BALANO MATERIAL Prof. Mauri Palma FBT/FCF/USP

INTRODUO

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Figura 1 - Indstria qumica

Uma empresa deve: -Atender o mercado -Gerar lucros -Ter ao social

As empresas tm problemas: -Tcnicos -Legais e fiscais -Gerenciais -Ambientais -Trabalhistas, etc. e precisa resolv-los. A quem cabe resolver os problemas citados? CORPO TCNICO DA EMPRESA

O BALANO MAIS IMPORTANTE (FINANCEIRO) receitas em R$ - gastos em R$ = Variao em R$ Se a variao positiva temse o saldo, possvel fazer uma poupana. Se a variao negativa, tem-se que lanar mo das reservas ou fazer dvida. Se a variao negativa devo ver onde estou gastando muito dinheiro. Comida, taxas, servios, noitadas etc. Sabendo onde est o rombo posso procurar resolvelo.

DEFINIES Acmulo: aumento ou diminuio da massa do sistema (em massa ou moles). Acmulo negativo: diminuio da massa no sistema Balano material: equao do balano de massa ou da conservao da massa Balano por componente: balano material de uma substncia qumica no sistema Condio inicial: a quantidade de massa no processo no incio do processo Condio final: a quantidade de massa no processo no final do processo

DEFINIES Conservao da massa: a massa nunca criada e nem destruda (Princpio de Lavoisier) Consumo: a diminuio da massa de um componente em um sistema devido a uma reao qumica Entrada: massa que entra em um sistema Gerao: o surgimento de um componente em um sistema devido a uma reao qumica Processo batelada: um processo no qual a massa no adicionada nem removida do processo durante a sua operao

DEFINIES Processo semi-batelada: um processo no qual h entrada de massa, mas o produto no removido durante o a operao Regime permanente: operao de um processo no qual todas as condies (por ex., temperatura, presso, quantidade de massa, vazes, etc) so mantidas constantes com o tempo Regime transiente: operao de um processo no qual uma ou mais das condies (por ex., temperatura, presso, quantidade de massa, vazes, etc) variam com o tempo

DEFINIES Sada: massa que deixa o sistema Sistema: parte do processo global considerada para a anlise. uma regio limitada do espao por uma superfcie fictcia ou fsica Superfcie do sistema: superfcie fechada que contm a parte do processo a ser analisada Sistema aberto: aquele no qual massa atravessa a sua superfcie Sistema fechado: aquele no qual massa no atravessa a sua superfcie

DEFINIES Vazo: quantidade de material que atravessa a superfcie do sistema por unidade de tempo (por ex., kg/h, mols/h, L/min, etc) Volume de controle: regio do espao no qual faremos o balano de massa

EXEMPLOS DE SISTEMAS

Figura 02 Sistema fechado (1 componente) Tanque com gua.

EXEMPLOS DE SISTEMAS

Figura 03 Sistema aberto em regime permanente (1 componente) Tanque com entrada e sada.

EXEMPLOS DE SISTEMAS

Figura 04 Sistema aberto em regime transiente com acmulo positivo (t = 0 min, 1 componente) Vazo de sada menor que a vazo de entrada.

EXEMPLOS DE SISTEMAS

Figura 05 Sistema aberto em regime transiente com acmulo positivo (t = 50 min, 1 componente) Vazo de sada menor que a vazo de entrada.

EXEMPLOS DE SISTEMAS

Figura 06 Sistema aberto em regime transiente com acmulo negativo (t = 0 min, 1 componente) Vazo de sada maior que a vazo de entrada.

EXEMPLOS DE SISTEMAS

Figura 07 Sistema aberto em regime transiente com acmulo negativo (t = 50 min, 1 componente) Vazo de sada maior que a vazo de entrada.

EXEMPLOS DE SISTEMAS

Figura 08 Sistema aberto em regime transiente (2 componentes)

EXEMPLOS DE SISTEMAS

Figura 09 Cmara de combusto (Regime permanente).

EXEMPLOS DE SISTEMAS

Figura 10 Balano mssico de nitrognio na biosfera (milhes de tons)

BALANO MATERIAL

Figura 11 Expresso geral para o balano material

BALANO MATERIALO Balano Material pode ser aplicado a sistemas de um ou mais componentes, com ou sem reao qumica e em regime permanente ou transiente. Algumas simplificaes da eq.(1) so mostradas a seguir. A) REGIME PERMANENTE O termo de acmulo nulo. ENTRA - SAI + PRODUO CONSUMO = 0 Se no houver reaes qumicas: ENTRA - SAI = 0 Exemplos: Tanques agitados nos quais as vazes de entrada e de sada so iguais (Figuras 03, 09 e 10).

BALANO MATERIALB) REGIME TRANSIENTE O termo de acmulo diferente de zero. ENTRA - SAI + PRODUO -CONSUMO = ACMULO Se no houver reaes qumicas: ENTRA - SAI = ACMULO

BALANO MATERIALExemplos de Processos em Regime Transiente Tanques agitados nos quais as vazes de entrada e de sada so diferentes (Figuras 04 a 07), composies de entrada e sada so diferentes (Figura 08) e os casos esquematizados a seguir.

EXEMPLOS NUMRICOSAumento da concentrao de NaOH de um fluxo diludo atravs da mistura com um fluxo de NaOH concentrado

EXEMPLOS NUMRICOS

EXEMPLOS NUMRICOSConcentrao de clulas com uma centrfuga

ONDE SE APLICAM OS BALANOS MATERIAIS? O balano se aplica na regio mais conveniente, a qual tem o maior interesse. Isso um pouco arbitrrio, depende da experincia e chamado de VOLUME DE CONTROLE (VC).

Figura 15 Exemplos de volume de controle

ETAPAS DE UM BALANO MATERIAL Visualizar o processo considerado. Esquematizar o processo segundo um fluxograma simplificado indicando todas as correntes que intervm no processo bem como as suas composies.

Exemplos SECAGEM

Exemplos EXTRAO LQUIDO-LQUIDO

OBS.: O soluto A mais solvel no solvente do que na gua.

Exemplos LIXIVIAO

OBS.: A soluo de leo em hexano pode ser separada por destilao simples ou destilao a vcuo.

Exemplos REATOR BATELADA MULTIPROPSITO

ESQUEMATIZAO DE UM PROCESSO GENRICO

Estabelecer um sistema de equaes relacionando vazes de todas as correntes de entrada e sada e concentraes de todas as espcies qumicas presentes. O nmero de incgnitas deve ser igual ao nmero de equaes. As equaes so obtidas atravs de Balanos Materiais Globais (BMG) e Parciais (BMP). Os BMGs correspondem contabilidade correntes de entrada e de sada. Os BMPs correspondem espcies qumicas. contabilidade das das

TIPOS DE BALANOS Em massa Balano de massa global sem reao qumica WE - WS = dM/dt Balano de massa parcial sem reao qumica WE.xiE - WS.xiS = dMi/dt = d(xiS.M)/dt Portanto: WE.xiE - WS.xiS = M.d(xiS)/dt + xiS.d(M)/dt (3) (2)

TIPOS DE BALANOS Em mols Balano de massa global com reao qumica E - S = dN/dt + Ri Balano de massa parcial com reao qumica E.yiE - S. yiS = dNi/dt + Ri (5) (4)

TIPOS DE BALANOS

Onde: i = componente i E = entrada S = sada W = vazo mssica total (kg/min, ton/dia, etc) = vazo molar total (gmol/min, kgmol/dia, etc) M = massa total dentro do sistema (kg, ton, etc) N = nmero total de mols dentro do sistema (gmol, kgmol, etc) R = velocidade de consumo por reao qumica (gmol/min, kgmol/dia, etc) xi = frao mssica do componente i yi = frao molar do componente i