Aula 6. Balanço de massa em processos com reciclo, desvio, separação de produtos e purga.
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Reciclo e desvio (bypass). (bypass) Separação de produtos e reciclo. Purga Purga. Exemplos e exercícios.
Referencia Felder, R.M.; Rousseau, R.W. ‐ Princípios Elementares dos Processos Químicos LTC Elementares dos Processos Químicos. LTC Editora. 3ªed. 2005.Capítulo 4 Fundamentos de balanços de massa. Pag. 97‐125.
Reciclo e desvio. É raro que uma reação química A B seja completada em um reator. Não importa quão pouco A esta presente na alimentação ou quanto tempo a mistura permaneça no reator, reator alguma quantidade de A é normalmente encontrada no produto. Lamentavelmente , você tem que pagar por todos os reagentes que entram no processo, não apenas pela fração que reage, e qualquer A que deixe o processo representa por tanto recursos desperdiçados. Suponha, no entanto, que você pode achar uma maneira de separar a maior parte ou todo reagente não consumido da corrente dos produtos. Você pode então vender o produto relativamente puro e reciclar aos regentes não consumidos de volta para o reator. É claro que você terá que pagar pelos equipamentos de separação e de reciclo, mas este custo é compensado pela compra de menos reagente e a venda de um produto mais puro por um preço maior.
reação química: A B 10 kg A/min 100 kg B/min Alimentação do reator 110 kg A/min Alimentação virgem
200 kg A/min 30 kg B/min
100 kg A/min REATOR
SEPARADOR
130 kg B/min
Corrente de reciclo 90 kg A/min 90 kg A/min 30 kg B/min
Diagrama de fluxo de um reator com separação e reciclo dos Diagrama de fluxo de um reator com separação e reciclo dos reagentes não consumidos.
Razões para usar reciclo em um processo químico. 1. Recuperação do catalisador. Os catalisadores aumentam a taxa da reação, são muito caros, e os processo geralmente incluem procedimentos para recuperá‐los da corrente de produtos e reciclá‐los para o reator. Podem ser recuperados junto com os reagentes não consumidos ou em unidades aparte. 2 Diluição de uma corrente de processo: 2. processo Melhor do que diluir a alimentação com liquido puro é reciclar uma parte do filtrado e usá‐la para diluir a alimentação até a concentração de sólidos desejada. 3. Controle de uma variável de processo: O material reciclado atua como capacitância para o calor liberado: quanto maior a massa de mistura reacional, reacional menor será o aumento de temperatura que esta massa sofrerá quando receber uma quantidade fixa de calor. 4. Circulação de um fluido de trabalho: O exemplo mais comum desta aplicação é o ciclo de refrigeração, em geladeiras e condicionadores de ar. Um material simples g ç , g p é reutilizado indefinidamente, com apenas pequenas quantidades sendo adicionadas ao sistema para repor perdas devidas a vazamentos.
Exemplo 4.5‐2 pag. 99. Balance de massa para um processo de separação que envolve reciclo Balance de massa para um processo de separação que envolve reciclo. Um processo de cristalização por evaporação. O diagrama de fluxo de um processo em estado estacionário para recuperar cromato de potássio cristalino (K2CrO4) de uma solução aquosa deste sal é mostrado abaixo: H 2O 4 500 kg/h EVAPORADOR
49, 4 % K2CrO4
33, 3 % K2CrO4
Filtrado , % 2C CrO O4 solução ç 36, 4 % K
CRISTALIZADOR E FILTRO
Torta de filtro K2CrO4 (cristais sólidos) Solução 36,4% K2CrO4 (os cristais constituem 95% da massa da torta de filtro) de filtro)
Exemplo 4.5‐2 pag. 99. Balance de massa para um processo de separação que envolve reciclo. Balance de massa para um processo de separação que envolve reciclo. Um processo de cristalização por evaporação. Quatro mil e quinhentos quilogramas por hora de uma solução que é 1/3 K2CrO4 em massa se junta com uma corrente de reciclo contendo 36,4% K2CrO4, e a corrente combinada alimenta um evaporador. A corrente concentrada que deixa o evaporador contém 49,4% K2CrO4; esta corrente entra em um cristalizador, no qual é resfriada (causando a precipitação dos cristais sólidos de K2CrO4 ) e logo filtrada A torta de filtro consiste em cristais de K2CrO4 e uma solução que filtrada. contém 36,4 % K2CrO4 em massa; os cristais constituem 95% da massa total da torta de filtro. A solução que passa através do filtro, também contendo 36,4% K2CrO C O4, é a corrente t de d reciclo. i l 1. Calcule a taxa de evaporação, a taxa de produção de K2CrO4 cristalino, as taxas de alimentação para as quais o evaporador e o cristalizador devem ser projetadas e a razão de reciclo (massa de reciclo)/(massa de alimentação virgem). 2 Suponha que o filtrado fosse descartado em lugar de ser reciclado. 2. reciclado Calcule a taxa de produção dos cristais. Quais são os benefícios e os custos da reciclagem?
Exemplo 4.5‐2 pag. 99. Base de cálculo : 4 500 kg/h de alimentação virgem. Dois componentes (espécies envolvidas): K2CrO4, chamado de K Água, chamada de W Dois componentes (espécies envolvidas): chamado de K Água, chamada de W F COMB: Fluxo (taxa) da corrente combinada alimentada ao evaporador. F W: Fluxo (taxa) da corrente de água que saí do evaporador. F CONC: Fluxo (taxa) da corrente concentrada que deixa o evaporador e entra em o cristalizador. F FILTRADO: Fluxo (taxa) da corrente de reciclo. FK: Fluxo (taxa) da torta de filtro. F SOLUÇÂO: Fluxo (taxa) da solução líquida. Alimentação virgem 4 500 kg/h F COMB ? 0,333 K 0 333 K 0,667 W
F W ? F CONC.? EVAPORADOR
0,494 K 0 494 K 0,506 W
F Filtrado (reciclo) ? , 0,364 K 0,636 W
CRISTALIZADOR E FILTRO
F K? K2CrO4 (cristais sólidos) F Solução ? 0,364 K 0,636 W (0s constituem 95% da (0s constituem 95% da massa da torta de filtro) Quere dizer que FSolução = 0,05FK
Exemplo 4.5‐2 pag. 99. Balance de massa para um processo de separação que envolve reciclo Balance de massa para um processo de separação que envolve reciclo. Análise dos diferentes sistemas: Sistema global: Balaço de massa total : F Alimentação virgem = FW + FK + FSOLUÇÂO 4 500 = FW + FK + FSOLUÇÂO ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 1 Balaço de K l d 2CrO4 : F Alimentação virgem X K = FK X K + FSOLUÇÂO X K (0,333)4500 = FK (1) + FSOLUÇÂO (0,364) ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 2 Balaço de água: F Alimentação virgem Balaço de água: F X W X = FW X W + FSOLUÇÂO XW Ali ã i W = F W X W + F SOLUÇÂO X (0,667)4500 = FW (1) + FSOLUÇÂO (0,636) ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 3 Se conhece também que FSolução = 0,05F Se conhece também que F = 0 05FK ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 4 Resolvendo simultaneamente 2 e 4, obtemos: FK = 1470 kg cristais de K 1470 k i i d K2CrO C O4 /h F /h FSOLUÇÂO = 77,5 kg/h 77 5 k /h Resolvendo equação 1, obtemos o fluxo (taxa) da água evaporada: FW = 2950 kg/h
Exemplo 4.5‐2 pag. 99. p p p ç q Balance de massa para um processo de separação que envolve reciclo. Análise dos diferentes sistemas: Sistema cristalizador e filtro: B l Balaço de massa total : F d t t l F CONC = FFK + FFSOLUÇÂO + F F FILTRADO (reciclo) F CONC = 1470 + 77,5 + F FILTRADO (reciclo) ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 1 Balaço de K2CrO4 : F CONC X K = FK X K + FSOLUÇÂO Ç X K + F FILTRADO (reciclo) ( )X K FCONC(0,494) = 1470 (1) + 77,5(0,364) + F FILTRADO (reciclo) (0,364) FCONC(0,494) = 1498,21+ F FILTRADO (reciclo) (0,364) ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 2 Balaço de água: F CONC X Balaço de água: F X W = F = FSOLUÇÂO X W + F F FILTRADO (reciclo) X XW Â X FCONC(0,506) = 77,5 (0,636) + F FILTRADO (reciclo) (0,636) FCONC(0,506) = 28,21 + F FILTRADO (reciclo) (0,636) ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 3 Resolvendo simultaneamente 1 e 3, obtemos: FCONC = 7200 kg /h F FILTRADO (reciclo) = 5650 kg/h Portanto, a razão de reciclo (massa de reciclo)/(massa de alimentação virgem) é: F FILTRADO (reciclo) = 5650 = 1,26 kg reciclo/ kg alimentação virgem 4500 kg alimentação virgem 4500 kg alimentação virgem 4500 4500
Exemplo 4.5‐2 pag. 99. para um p processo de separação p ç q que envolve reciclo. Balance de massa p Sistema ponto de mistura reciclo‐alimentação virgem: B l Balaço d massa total de t t l : F Alimentação virgem + F FILTRADO (reciclo) = FCOMB 4 500 + 5650 = FCOMB ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 1 Resolvendo, FCOMB = 10 150 kg/h Para resolver o sistema sem reciclo: Se começa com o sistema evaporador para resolver F W: Fluxo (taxa) da corrente de água que saí do evaporador e F CONC: Fluxo (taxa) da corrente concentrada que deixa o evaporador e entra em o cristalizador. Logo depois se faze balanço no cristalizador e filtro, obtemos : FK = 622 kg cristais de K2CrO4 /h Com reciclo, era 1470 kg/h O filtrado descartado é: FSOLUÇÂO = 2380 kg/h O filtrado (que é descartado) contém 0,364X2380=866 kg/h de K2CrO4, mais do que contém é a torta de d filtro. fl O reciclo l deste d f l d nos permite recuperar a maior parte deste filtrado d sal. O beneficio obvio do reciclo é obtido da venda deste K2CrO4 adicional. Os custos incluem a compra e custos de instalação da bombas, tubulações de reciclo e o custo da energia i consumida id pela l bomba. b b Provavelmente, P l t em pouco tempo t o beneficio b fi i supera o custo, e o reciclo aumentara a rentabilidade do processo.
Desvio. Uma fração da alimentação de uma unidade de processo é desviada ao redor da unidade e combinada com a corrente de saída da mesma. Variando a fração da alimentação que é desviada podemos variar a composição e as propriedades do produto.
alimentação
produto
Unidade de processo
Corrente de desvio
Separação de produtos e Reciclo Separação de produtos e Reciclo. Na analise de separação de produtos e reciclo dos reagentes não consumidos, são usados duas definições para a conversão dos reagentes: g Conversão no C ã Processo: Conversão no reator:
reagente que entra no processo ‐ reagente que sai do processo reagente que entra no processo reagente que entra no reator ‐ reagente que sai do reator reagente que entra no reator
Exemplo: reação química: A B 75 kg B/min
75 kg A/min
SEPARADOR
100 kg A/min REATOR
25 kg A/min 75 kg B/min 75 kg B/min
DE PRODUTOS
25 kg A/min
Conversão no processo de A = ((75 – p (( 0)/75) x 100 % = 100 % )/ ) Conversão no reator de A = ((100 – 25)/100) x 100 % = 75 % Todo o reagente pelo qual pagamos (alimentação virgem) se utilizo, pero apenas Todo o reagente pelo qual pagamos (alimentação virgem) se utilizo pero apenas o 75% do que entro ao reator foram consumidos. p g q p ç p Conversão do 100% no processo significa que a separação foi perfeita.
Exemplo 4.7‐2 pag. 120. Desidrogenação do propano Desidrogenação do propano. O propano é desidrogenado para formar propileno em um reator catalítico:
C3H8
C3H6 + H2
O processo precisa ser projetado para uma conversão de 95% do propano. Os produtos da reação são separados em duas correntes: a primeira, que contém H2, C3H6 e 0,555% do propano que deixa o reator, é considerada a corrente produto; a segunda, que contém o resto do propano não reagido e 5% do propileno da corrente do produto, é reciclada para o reator. Calcule a composição do produto, a razão (moles reciclados)/(mol de alimentação virgem) e a conversão no reator.
Alimentação virgem
?? mol C l C3H8 ? mol C3H6
REATOR
? mol C3H8 ? ? mol C l C3H6 ? mol H2
100 mol C3H8 100 mol C
Reciclo ? mol C3H8 ? mol C3H6 (5% de corrente produto)
P d t Produto SEPARADOR ?mol C3H8 (0 555% de (0,555% de entrada) ? mol C3H6 ? mol H2 ? mol H
Exemplo 4.7‐2 pag. 120. Desidrogenação do propano. Conhecendo que 95% de conversão no processo do propano (5% não são convertidos em produto), significa que saem 5 mol de C3H8. Sistema total Balanço de globais de espécies atômicas. Balanço de C global (100 (100 mol C l C3H8)( 3 mol C/ mol C )( 3 l C/ l C3H8) = (? mol C ) (? l C3H8)( 3 mol C/ mol C )( 3 l C/ l C3H8) + ) (? mol C3H6 )( 3 mol C/ mol C3H6 ) Como mol de C3H8 que saí é 5mol, despejando queda que saem 95 mol de C3H6 Balanço de H global (100 mol C3H8)( 8 mol H/ mol C3H8) = (? mol C3H8)( 8 mol H/ mol C3H8) + (? mol C3H6 )(6 mol H/ mol C (? mol C )(6 mol H/ mol C3H6 ) + )+ (? mol H2)(2 mol H/ mol H2) Como sabemos que saem, 5 mol de C3H8 e 95 mol de C3H6 , despejando queda 95 mol d H2. de H Corrente produto: 5 mol C3H8 ‐‐‐‐‐‐‐ 2,6% molar C3H8 95 mol C3H6 ‐‐‐‐‐‐‐ 48,7% molar C3H6 95 mol H2 ‐‐‐‐‐‐‐ 48,7% molar H2 195 moles
Exemplo 4.7‐2 pag. 120. Desidrogenação do propano. Conhecendo as relações dadas entre as variáveis do separador: ... os moles de saída de propano é 0,555% do propano que deixa o reator Isto é : moles propano C3H8 saí em corrente produto= 0,00555(mol C3H8 deixa o reator) 5 = 0 00555(mol C3H8 deixa o reator) 5 = 0,00555(mol C deixa o reator) Despejando, obtemos 900 mol C3H8 deixa o reator .... 5% de propileno da corrente produto é propileno em corrente reciclo Isto é : moles propileno C3H6 corrente reciclo = 0,05(mol C3H6 corrente produto) p j , , Despejando, obtemos 4,75 mol C 3H6 em corrente reciclo. Balanço de propano em o separador : entra= saí como produto + saí como reciclo 900 5+ í 900=5+ saí como reciclo i l Despejando, obtemos 895 mol C3H8 em corrente reciclo. Balanço de propano no ponto de mistura: entra em alimentação virgem + entra como reciclo = saí para reator 100 + 895 = 995 mol de C3H8 entra ao reator 100 + 895 = 995 mol de C entra ao reator
Exemplo 4.7‐2 pag. 120. Desidrogenação do propano. p p g g ç p p Portanto, a razão de reciclo (mol de reciclo)/(mol de alimentação virgem) é: 895 mol de C3H8 + 4,75 mol de C3H6 100 mol alimentação virgem
= 9 mol reciclo/mol alimentação virgem
Conversão no reator de propano = ((995– 900)/995) x 100 % = 9,6 % ≈ 10%
Apenas p 10% do p propano p que entra no reator são convertidos a p q propileno p em uma única passagem; no entanto, mais de 99% do propano não consumido no efluente do reator são recuperados na unidade de separação e reciclados de volta ao reator onde têm outra chance de reagir. reator, reagir O resultado final é que 95% do propano que entram no processo são convertidos, e apenas 5% saem com o produto final.
Purga. Suponha que um material que entra com a alimentação virgem ou que é produzido em uma reação permanecendo inteiramente na corrente de reciclo em vez de d ser carregado d para fora f d processo pela do l corrente de d produto. d Se nada é feito para impedir esta ocorrência a sustância continuará a entrar no processo sem ter nenhuma saída; portanto, irá acumular‐se progressivamente, tornando impossível atingir o estado estacionário. Para impedir isto, uma porção da corrente de reciclo deve ser retirada como uma corrente de p purga, g de forma a eliminar este material indesejado. j
Purga. Exemplo: Produção de oxido de etileno a partir de etileno. etileno Uma mistura de etileno e ar constitui a alimentação virgem do processo. O efluente do reator passa a um absorvedor, no qual é posto em contato com um solvente liquido. Todo o óxido de etileno é absorvido pelo solvente. A corrente de gás que abandona o absorvedor, que contém o nitrogênio, o etileno e o oxigênio g não reagidos, g , e reciclada p para o reator. Se não houvesse nitrogênio (ou qualquer outra substância inerte ou insolúvel) na alimentação, não haveria necessidade da corrente de purga. O reciclo conteria apenas etileno e oxigênio; a alimentação virgem conteria as mesmas sustâncias em quantidades suficientes para repor as quantidades consumidas na reação e o sistema estaria em estado estacionário. Se o sistema não fosse purgado, o nitrogênio se acumularia ocasionando parada do sistema. sistema Os cálculos de balanços materiais envolvendo reciclo e purga seguem o procedimento conhecido. A corrente de purga e a corrente de reciclo antes e depois da retirada da purga têm a mesma composição.
Processo com corrente de Purga produto Alimentação virgem
Alimentação ao reator
SEPARADOR REATOR
DE PRODUTOS
C Corrente de reciclo t d i l Corrente de p rga purga
Exercícios para casa: 1. Teste pag. 122 2. Fazer exemplo 4.7- 3 pag. 123. Reciclo e purga na síntese de metanol.
