Aula da Disciplina Processos de Produção Quimcos, da Faculdade Area1 - Grupo DeVry - Tema: Balanço de Massa nos Processos Quimicos.

1. Processo de
Produção
Química
1º. Sem./2011
Engenharias

2. Nesta Aula Veremos ...
Processo Químico
• Balanço de massa ou material
• Exercícios de aplicação
Balanço Balanço
Massa Energia
2

3. Balanço de Massa
Esquema Básico
Ar, Água Emissões
gasosas
Energia
Catalisador
matéria Produtos
primas e
insumos Sub produtos
reciclado
Resíduos
sólidos
Resíduos
Resíduos
reutilizáveis em
líquidos
outros processos
3

4. Balanço de Massa
Introdução
Suponha um processo contínuo onde entra e sai
metano a vazão Qe (kg CH4/h) e Qs (kg CH4/h).
As vazões foram medidas e constatou-se que Qe
≠ Qs, o que poderia ter acontecido ?
Qe Unidade Qs
de
(kg CH4/h) (kg CH4/h)
Processo
Qe ≠ Qs !!??
4

5. Balanço de Massa
Introdução
Como Qe ≠ Qs, temos as possibilidades:
1. Esta vazando metano através do
equipamento;
2. O metano esta sendo consumido como
reagente;
3. O metano esta sendo gerado como produto;
4. O metano esta acumulando na unidade,
possivelmente sendo absorvido em suas
paredes;
5. As medidas estão erradas
5

6. Balanço de Massa
Introdução
Para que serve o Balanço de Massa:
1. Checar dados de processo, aferir
rendimentos e taxas de conversões, etc;
2. Verificar vazamentos e perdas de materiais
3. Projeto de equipamentos (capacidade);
4. Especificar uma ou mais correntes de um
processo;
5. Projetar e especificar uma unidade de
processamento;
6

7. A massa se conserva ?
Introdução
A massa se
conserva nas
transformações
químicas?
Quem foi o cientista que estudo este fenômeno
da conservação da massa e quais suas
conclusões?

8. Antoine Laurent Lavoisier - França
(1743 – 1794)
Na natureza nada
se cria, nada se
 A soma das massas dos perde, tudo se
transforma
reagentes é igual à soma
das massas dos produtos
de uma reação - Lei de
Conservação das Massas
m(inicio) = m(final)
Lavoisier, o pai da Química
moderna, foi acussado de
Sistema fechado corrupção pela Revolução
Francessa e guilhotinado.

9. Balanço de Massa
Definições
Classificação dos Processos (em relação ao modo
operacional):
Processo Contínuo – um processo no qual a massa de
alimentação e os produtos fluem continuamente
enquanto dura o processo.
1. Processo Descontínuo (Batelada) - um processo no
qual a massa não é adicionada nem removida do
processo durante a sua operação
2. Processo Semi-contínuo - um processo no qual há
entrada de massa, mas o produto não é removido
durante o a operação (ou vice-versa)
9

10. Balanço de Massa
Definições
Classificação dos Processos (em relação a variação
com o tempo):
1. Processos em Estado estacionário (ou regime
permanente) - operação de um processo no qual todas
as condições (por ex., temperatura, pressão, quantidade
de massa, vazões, etc) são mantidas constantes como
tempo
2. Processo em Estado Transiente (ou não
permanente) - operação de um processo no qual uma
ou mais das condições (por ex.,temperatura, pressão,
quantidade de massa, vazões, etc) variam com o tempo
10

11. Balanço de Massa
Definições
Perguntas:
1. Os processos contínuos são transientes (não
permanentes) ou estacionários (permanentes) ?
2. E os processos descontínuos ?
11

12. Balanço de Massa
Definições
Resposta:
1. Os processos contínuos podem ocorrer tanto em
regime transiente como permanente.
12

13. Balanço de Massa
Definições
Resposta:
2. Os processos descontínuos (batelada) e semi-
contínuos são transientes (não permanentes), já que
há alterações das variáveis ao longo do tempo.
Válvula
T=0 T=1 fechada
C0 C1
P0 P1
T0 T1
V0 V1
13

14. Indústria Química
Balanço Massa e Energia
1) Classifique os seguintes sistemas quanto a: (a) aberto, (b)
fechado e (c) ambos:
a) Tanque de armazenagem de óleo em uma refinaria (c)
b) Tanque de água para descarga em um vaso sanitário (cheio e
fora de uso) (b)
c) Tanque de água para descarga em um vaso sanitário (vazio e
enchendo) (a)
d) Tanque de água para descarga em um vaso sanitário (em
funcionamento). (a)
e) Conversor catalítico em um automóvel (em funcionamento)(a)
f) Caldeira a gás em uma indústria (em funcionamento). (a)
14

15. Indústria Química
Balanço Massa e Energia
2) Classifique os seguintes processos como: (a) batelada, (b)
semibatelada e (c) nenhum dos dois
a) A seção de um rio entre duas pontes (c)
b) Um aquecedor de água doméstico (b)
c) Uma reação conduzida em um Becker (a)
d) A preparação de uma feijoada numa panela de pressão (a)
e) Água fervendo uma panela sobre o fogão (b)
15

16. Balanço de Massa
Equação Geral
Entradas Saídas
Salário: R$ 1.000,00 Gastos: R$ 700,00
Loteria: R$ 400,00 Perdas: R$ 200,00
Saldo acumulado R$ 500,00
Saldo Acumulado mês = R$ entra mês – R$ sai mês
Rentabilidade de Investimento = geração
Inflação da moeda = consumo
16

17. Balanço de Massa
Equação Geral
Entrada Saída
Acúmulo Geração Consumo
de de
de de de
massa massa
massa massa massa
dentro = nos - nos + dentro - dentro
limites limites
do do do
do do
sistema sistema sistema
sistema sistema
Vazões
de
Vazões
entrada • Acumulado de
(fluxo) saída
• Reagido (reação)
Sistema (limites)
ACÚMULO = ENTRADA – SAÍDA + GERADO - CONSUMIDO
17

18. Balanço de Massa
Sistemas - Classificação
• Quanto ao fluxo de matéria através das
fronteiras do sistema
• Quanto a variação das variáveis no
sistema ao longo do tempo
• Quanto ao número de componentes
participantes do sistema
18

19. Balanço de Massa
Sistemas
Tanque de água
Superfície
do sistema
1000 kg
de H2O
Sistema fechado (1 componente)
19

20. Balanço de Massa
Sistemas
Tanque de água com vazões iguais de entrada e saída
Superfície
100 kg de do sistema
H2O / min
1000 kg 100 kg de
de H2O H2O / min
Sistema aberto em regime permanente (1 componente)
20

21. Balanço de Massa
Sistemas
Tanque de água com vazão de saída menor que vazão de entrada
Superfície
100 kg de do sistema
H2O / min
Acúmulo: aumento ou
diminuição da massa 1000 kg 90 kg de
do sistema (em massa de H2O H2O / min
ou moles).
Sistema aberto em regime não permanente (transiente) com
acúmulo positivo (t=0 min, 1 componente)
21

22. Balanço de Massa
Sistemas
Tanque de água com vazão de saída menor que vazão de entrada
Superfície
100 kg de do sistema
H2O / min
1500 kg
de H2O 90 kg de
H2O / min
Sistema aberto em regime não permanente (transiente) com
acúmulo positivo (t=50 min, 1 componente)
22

23. Balanço de Massa
Sistemas
Tanque de água com vazão de saída maior que vazão de entrada
Superfície
90 kg de do sistema
H2O / min
Acúmulo: aumento ou
diminuição da massa 1000 kg 100 kg de
do sistema (em massa de H2O H2O / min
ou moles).
Sistema aberto em regime não permanente (transiente) com
acúmulo negativo (t=0 min, 1 componente)
23

24. Balanço de Massa
Sistemas
Tanque de água com vazão de saída maior que vazão de entrada
Superfície
90 kg de do sistema
H2O / min
100 kg de
500 kg de H2O / min
H 2O
Sistema aberto em regime não permanente (transiente) com
acúmulo negativo (t=50 min, 1 componente)
24

25. Balanço de Massa
Sistemas
Tanque de mistura com vazão de saída = entrada Superfície
do sistema
Comp. Fração
100 kg de mássica
sol. / min
H2O Xa
Comp. Fração Sacarose Xs
mássica 1000 kg de 100 kg de
H2O 0,50 água sol. / min
Sacarose 0,50
Sistema aberto em regime não permanente (transiente)
(2 componentes)
25

26. Balanço de Massa
Simplificações
O Balanço Material pode ser aplicado a:
1. sistemas abertos ou fechados,
2. em regime permanente ou transiente,
3. com ou sem reação química,
4. sistemas de 1 ou + componentes.
26

27. Balanço de Massa
Aberto - com reação
Entrada Saída
Acúmulo Geração Consumo
de de
de de de
massa massa
massa massa massa
dentro = nos - nos + dentro - dentro
limites limites
do do do
do do
sistema sistema sistema
sistema sistema
Vazões
de
Vazões
Sistema de
entrada
aberto com saída
reação
química
ACÚMULO = ENTRADA – SAÍDA + GERADO - CONSUMIDO
27

28. Balanço de Massa
Aberto - sem reação
Entrada Saída
Acúmulo Geração Consumo
de de
de de de
massa massa
massa massa massa
dentro = nos - nos + dentro - dentro
limites limites
do do do
do do
sistema sistema sistema
sistema sistema
Vazões
de
0 Vazões 0
entrada Sistema de
aberto sem saída
reação
química
ACÚMULO = ENTRADA – SAÍDA
28

29. Balanço de Massa
Fechado - com reação
Entrada Saída
Acúmulo Geração Consumo
de de
de de de
massa massa
massa massa massa
dentro = nos - nos + dentro - dentro
limites limites
do do do
do do
sistema sistema sistema
sistema sistema
0 0 Sistema
fechado
(Batelada)
com reação
química
ACÚMULO = (GERADO – CONSUMIDO) ou (REAGIDO)
29

30. Balanço de Massa
Fechado - sem reação
Entrada Saída
Acúmulo Geração Consumo
de de
de de de
massa massa
massa massa massa
dentro = nos - nos + dentro - dentro
limites limites
do do do
do do
sistema sistema sistema
sistema sistema
0 0 Sistema
fechado
0 0
(Batelada)
sem reação
química
ACÚMULO = ZERO
30

31. Balanço de Massa
Permanente – com reação
Entrada Saída
Acúmulo Geração Consumo
de de
de de de
massa massa
massa massa massa
dentro = nos - nos + dentro - dentro
limites limites
do do do
do do
sistema sistema sistema
sistema sistema
Vazões
0 de
entrada
Sistema
Vazões
de
aberto com saída
reação
química
0 = ENTRADA – SAÍDA + GERADO - CONSUMIDO
31

32. Balanço de Massa
Permanente – sem reação
Entrada Saída
Acúmulo Geração Consumo
de de
de de de
massa massa
massa massa massa
dentro = nos - nos + dentro - dentro
limites limites
do do do
do do
sistema sistema sistema
sistema sistema
0 Vazões
de
entrada
Sistema 0 0 Vazões
de
aberto sem saída
reação
química
0 = ENTRADA – SAÍDA  ENTRADA = SAÍDA
32

33. Balanço de Massa
Transiente - com reação
Entrada Saída
Acúmulo Geração Consumo
de de
de de de
massa massa
massa massa massa
dentro = nos - nos + dentro - dentro
limites limites
do do do
do do
sistema sistema sistema
sistema sistema
Vazões
de
Vazões
Sistema de
entrada
aberto com saída
reação
química
ACÚMULO = ENTRADA – SAÍDA + GERADO - CONSUMIDO
33

34. Balanço de Massa
Transiente - sem reação
Entrada Saída
Acúmulo Geração Consumo
de de
de de de
massa massa
massa massa massa
dentro = nos - nos + dentro - dentro
limites limites
do do do
do do
sistema sistema sistema
sistema sistema
Vazões
de
0 Vazões 0
entrada Sistema de
aberto sem saída
reação
química
ACÚMULO = ENTRADA – SAÍDA
34

35. Balanço de Massa
Exemplo Permanente sem reação
Centrífuga SAÍDA DO
ENTRADA DO GÁS LIMPO
GÁS SUJO Produção:
Alimentação: • 950 kg/h
• 1.000 kg/h • sem poeira
• 5% de poeira
• Aberto SAÍDA DO PÓ
• Permanente
COLETADO
• Sem reação
Descarga (pó):
ACÚMULO = ENTRADA – SAÍDA = 0 • 50 kg/h (5% de pó)
ENTRADA = SAÍDA
35

36. Balanço de Massa
Exemplo Permanente sem reação
Aumento da concentração de NaOH de um
fluxo diluído através da mistura com um
fluxo de NaOH concentrado
• Aberto
• Permanente F2 = 1.000 kg/h
F1 = 9.000 kg/h
• Sem reação
ACÚMULO = ENTRADA – SAÍDA = 0
Balanço F1 F2 Sai Ac
(kg/h) P = 10.000 kg/h
NaOH 450 500 950 0
H2O 8.550 500 9.050 0
Total 9.000 1.000 10.000 0
36

37. Balanço de Massa
Exemplo: Permanente sem reação
Para um regime permanente (estacionário) sem reação
química (Acum. = 0), logo  Entra = Sai
(Q1 + Q2 + Q3) = (Q4 + Q5 + Q6)
Q3
Q2 %A3 Q5 Q1 = Q1.xa1 + Q1.xb1
%A2 %B3 %A5
%B2 Entra Q2 = Q2.xa2 + Q2.xb2
%B5
Q3 = Q3.xa3 + Q3.xb3
Q4 = Q4.xa4 + Q4.xb4
Q6
Q1 Sai Q5 = Q5.xa5 + Q5.xb5
Q4 %A6
%A1
%A4 %B6 Q6 = Q6.xa6 + Q6.xb6
%B1
%B4
37

38. Exercício de Aplicação 1
Exemplo: uma solução a 50 mol % de etanol em água alimenta uma
coluna de destilação com vazão constante para produzir um destilado
com 70 mol % de etanol e 1 mol % de resíduos. Sendo F a quantidade
em mol que alimenta a coluna em um dado intervalo de tempo e D e R
os números de mol de destilado e resíduos produzidos. Calcule os
valores de D e R.
Passo-a-Passo
• 1º. Fazer um fluxograma
• 2º. Sistema aberto em regime permanente sem reação química
• 3º. Eq. Geral : Acumulo = 0  Entra = Sai
• 4º. Estabelecer : no. equações = no. Incógnitas (F, D e R)
• 5º. Estabelecer uma base de cálculo
• 6º. Resolver o sistema de equações
38

39. Resolução 1
condensador
• F = alimentação – mol/t
• D = destilado – mol/ t
• R = resíduo – mol/ t
Solução de
C D=? água + etanol
70 mol %
O
L
F U F=D+R
N
Solução de
A
água + etanol
50 mol %
Solução de
R=? água + etanol
1 mol %
aquecedor
39

40. Resolução 1
• Balanço material - Equações
• F=D+R
• F.xf = D.xd + R.xr, onde
• xf, xd e xr = fração molar do etanol na alimentação, destilado e
resíduo
• xf = 0,5 : xd = 0,7 e xr = 0,01
• Logo resolvendo o sistema teremos:
• D = F . (xf – xr) / (xd – xr)
• R = F . (xd – xf) / (xd – xr)
• Para qualquer valor de F podemos substituir as incógnitas nas
equações
• F = 100 mol (base cálculo)  100 = D+ R ou R = (100 – D)
• F.xf = D.xd + R.xr
• 100 . 0,5 = 0,7 . D + 0,01. (100 – D)
• D = 71 mol e R = 29 mol
40

41. Balanço de Massa
Exemplo Permanente sem reação
Pretende-se determinar a concentração de um fluído em cinco
reatores que se encontram interligados, conforme a figura abaixo:
Q55
Q15
C5
Q54
Q25
Q01 = 5 Q12 Q24 Q44
C1 C2 C4
C01 = 10
Q23
Q31 Q34
Q03 = 8 C3
C03 = 20
41

42. Balanço de Massa
Exemplo Permanente sem reação
Balanço no Reator 1:
Q01.c01 + Q31.c3 = Q12.c1 + Q15.c1
Q15
C5
Q01 = 5 Q12
C1 C2 C4
c01 = 10
Q31
Q03 = 8 C3
c03 = 20
42

43. Balanço de Massa
Exemplo Permanente sem reação
Balanço no Reator 2:
Q12.c1 = Q24.c2 + Q25.c2 + Q23.c2
C5
Q25
Q01 = 5 Q12 Q24
C1 C2 C4
c01 = 10
Q23
Q31
Q03 = 8 C3
c03 = 20
43

44. Balanço de Massa
Exemplo Permanente sem reação
Balanço no Reator 3:
Q03.C03 + Q23.C2 = Q31.C3 + Q34.C3
C5
Q01 = 5
C1 C2 C4
C01 = 10
Q23
Q31 Q34
Q03 = 8 C3
C03 = 20
44

45. Balanço de Massa
Exemplo Permanente sem reação
Balanço no Reator 4:
Q24.c2 + Q34.c3 + Q54.c5 = Q44.c4
C5 Q54
Q44
Q01 = 5 Q24
C1 C2 C4
c01 = 10
Q34
Q03 = 8 C3
c03 = 20
45

46. Balanço de Massa
Exemplo Permanente sem reação
Balanço no Reator 5:
Q15.c1 + Q25.c2 = Q54.c5 + Q55.c5
Q44
Q15
C5 Q54
Q25
Q01 = 5
C1 C2 C4
c01 = 10
Q03 = 8 C3
c03 = 20
46

47. Balanço de Massa
Exemplo Permanente sem reação
Reunindo todas as equações num sistema, temos:
ENTRADA = SAIDA
Reator 1: Q01.c01 + Q31.c3 = Q12.c1 + Q15.c1
Reator 2: Q12.c1 = Q24.c2 + Q25.c2 + Q23.c2
Reator 3: Q23.c2 + Q03.c03 = Q34.c3 + Q31.c3
Reator 4: Q24.c2 + Q34.c3 + Q54.c5 = Q44.c4
Reator 5: Q15.c1 + Q25.c2 = Q54.c5 + Q55.c5
47

48. Balanço de Massa
Exemplo Permanente sem reação
Q55 = 2
Q15 = 3
C5 Q54 = 2
Q25 = 1
Q01 = 5 Q12 = 3 Q24 = 1 Q44 = 11
C1 C2 C4
c01 = 10
Q23 = 1
Q31 = 1 Q34 = 8
Q03 = 8
C3
c03 = 20
48

49. Balanço de Massa
Exemplo Permanente sem reação
Reunindo todas as equações num sistema, temos:
ENTRADA = SAIDA
Reator 1: 5.10 + 1.C3 = 3.C1 + 3.C1
Reator 2: 3.C1 = 1.C2 + 1.C2 + 1.C2
Reator 3: 1.C2 + 8.20 = 8.C3 + 1.C3
Reator 4: 1.C2 + 8.C3 + 2.C5 = 11.C4
Reator 5: 3.C1 + 1.C2 = 2.C5 + 2.C5
49

50. Balanço de Massa
Exemplo Permanente sem reação
Temos um sistema de equações com 5 incógnitas e 5
equações:
Reator 1: - 6.C1 + C3 = - 50
Reator 2: 3.C1 - 3.C2 = 0
Reator 3: C2 - 9.C3 = - 160
Reator 4: C2 + 8.C3 - 11.C4 + 2.C5 = 0
Reator 5: 3.C1 + C2 - 4.C5 = 0
50

51. Balanço de Massa
Exemplo Permanente sem reação
Podemos rescrever as equações considerando todas
as variáveis
Reator 1: - 6.C1 + 0.C2 + C3 + 0.C4 + 0.C5 = - 50
Reator 2: 3.C1 - 3.C2 + 0.C3 + 0.C4 + 0.C5 = 0
Reator 3: 0.C1 + C2 - 9.C3 + 0.C4 + 0.C5 = - 160
Reator 4: 0.C1 + C2 + 8.C3 - 11.C4 + 2.C5 = 0
Reator 5: 3.C1 + C2 + 0.C3 + 0.C4 - 4.C5 = 0
51

52. Balanço de Massa
Exemplo Permanente sem reação
Teremos uma matriz, pela álgebra linear:
-6 0 1 0 0 -50 X = A-1.b 11.509
3 -3 0 0 0 0 11.509
A= 0 1 -9 0 0 b= -160 X = 19.057
0 1 8 -11 2 0 16.998
3 1 0 0 -4 0 11.509
C1 = 11,509; C2 = 11,509; C3 = 19,057; C4 = 16,998; C5 = 11,509
52

53. Balanço de Massa
Tipos de Balanço
Qual a diferença ?
1. Balanços Diferenciais
2. Balanços Integrais:
Nos nossos estudos estaremos sempre nos referindo
a balanços diferenciais aplicados a processos
contínuos em estado estacionário e a balanços
integrais aplicados a processos em batelada entre os
estados inicial e final.
53

54. Balanço de Massa
Balanço Diferencial
1. indicam o que esta acontecendo num dado
sistema num dado instante.
2. Cada termo representa uma taxa de fluxo de
massa do(s) componentes(s). Ex: pessoas/ano, g
CO2 / h, barris/dia, etc
3. É usualmente aplicado a processos contínuos
54

55. Balanço de Massa
Balanço Diferencial
Regime Transiente - Componente “A”
• acúmulo de massa = (dmA/dt).  relaciona a taxa de
aumento (ou diminuição) de matéria com o tempo
• fluxo entrada “A” = qAe (kg/s)
• fluxo saida “A” = qAs (kg/s)
• reação química “A” = rA (kg/s)  (taxa de consumo ou
geração do componente)
• a equação se transforma em:
ACÚMULO = ENTRADA – SAÍDA + (REAGE)
(dmA/dt) = qAe - qAs + rA
55

56. Balanço de Massa
Balanço Integral
1. indicam o que esta acontecendo entre dois
instantes de tempo - t.
2. Cada termo representa uma quantidade
balanceada com sua respectiva unidade. Ex: g
CO2, barris, etc
3. É usualmente aplicado a processos
descontínuos (batelada) – imediatadamente após
entrada do reagente e imediatamente antes da
saida do produto
56

57. Resolução de
Problemas de
Balanço de Massa
57

58. Balanço de Massa
Passo-a-Passo
Balanço de materiais - Técnica:
1. Conhecer completamente do processo considerado;
2. Esquematizar um fluxograma simplificado (vazões,
pressões, temperaturas, concentrações, etc.);
3. Analisar o fluxograma relacionando quantidades;
4. Escolher um base de cálculo apropriada ao caso;
5. Selecionar o sistema onde ocorre o processo ou a
operação;
6. Realizar o balanço através de equações que traduzam o
problema e obter um valor numérico para o caso em
análise.
58

59. Balanço de Massa
Resolução
Balanço de materiais - Resolução
• Balanço por equações: relações matemáticas
onde o número de equações e o número de
incógnitas deve ser igual;
• Balanço por relação de quantidades:
baseando-se em um reagente cuja quantidade
seja fixa e conhecida durante o processo.
59

60. Exercício de Aplicação 2
Exemplo: um tanque de armazenamento de água quente de lavagens
recebe água de várias fontes. Em um dia de operação, 240m3 de
condensados são enviados para este tanque, 80m3 de água quente com
soda vem direto do lavador e 130m3 são proveniente de um filtro rotativo.
Durante este período, 300m3 são retirados para diversos usos, 5m3 são
perdidos por evaporação e 1m3 por vazamento. A capacidade do tanque
é de 500m3 e, no início do dia, está cheio até a metade. Quanta água
haverá no tanque no final do dia?
Passo-a-Passo
• 1º. Fazer um fluxograma
• 2º. Sistema aberto em regime transiente e sem reação química
• 3º. Eq. Geral : Acumulo = Entra - Sai
• 4º. Estabelecer uma base de cálculo
• 5º. Estabelecer : no. equações = no. Incógnitas
• 6º. Resolver o sistema de equações
60

61. Resolução 2
Água perdida por
evaporação 5 m3 fronteira
Condensados do sistema
240 m3
Solução do Água para
lavador 80 m3 consumo 300 m3
Água do Volume inicial de
filtro rotativo água quente 250 m3
130 m3
Tanque de armazenamento com cap. 500 m3 Vazamento
1 m3
61

62. Resolução 2
• Um tanque que recebe água de diferentes pontos, pode-se
considerar uma composição uniforme, ignorando variações de
temperaturas, densidades, pode-se dizer que as massas que
entram e saem podem ser proporcionais aos volumes;
• Base de cálculo : 1 dia de operação;
• Sistema : o tanque e sua alimentação e descarga;
• Balanço material total em torno do sistema:
• entrada – saída = acúmulo
• entrada = 240 + 80 + 130 = 450 m3
• saída = 300 + 5 + 1 = 306 m3
• Logo o acúmulo = 450 – 306 = 144 m3
• Se o tanque inicia o dia com 250 m3 então o volume final no mesmo
dia será: 250 + 144 = 394 m3
• E a capacidade total do tanque é (394 500) x 100 = 79%
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63. Exercício de Aplicação 3
Exemplo: Estabelecer o balanço material para combustão de 650 kg/h
de etanol, considerando a combustão com excesso de 30% de ar.
Calcular a relação teórica “ar-combustível” e a composição percentual da
fumaça resultante da combustão.
Passo-a-Passo
• 1º. Fazer um fluxograma
• 2º. Sistema aberto em regime permanente com reação química
• 3º. Eq. Geral : Acum. = 0  0 = Entra – Sai + Gerado - Consumido
• 4º. Fazer a reação química e equilibrar
• 5º. Escolher uma base de cálculo conveniente
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64. Resolução 3
C2H5OH + 3 O2  2 CO2 + H2O
• CO2
• H 2O
Etanol = 650 • ar (excesso)
kg / h
Excesso de
30% de ar
(O2 + N2)
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65. Resolução 3
• Eq. Reação:
• C2H5OH + 3 O2  2 CO2 + H2O
• 1 : 3  2 : 1
• 46,07 g/mol : 96 g/mol  88,02 g/mol : 54,05 g/mol
• Base de cálculo: 650 kg de etanol (1 hora)
• (650/46,07).(96) = 1.345,5 kg de O2
• Ar atmosférico (relação N2/O2):
• 79% N2 + 21% O2  N2/O2 = 3,762 mol, que permite o cálculo de
nitrogênio na massa de ar circulante:
• 1.345,5 . 3,762 = 5.095,6 kg de N2
• Considerando o excesso de 30% de ar, teremos:
• (1.345,5 O2 + 5.095,6 N2) . 1,30 = 6.450,0 . 1,30 = 8.385,0 kg de ar
• Relação teórica “ar-combustível”
• Ar / C = (kg de ar) / (kg de combustível) = 8.385,0 / 650 = 12,90, ou
seja: 12,90 kg de ar por kg de combustível
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66. Resolução 3
• Composição da fumaça
• CO2: (650/46,07).(88,022) = 1.242,0 kg de CO2
• H2O: (650/46,07).(54,05) = 762,5 kg de H2O
• O2 – em excesso: (1.354,5 . 1,30 – 1.354,5) = 406,5 kg de O2
• N2 – circulante: (5.095,6).1,30 = 6.624,28 kg de N2
• Composição da fumaça (tabela):
Kg %
CO2 1.242,0
H2O 762,5
O2 (excesso) 406,35
N2 (excesso) 6.624,28
TOTAIS 9.035,13 100,00
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67. Resolução 3
• Resumo do Balanço Material:
Produto Entrada Saída
Etanol 650,00 -
O2 (excesso) 1.760,85 406,35
N2 (excesso) 6.624,28 6.624,28
CO2 - 1.242,00
H2O - 762,50
TOTAIS 9.035,13 9.035,13
67

68. Balanço de Massa
Glossário
• Acúmulo: aumento ou diminuição da massa do sistema (em
massa ou moles).
• Acúmulo negativo: diminuição da massa no sistema
• Balanço material: equação do balanço de massa ou da
conservação da massa
• Balanço por componente: balanço material de uma substância
química no sistema
• Condição inicial: a quantidade de massa no processo no início
do processo
• Condição final: a quantidade de massa no processo no final do
processo
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69. Balanço de Massa
Glossário
• Conservação da massa: a massa nunca é criada e nem
destruída (Princípio de Lavoisier)
• Consumo: a diminuição da massa de um componente em um
sistema devido a uma reação química
• Entrada: massa que entra em um sistema
• Geração: o surgimento de um componente em um sistema
devido a uma reação química
• Processo batelada: um processo no qual a massa não é
adicionada nem removida do processo durante a sua operação
• Processo semi-batelada: um processo no qual há entrada de
massa, mas o produto não é removido durante o a operação
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70. Balanço de Massa
Glossário
• Saída: massa que deixa o sistema
• Sistema: parte do processo global considerada para a análise. É
uma região limitada do espaço por uma superfície fictícia ou física
• Superfície do sistema: superfície fechada que contéma parte do
processo a ser analisada
• Sistema aberto: aquele no qual massa atravessa a sua
superfície
• Sistema fechado: aquele no qual massa não atravessa a sua
superfície
• Vazão: quantidade de material que atravessa a superfície do
sistema por unidade de tempo (por ex., kg/h, mols/h, L/min, etc)
• Volume de controle: região do espaço no qual faremos o
balanço de massa
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71. Onde Estudar a Aula de Hoje
• Princípios Elementares dos Processos
Químicos – Autor: Richard M. Felder (LTC)
– cap. 4 a 6 (Fundamentos dos BM)
• Estequiometria Industrial – Autor:
Reynaldo Gomide (Cap. II – Balanços
Materiais) – xerox (pg. 35 a 76)
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72. Na Próxima Aula Veremos ...
Processo Químico
• Balanço de energia
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73. Contato
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