na quinta e última unidade são definidos Balanços de Energia, sistemas fechados e abertos e são apresentadas as equações de balanço de energia para estes sistemas baseadas na 1ª lei da termodinâmica. A aprendizagem destes conteúdos permitirá aos profissionais analisar diversos processos químicos do ponto de vista dos princípios de conservação de massa e energia.
Introdução aos processos químicos
Nesta primeira unidade serão definidos os processos químicos que envolvem a produção de açúcar e álcool; importantes processos nacionais que, além dos produtos principais, produzem subprodutos e resíduos em grandes quantidades com grande impacto no meio ambiente. Ou seja, na maioria dos processos químicos, as espécies originalmente presentes na matéria-prima são as mesmas do produto final. O objetivo dos processos químicos é obter produtos a partir de matérias-primas selecionadas ou disponíveis.
Eles são ilustrados por meio de fluxogramas ou diagramas de blocos que traçam o caminho percorrido desde a matéria-prima até o produto final, informando as principais etapas e variáveis envolvidas no processo. As Figuras 1 e 2 ilustram dois processos químicos industriais relevantes, que são respectivamente os processos de produção de açúcar e etanol a partir da cana-de-açúcar. Ressalta-se que nem todas as unidades produtivas possuem a mesma sequência de etapas de processamento desde a matéria-prima até o produto final.
Neste primeiro momento é importante observar e entender as etapas do processamento, que transformam passo a passo a matéria-prima em produto. A análise de processos químicos visa obter quantidades e propriedades de fluxos de produtos a partir de quantidades e propriedades de fluxos de alimentação, e vice-versa, em cada uma das etapas e no processo como um todo.
Dimensões e unidades
Para muitas pessoas, os dispositivos representam apenas um pequeno detalhe na resolução de problemas. Na análise de processos químicos isso não é diferente, portanto é importante adquirir habilidades na conversão de unidades, pois nem sempre encontramos dimensões com unidades suficientes para serem utilizadas em cálculos de quantidades e propriedades na análise de processos químicos. Unidades são valores específicos definidos por convenção para expressar dimensões como metros, "m" para comprimento (L), "km/h" para velocidade e.
Unidades básicas ou básicas: unidades de dimensões básicas como “kg” para M, “cm” para L, “h” para T e “ºC” para θ. Unidades múltiplas: unidades que são múltiplos ou frações de unidades básicas, como "toneladas" para M, "anos-luz" para L e "ms" (milissegundos) para tempo. Unidades Derivadas: As unidades derivadas podem ser construídas como aquelas obtidas pela multiplicação e/ou divisão de unidades básicas ou múltiplas, como m/s, cm2 e ft3; ou definido ou equivalente para ser "equivalente" a unidades compostas como o newton (1 N = 1 kg.m/s2) e o pascal (1 Pa = 1 N/m2), entre outras.
Os sistemas de unidades mais comuns são SI (Sistema Internacional), CGS (cm-g-s) e American Engineering System (SAE). Observando os valores da constante dos gases (R) na Tabela 2, podemos observar que para as unidades definidas, o valor R é igual a 62,36.
Variáveis de processo
Portanto, a massa ou peso atômico (PA) é definida como a massa de um átomo em uma escala que define o isótopo do carbono 12C como exatamente igual a 12,0. A massa ou peso molecular de um composto é a soma dos pesos atômicos dos átomos que constituem sua molécula. A concentração de uma solução ou suspensão de um soluto em (Ci) é definida como a razão entre a massa ou número de moles de um soluto e o volume da solução.
Além de ser expressa em vigor por área, a pressão para líquidos pode ser expressa como a altura de um determinado líquido. É um tubo oco fechado de um lado e inclinado (curvo) em forma de “C”. Tais propriedades e dispositivos para medição de temperatura incluem o volume de uma massa sólida de um líquido (termômetro), a tensão na junção de dois metais diferentes (termopar), a resistência elétrica de um condutor (termômetro de resistência) ou o espectro de radiação emitida (pirômetro), entre outros.
O tamanho de um grau é igual nas escalas Celsius (ºC) e Kelvin (K), assim como o tamanho de um grau nas escalas Fahrenheit (ºF) e Rankine (ºR). Sendo a pressão parcial de um componente i (pi) de uma mistura: .. b) a pressão medida pelo manômetro Bourdon em atm.
Balanços de massa
Os balanços de massa serão então utilizados para a massa total e a massa de um determinado componente presente na mistura em processos unitários ou múltiplos envolvendo reações químicas ou não. Sabemos antecipadamente se a espécie envolvida no balanço de massa é um reagente ou um produto. O balanço de massa total, ou simplesmente BMT, inclui a massa total de todos os componentes que entram e saem do sistema.
Em seguida são apresentadas as equações de balanço de massa para os vários processos apresentados no ponto 4.2. Equações de balanço de massa para o componente A em vários processos químicos são então apresentadas. Observe que a equação de balanço de massa para A em um processo de reação química transitória inclui todos os termos do GBS.
Escreva equações de balanço de massa para a massa total e para cada componente da mistura. Como as equações de balanço de massa são interdependentes, você pode escrever no máximo n e q equações de balanço se não houver reação e n espécies estiverem presentes. Se uma for a equação de balanço de massa total, então equações n-1 podem ser escritas para componentes.
Portanto, além de especificar se o balanço de massa é total ou para um determinado componente da mistura, é necessário especificar o volume de controle (VC) ao qual o balanço de massa é aplicado. Quando este VC é selecionado, os balanços são definidos como “balanços de massa globais” (BGM). O procedimento para resolução de problemas de balanço de massa em processos multi-unidades é basicamente o mesmo utilizado para uma única unidade de processo, lembrando que no caso de mais de uma unidade há necessidade de escrever balanços de materiais nos diferentes VCs e obter equações para determinação de variáveis de processo desconhecidas.
Como exemplo, considere o diagrama de fluxo do processo para a seguinte reação química: R P mostrado na Figura 23. Agora todas as informações estão organizadas para que os balanços de massa possam ser realizados. Pode-se observar que este é um processo contínuo com reciclagem e reação em estado estacionário.
A partir daí, foram escritas equações de balanço de massa para processos descontínuos, contínuos e semicontínuos, bem como balanços de massa úteis para vários processos unitários ou múltiplos envolvendo reações químicas ou não. Uma abordagem mais aprofundada sobre balanços de massa em processos químicos pode ser encontrada em Reklaitis & Schneider (1983), Felder.
Balanços de energia
A seguir será apresentada a 1ª lei da termodinâmica e obtidas as equações de balanço de energia para sistemas fechados (processos descontínuos) e sistemas abertos (processos contínuos), essenciais na análise de processos químicos. Após definir as formas de energia apresentadas pelo sistema (EC, EP e U) e aquelas que podem ser transferidas de ou para o sistema (Q e W), então a energia em um sistema (E) deve ser aumentada em um determinado valor ( ∆E ), o sistema deve receber energia na forma de calor ou trabalho. Caso contrário, se o sistema transferir calor ou realizar trabalho na vizinhança, Q < 0 e W < 0, a variação de energia será negativa (∆E < 0).
Portanto, o valor líquido da variação de energia do sistema dependerá dos valores e direções das grandezas Q e W. Porém, no balanço energético para sistemas fechados, podem ocorrer transferências transfronteiriças de calor ou trabalho. No balanço de massa, o acúmulo de energia é dado pela diferença entre os valores final e inicial do sistema (EF – EI = ∆E).
Observe que os termos da equação de balanço de energia para sistemas fechados possuem unidades de energia, por exemplo, caloria (cal), erg, joule (J) e BTU. É importante calcular mudanças na energia interna específica (∆Uˆ) ou na entalpia específica (∆Hˆ) relacionadas aos processos em questão. Perry & Green (1997) apresentam tabelas de propriedades termodinâmicas (entalpia e propriedades de estado) de uma gama de substâncias puras, úteis na realização de balanços energéticos.
Calcule o trabalho realizado pela turbina em kW, desprezando as mudanças na energia cinética e potencial. Até agora, ao resolver balanços de energia, as propriedades termodinâmicas (Vˆ, Uˆ e Hˆ) foram encontradas em tabelas. Nestes casos, as variações de energia interna (∆U ) e entalpia (∆H ), nas equações BE, podem ser calculadas conhecendo os valores das propriedades.
O termo calor sensível denota uma quantidade de energia transferida para aumentar ou diminuir a temperatura de uma substância ou mistura de substâncias. A quantidade de calor necessária para produzir uma determinada variação de temperatura em um sistema pode ser determinada pela aplicação da primeira lei da termodinâmica, em processos com variação de temperatura (∆T≅0), sem transferência de energia na forma de trabalho e sem levando em consideração as variações de energia cinética e potencial. Se uma mudança de fase ocorrer em um sistema fechado a pressão constante, a mudança de energia interna para a transição pode ser avaliada como ∆U =∆H−∆( )P⋅V =∆H−P ⋅∆( )Vˆ .
Muitos processos químicos envolvem a transferência de energia na forma de calor ou trabalho, de modo que a energia do sistema muda em função do tempo. Uma abordagem mais aprofundada dos balanços energéticos em processos químicos pode ser encontrada em Reklaitis & Schneider (1983), Levenspiel (2002), Felder & Rousseau (2005) e Riggs & Himmelblau (2006).
