UniEvangélica Cursos Superiores de Tecnologia Superior de Tecnologia em Produção Sucroalcooleira Disciplina: Operações Unitárias Prof. Espc. Saulo Costa
Balanço de Massa 1. Introdução Um proc proces esso so quím químic ico o é util utiliz izad ado o para para form formaç ação ão de um prod produt uto o quím químic ico, o, interm intermedi ediári ário o ou final, final, compre compreend endend endo o duas duas situaç situações ões bem distin distintas tas que func funcio iona nam m em conj conjun unto to para para se alca alcanç nçar ar o obje objeti tivo vo,, que que é a form formaç ação ão econômica do produto desejado: Quaisquer que seja a indústria química, existirão etapas semelhantes entre elas elas,, que que pode podem m ser ser estu estuda dad das à luz luz dos dos prin princí cípi pios os físi físico cos s e quím químic icos os envolvidos, independentemente do material que está sendo manufaturado. As etapas na produção de qualquer produto químico podem ser divididas em três grandes grupos:
Quaisquer que seja a indústria química, existirão etapas semelhantes entre elas elas,, que que pode podem m ser ser estu estuda dad das à luz luz dos dos prin princí cípi pios os físi físico cos s e quím químic icos os envolvidos, independentemente do material que está sendo manufaturado. As etapas na produção de qualquer produto químico podem ser divididas em três grandes grupos: 1.
Com raras exceções, a parte principal principal de qualquer unidade de produção produção é o reat reator or quím químic ico, o, onde onde ocor ocorre re a tran transf sfor orma maçã ção o dos dos reag reagen ente tes s em
produtos. As reações químicas podem ser classificadas como reações de hidrogenação, nitração, sulfonação, oxidação, etc. Esses grupos de reações estudadas sob o mesmo enfoque são conhecidos como conversões químicas ou processos unitários. Compreende o conjunto de parâmetros que processam as reações químicas: mecanismo de reação, condições dos reagentes e matérias-primas (grau de pureza, composição de mistura, etc.) que serão utilizadas nos processos, condição de pressão e temperatura, tipos de catalisadores, etc. (Parâmetros Químicos). 2. Antes de entrarem no reator, reagentes ou matérias-primas passam através de vários equipamentos, onde pressão, temperatura, composição e fase são ajustadas para que sejam alcançadas as condições em que ocorrem as reações químicas, ou seja, são as etapas de preparação da carga para o reator. 3. Os efluentes do reator são, em geral, uma mistura de produtos, contaminantes e reagentes não reagidos que devem ser separados em equipamentos apropriados para se obter o(s) produto(s) na pureza adequada ao mercado. Em geral, em todos os equipamentos usados antes e após o reator ocorrem apenas mudanças físicas no material, tais como: elevação da pressão (bombas e compressores), aquecimento ou resfriamento (trocadores de calor), mistura, separação etc. Estas várias operações que envolvem mudanças físicas no material, independentemente do material que está sendo processado, são chamadas de operações unitárias da indústria química. São tão importantes quanto as reações químicas utilizadas para a obtenção do produto.
2. Balanço de Massa Como se sabe, “na natureza nada se cria, nada se destrói, tudo se transforma”, ou seja, a matéria não é criada e muito menos destruída, e, portanto, num balanço material envolvendo um certo sistema, a massa que neste entra deverá ser a mesma que dele estará saindo. No processamento uma tonelada, por exemplo, por hora de petróleo em uma refinaria, obtém-se exatamente uma tonelada por hora de produtos derivados deste processo, como gás combustível, GLP, gasolina, querosene, diesel e óleo combustível. A queima de um combustível em um forno ou em uma caldeira é outro exemplo, porém menos evidente em que ocorre o mesmo balanço de massa: pode-se citar que durante a queima de 1 tonelada de um certo combustível em um forno ou uma caldeira, considerando-se que são necessárias 13 toneladas de ar atmosférico, tem-se como resultado 14 toneladas de gases de combustão. Em um Balanço Material, não se deve confundir massa com volume, pois as massas específicas dos produtos são diferentes. Assim, um balanço material deverá ser realizado sempre em massa, pois a massa de certo produto que entra em certo sistema, mesmo que transformada em outros produtos, sempre será a mesma que está saindo deste sistema, enquanto os volumes sofrem variação conforme a densidade de cada produto.
'Tudo tem que ir para algum lugar' é uma maneira simples de expressar um dos princípios mais fundamentais da engenharia. Mais precisamente, a lei de conservação de massa diz que quando reações químicas ocorrem, matéria não é criada nem destruída (embora em reações nucleares massa possa ser convertida em energia). O que esse conceito nos permite fazer é observar o movimento dos materiais (ex. poluentes) de um lugar para outro, com equações de balanço de massa. O primeiro passo numa análise de balanço de massa é definir a região particular no espaço que será analisada. Como exemplo, essa região pode incluir qualquer coisa, desde um simples tanque de mistura química até uma usina de carvão, um lago, um braço de rio, etc. Desenhando um limite imaginário ao redor de uma região, como está sugerido na figura 1, nós podemos então começar a identificar um fluxo de matéria através das fronteiras, como também a acumulação de material dentro da região. Uma substância que entra na região tem três possíveis destinos. Algumas podem deixar a região sem mudanças; algumas podem ficar acumuladas dentro da região; e algumas devem se converter em outras substâncias (ex. CO entrando deve ser oxidado para CO 2 dentro da região). Assim, usando a figura 1 como um guia, as seguintes equações de balanço de massa podem ser escritas para cada substância de interesse:
(Taxa de entrada) = (Taxa de saída) + (Taxa de conversão) + (Taxa de acumulação) (eq.1) Frequentemente, a eq.1 pode ser simplificada. A simplificação mais comum resulta quando condições de regime permanente ou equilíbrio podem ser considerados. Equilíbrio simplesmente significa que nada varia com o tempo; o sistema teve suas alimentações ('inputs') mantidas constantes, por tempo suficiente, que qualquer transiente teve tempo de dispersar-se. As concentrações dos poluentes são constantes. Então, a taxa de acumulação na eq.1 é zero, e os problemas podem ser resolvidos usando somente álgebra simples. Uma segunda simplificação da eq.1, resulta quando uma substância é conservada dentro da região em questão, significando que não há decaimento radioativo, decomposição bacteriana, ou reação química ocorrendo. Para tais substâncias conservativas, o termo da taxa de conversão é zero na eq.1 . Exemplos de substâncias que são tipicamente modeladas como conservativas incluem sólidos totais dissolvidos em um corpo d'água, metais pesados em solos, e dióxido de carbono no ar. Substâncias não conservativas incluiriam o gás radon radioativo em uma casa ou decomposição de resíduos orgânicos em um lago. Muitas vezes, problemas envolvendo substâncias não conservativas podem ser simplificados quando o termo taxa de conversão ou reação, é pequeno o bastante para ser ignorado. Limite acumulad
ou
entrad
saída reagido Figura 1 - Diagrama do balanço de massa
3. Dicas para Resoluções de Balanço de Massa (e Energia) Como regra geral, antes de iniciar cálculos que evolvam balanços mássicos e/ou balanços energéticos, deve-se: a) transformar todas as vazões volumétricas em vazões mássicas, pois o balanço deve ser realizado sempre em massa, uma vez que a vazão em massa não varia com a temperatura. b) faça um esquema simplificado do processo em que serão realizados os balanços; c) identifique com símbolos, as vazões e as composições de todas as correntes envolvidas nos processos em que estão sendo realizados os balanços; d) anote, no esquema simplificado de processo, todos os dados de processo disponíveis como vazões, composições, temperaturas, pressões, etc; e) verificar que composições são conhecidas ou podem ser calculadas; f) verificar quais vazões mássicas são conhecidas ou podem ser calculadas; g) selecionar a base de cálculo conveniente a ser adotada para o início da resolução do problema. h) em situações complexas é melhor começar por se fazer uma análise global aproximada; i) faça o processo de subdivisão de um grande sistema por unidades individuais simples. j) escolha uma fronteira de sistema que minimize o número de fluxos de entrada e saída: i. todos os fluxos relevantes devem atravessar essa fronteira; ii. todos os fluxos não relevantes devem ficar no seu interior; k) considere os fluxos de reciclagem no interior do seu sistema.
