NOÇÕES SOBRE
PROCESSOS QUÍMICOS
(1)
Atualização: 09 de agosto de 2007
1. Introdução
1.1 Primeiros Conceitos
1.1.1 Processos Químicos
1.1.2 Sistemas
1.1.3 Correntes
(a) Correntes Típicas em Processos
(b) Variáveis Características de Correntes
1.1.4 Equipamentos
(a) Principais Equipamentos de Processos
(b) Variáveis Características de Equipamentos
1.1.5 Representação de Processos
(a) Fluxogramas
(b) Modelos Matemáticos
Desde que surgiu no mundo, o homem vive do que a natureza lhe
oferece em termos de alimentação e material para a produção de
objetos.
Em algum momento ele começou a tomar consciência de
algumas leis naturais e passou a criar dispositivos primitivos
que lhe permitiam fazer uso desse conhecimento.
Exemplos: alavanca, roldanas, rodas d'água, etc...
Com a evolução humana surgiram a Ciência e a Tecnologia:
Ciência: estudo sistemático da natureza
Tecnologia: aplicação prática do conhecimento adquirido
O homem tornou-se capaz de criar dispositivos cada vez mais
sofisticados, explorando os diversos fenômenos naturais que
aprendeu a observar e compreender.
Fenômenos de natureza mecânica, química, eletro-eletrônica,
nuclear e suas aplicações práticas:
- mecânicos: veículos, grandes estruturas, máquinas complexas...
- eletro-eletrônicos: geração e transmissão de energia,
comunicações, eletrodomésticos, computadores, ...
- químicos: combustíveis, plásticos, fertilizantes, produtos
químicos de uso geral,...
- nucleares: geração de energia
O conhecimento dos fenômenos e o ensino das aplicações
práticas começou a ser organizado e difundido através de
Cursos Superiores, especializados de acordo com os
fenômenos explorados
Por exemplo, na Escola de Química, são ministrados quatro
Cursos :
- Engenharia Química
- Engenharia de Alimentos
- Engenharia de Bioprocessos
- Química Industrial
Esses Cursos estão voltados para o aproveitamento prático de
uma classe de fenômenos que lhes são comuns: os fenômenos
químicos, físico - químicos e bioquímicos.
O resultado prático deste aproveitamento é a transformação de
matérias primas em produtos químicos de interesse, em
escala industrial.
Essa transformação exige diversas etapas.
O conjunto de etapas constitui o Processo Químico
Matéria Prima
Processo Químico
Produto
As etapas ocorrem fisicamente no interior dos equipamentos
(reatores, separadores, bombas, trocadores de calor)
O conjunto dos equipamentos interligados constitui a
Planta Industrial.
PLANTA INDUSTRIAL
Instalação física onde ocorre o processo de transformação da
matéria prima no produto de interesse.
Processo Químico é um conceito abrangente
Inclui todas as transformações químicas,
sejam espontâneas,
sejam resultantes da ação de
catalisadores (processos catalíticos) ou de
microrganismos (processos biotecnológicos)
RECAPITULANDO
Homem
Consciência de leis naturais  artefatos primitivos
Ciência e Tecnologia  dispositivos complexos
No nosso caso:
Processos Químicos  Planta Industrial
O Engenheiro Químico é o profissional responsável pelo estudo
dos fenômenos e do aproveitamento dos mesmos em cada etapa
do processo, bem como da combinação das etapas formando o
processo completo.
Matéria Prima
Processo Químico
Produto
Ele é também o profissional responsável pela operação da planta
industrial e pelo funcionamento rentável da Empresa.
Como surgem um Processo Químico e uma Planta Industrial?
Através de um
Projeto
PROJETO
É o conjunto de ações desenvolvidas
Desde
A decisão de se
produzir um
determinado produto
químico

Até
Um plano bem definido
para a construção e a
operação da instalação
industrial.

É um conjunto numeroso e diversificado de ações !!!
Investigar
disponibilidade
de matéria prima
Calcular o
consumo de
utilidades
Investigar
mercado
para o produto
Estabelecer o
Definir o fluxograma
número
do processo
e o tipo dos
reatores
Investigar
Calcular a vazão das
reagentes
Estabelecer as
correntes
plausíveis Avaliar a
condições
lucratividade
intermediárias
da reação e subdo processo
Definir o número e o
produtos
tipo de trocadores de
Definir o número e
calor Calcular as
o tipo dos
dimensões
separadores
Calcular o consumo
dos equipamentos
de
Calcular o consumo
Estabelecer
insumos
de
malhas
matéria prima
de controle
Para executar todas essas ações, o profissional necessita uma
sólida formação que é fornecida pelos Cursos.
Nesses Cursos, o conhecimento é organizado sob a forma de
disciplinas logicamente concatenadas
As disciplinas analisam os fenômenos envolvidos em cada etapa
do processo e ensinam uma série de cálculos matemáticos, dos
mais simples aos mais complexos.
Esses cálculos incluem o consumo de matéria prima e de
insumos, o tamanho dos equipamentos, os custos financeiros,
etc.
Investigar
disponibilidade
de matéria prima
Calcular o
consumo de
utilidades
Investigar
mercado
para o produto
Estabelecer o
Definir o fluxograma
número
do processo
e o tipo dos
reatores
Investigar
Calcular a vazão das
reagentes
Estabelecer as
correntes
plausíveis Avaliar a
condições
lucratividade
intermediárias
da reação e subdo processo
Definir o número e o
produtos
tipo de trocadores de
Definir o número e
calor Calcular as
o tipo dos
dimensões
separadores
Calcular o consumo
dos equipamentos
de
Calcular o consumo
Estabelecer
insumos
de
malhas
matéria prima
de controle
Na base de todos esses cálculos se encontram os chamados
balanços de massa e de energia.
Sem eles os demais cálculos não podem ser efetuados.
1. Introdução
1.1 Primeiros Conceitos
1.1.1 Processos Químicos
1.1.2 Sistemas
1.1.3 Correntes
(a) Correntes Típicas em Processos
(b) Variáveis Características de Correntes
1.1.4 Equipamentos
(a) Principais Equipamentos de Processos
(b) Variáveis Características de Equipamentos
1.1.4 Representação de Processos
(a) Fluxogramas
(b) Modelos Matemáticos
O trabalho do Engenheiro Químico ganha em eficiência quando
ele enfoca o processo como um
SISTEMA
1.1.2. SISTEMAS
Denominação genérica aplicada a organismos, dispositivos ou
instalações, com as seguintes características:
(a) são conjuntos de elementos interdependentes (mediante
conexões), cada um capaz de executar uma ação específica.
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(b) a sua finalidade é executar uma ação complexa resultante da
combinação das ações dos seus elementos (não há um elemento
capaz de executar sozinho a ação desejada).
SISTEMA: elementos, conexões, finalidade
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Os elementos e as conexões tanto podem ser
concretos como abstratos.
A finalidade tanto pode ser estabelecida como apenas
constatada pelo homem.
Isso torna o sistema um conceito bastante abrangente.
(Quase tudo no mundo é um sistema...)
Processos Químicos como Sistemas
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Produto
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Os Processos Químicos podem ser considerados como um tipo
particular de Sistema em que
Os elementos são os equipamentos.
As conexões são as correntes.
A finalidade é a transformação de uma matéria prima num
produto de interesse comercial, de forma econômica, segura,
limpa e em escala industrial.
ENGENHARIA DE SISTEMAS
Campo do conhecimento que estuda Sistemas
independentemente da natureza dos seus elementos.
Desenvolve técnicas matemáticas poderosas de aplicação geral,
a todos os ramos da Engenharia.
ENGENHARIA QUÍMICA
Sistema: instalação que transforma matérias primas em
produtos.
Vantagem em se tratar os Processos Químicos como
Sistemas
Usar as ferramentas da Engenharia de Sistemas para projetar e
analisar os Processos Químicos maneira formal e eficiente
(tempo e custos).
A representação gráfica do sistema Processos Químico é
chamada de
Fluxograma
constituído pelos equipamentos e pelas correntes
Eis um fluxograma típico de um processo
(A + B  C) com impureza I
B (I)
B (I)
B (I)
A
B (I)
B (I)
REATOR
SEPARADOR
C, B (I)
C
Conhecendo o Sistema Processo Químico
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Produto
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Conhecendo as conexões: correntes.
Conhecendo os elementos: equipamentos.
1. Introdução
1.1 Primeiros Conceitos
1.1.1 Processos Químicos
1.1.2 Sistemas
1.1.3 Correntes
(a) Correntes Típicas em Processos
(b) Variáveis Características de Correntes
1.1.4 Equipamentos
(a) Principais Equipamentos de Processos
(b) Variáveis Características de Equipamentos
1.1.5 Representação de Processos
(a) Fluxogramas
(b) Modelos Matemáticos
1.2 Histórico da Engenharia Química
1.3 Dimensões e Unidades
1.4 Sistemas de Unidades
1.5 Principais Parâmetros na Descrição de Correntes de
Processos
1.1.4 CORRENTES
São substâncias em trânsito de um equipamento para outro ou
entrando ou saindo do processo através de um duto (fluidos) ou
de uma esteira (sólidos).
As correntes são as conexões do sistema Processo Químico.
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Produto
(a) Correntes Típicas em Processos (A + B  C)
Conversão total de A e parcial de B
Presença de impureza inerte I com B
Reposição
(“make up”)
do reagente B
B (I)
Evita o acúmulo da
impureza inerte I que
"apaga" a reação
(perda de B)
B (I)
Reciclo
B (I)
Reaproveitamento do reagente
B não consumido
B (I)
Saída
Alimentação
A
Purga
REATOR
SEPARADOR
C, B (I)
C
As correntes são caracterizadas pelas propriedades físicas das
suas substâncias. Mas a variável mais importante é a sua
VAZÃO
Vazão
Quantidade de matéria transportada por unidade de tempo
- Mássica
- Por componente: fij = massa de i na corrente j/tempo [kg i/h]
- Total: Fj = fij [kg/h]
- Molar
- Por componente: fij = mol de i na corrente j/tempo [kmol i/h]
- Total: Fj = fij [kmol/h]
- Volumétrica
- Por componente: fij = volume de i na corrente j/tempo [m3 i/h]
- Total: Fj = fij [m3/h]
(b) Variáveis Características de Correntes
Correntes são constituídas de substâncias puras ou de misturas.
Variáveis características das substâncias
- quantidade de matéria (armazenada, escoando, reagindo…), expressa em
gmol, lbmol, g, kg, ton, lbm, slug…
- estado físico: sólido, líquido, gás, vapor.
- densidade: quantidade de matéria por unidade de volume ocupado, expressa
em g/cm3, lbm/ft3, g/l, …
- capacidade calorífica: quantidade de calor necessária para elevar a unidade
de massa de um grau . Expressa em cal/g oC , BTU/lb oF
- viscosidade: indicador da resistência ao escoamento, expressa em poise.
- pressão e temperatura: afetam as propriedades físicas e a velocidade de
reação.
Densidade, Volume Específico, Densidade Relativa
Densidade: quantidade de matéria por unidade de volume ocupado .
Mássica () : g/cm3, lb/ft3, …
Molar (mol) : gmol/cm3, lbmol/ft3…
 =  (P, T)
Variáveis características de misturas
- frações
- concentração
- propriedades de misturas
FRAÇÕES
Fração mássica
Para uma mistura de n componentes, cada um com a massa mi:
- massa total: M = mi
- fração mássica do componente i: xi = mi/M (adimensional)
Pela definição de xi:
xi = (mi/M) = (1/M) mi = 1 (!!!)
Componente
mi (kg)
xi = mi/M
Propano
5
0,10
Butano
15
0,3
Pentano
30
0,4
TOTAL
50
1,00
FRAÇÕES
Fração molar
Para uma mistura de n componentes, cada um com ni mol:
- mol total: N = ni
- fração molar do componente i: xi = ni/N (adimensional)
Pela definição de xi:
xi = (ni/N)= (1/N) ni= 1
Componente
ni (kg)
xi = ni/N
Propano
5
0,10
Butano
15
0,3
Pentano
30
0,4
TOTAL
50
1,00
FRAÇÕES
Fração volumétrica
Para uma mistura de n componentes, cada um ocupando o
volume vi :
- volume total: V = vi
- fração volumétrica do componente i: xi=vi/V (adimensional)
Pela definição de vi:
xi = (vi/V)= (1/V) vi= 1
Componente
vi (kg)
xi = vi/V
Propano
5
0,10
Butano
15
0,30
Pentano
30
0,40
TOTAL
50
1,00
Exemplo:
Mistura de O2, CO, CO2 e N2.
(a) composição mássica ?
(b) composição molar
(c) massa molecular média ?
Fração
mássica
O
2
CO
CO
N
2
2
m (g)
i
16
x=m /m
i
i
0,16
4
0,04
17
63
m = 100
Fração
molar
M (g/gmol)
i
32
n =m /M
i
i
i
0,500
z =n /n
i
i
0,152
z M
i i
4,86
28
0,143
0,044
1,23
0,17
44
0,386
0,118
5,19
0,63
28
2,250
0,686
19,21
n = 3,279
30,49
Concentração
Representa a quantidade de um soluto por unidade de volume de
um solvente ou da solução (mistura).
- Mássica: massa de soluto/volume de solução [g/l,kg/m3,lb/ft3,…
- Molar:mol de soluto/volume de solução [gmol/l, gmol/m3, lbmol/ft3
(molaridade)
- Molalidade: mol de soluto/massa de solvente [gmol/kg]
(pouco usada em engenharia)
- Parte por milhão (ppm): uma parte do soluto por 1 milhão de
partes do solvente. Usado para soluções muito diluídas.
1. Introdução
1.1 Primeiros Conceitos
1.1.1 Processos Químicos
1.1.2 Sistemas
1.1.3 Correntes
(a) Correntes Típicas em Processos
(b) Variáveis Características de Correntes
1.1.4 Equipamentos
(a) Principais Equipamentos de Processos
(b) Variáveis Características de Equipamentos
1.1.5 Representação de Processos
(a) Fluxogramas
(b) Modelos Matemáticos
1.2 Histórico da Engenharia Química
1.3 Dimensões e Unidades
1.4 Sistemas de Unidades
1.5 Principais Parâmetros na Descrição de Correntes de
Processos
1.1.5 EQUIPAMENTOS
São dispositivos especialmente concebidos para abrigar
fenômenos naturais provocados intencionalmente e de forma
controlada com alguma finalidade prática.
Os equipamentos são os elementos do sistema processo químico.
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Produto
5.1 Principais Equipamentos de Processos
Operações Típicas Realizadas pelos Equipamentos
Reação
Separação
Integração Material e Energética
Controle
Operações Típicas Realizadas pelos Equipamentos
Reação: transformação química da matéria prima no produto.
Realizada em diversos tipos de reatores.
Separação: consiste em separar o produto principal da reação dos
sub-produtos e de resíduos dos reagentes, bem como impurezas
dos reagentes. Realizada em diversos tipos de separadores.
Integração Material e Energética:
Movimentação material de reagentes, produtos e subprodutos,
executada por bombas, compressores e sistemas de tubulações.
Fornecimento e remoção de energia dos equipamentos, executado
por trocadores de calor, fornos e caldeiras.
Controle:
Manutenção do processo em condições operacionais estáveis e
seguras, corrigindo perturbações, garantindo a qualidade do produto
e a segurança da instalação.
Executado por instrumentos de medição e controladores.
Operações Típicas Realizadas pelos Equipamentos
REAÇÃO
Transformação química da matéria prima no produto.
Realizada em diversos tipos de reatores.
REATOR TANQUE AGITADO
Operação em batelada ou contínua
REATOR TUBULAR
Operações Típicas Realizadas pelos Equipamentos
SEPARAÇÃO
Consiste em separar o produto principal da reação dos sub-produtos
e de resíduos dos reagentes, bem como impurezas dos reagentes.
Realizada em diversos tipos de separadores.
TORRE DE DESTILAÇÃO
Torre ou Coluna
de Destilação
Prato ou Bandeja
Torre ou Coluna
de Absorção
EVAPORADOR
EXTRATOR
solução com
soluto
Tanque de Mistura
solvente

extrato = solvente + soluto
Tanque de Decantação
rafinado = solução “empobrecida” do
soluto.
Operações Típicas Realizadas pelos Equipamentos
INTEGRAÇÃO MATERIAL E ENERGÉTICA
Movimentação material de reagentes, produtos e sub-produtos,
executada por bombas, compressores e sistemas de
tubulações.
Fornecimento e remoção de energia dos equipamentos,
executado por trocadores de calor, fornos e caldeiras.
BOMBA
TROCADOR (PERMUTADOR) DE CALOR
WF, TSF
WQ, TEQ
WQ, TSQ
Corrente
Quente
Corrente
Fria
WF, TEF
Tanque de Mistura
Ponto de Mistura

Bifurcação
(b) Variáveis características de equipamentos
- Relativas ao tamanho:
- comprimento (de um tubo)
- altura (de uma torre)
- diâmetro (de um tanque esférico)
- área superficial (de um tubo)
- volume (de um tanque).
- Relativas às condições de operação:
- pressão
- temperatura (no interior do equipamento).
-Relativas ao consumo de energia:
- potência: energia consumida por unidade de tempo para mover
partes de equipamentos como bombas, compressores e
agitadores.
- Relativas ao número de itens:
- número de estágios de uma coluna de destilação
- número de equipamentos de uma bateria.
1. Introdução
1.1 Primeiros Conceitos
1.1.1 Processos Químicos
1.1.2 Sistemas
1.1.3 Correntes
(a) Correntes Típicas em Processos
(b) Variáveis Características de Correntes
1.1.4 Equipamentos
(a) Principais Equipamentos de Processos
(b) Variáveis Características de Equipamentos
1.1.5 Representação de Processos
(a) Fluxogramas
(b) Modelos Matemáticos
1.2 Histórico da Engenharia Química
1.3 Dimensões e Unidades
1.4 Sistemas de Unidades
1.5 Principais Parâmetros na Descrição de Correntes de
Processos
1.1.6 REPRESENTAÇÃO DE PROCESSOS
Processos podem ser representados de duas formas:
fluxogramas e modelos matemáticos.
Fluxograma
Representação gráfica visual em que aparecem os
equipamentos e as correntes do processo na seqüência do
processamento.
Modelo Matemático
Representação matemática dos fenômenos que se passam nos
equipamentos que permite obter informações de natureza
quantitativa.
Exemplo de Fluxograma
Processo de recuperação do ácido benzóico de uma corrente
aquosa diluída, por extração com benzeno (Rudd & Watson).
A solução aquosa é alimentada a um extrator que recebe
benzeno como solvente.
O rafinado do extrator é descartado. O extrato é enviado a um
evaporador onde é concentrado por evaporação do benzeno.
O concentrado é o produto do processo.
O benzeno evaporado é reciclado ao extrator, passando
sucessivamente por um condensador, um resfriador e um
misturador, onde recebe corrente de reposição (“make up”).
Fluxograma do processo com as principais variáveis
RESFRIADOR
solvente
14
MISTURADOR
W
14
T
CONDENSADOR
12
14
W
12
T
9
12
13
W
13
T
A
r
9
10
W
10
T
13
A
c
W
5
5 T
10
11 W 11
T
15
W
15
T
W
9
T
5
8 W
8
T
água 11
água 8
15
V
d
1
W1
T1
f11 x11
f31
alimentação
3
decantador
bomba
EXTRATOR
A
e
2 W2
T
2
f
12
f
32
rafinado
W
3
T
3
f
13
f
23
extrato
7
W
7
T
7
condensado
EVAPORADOR
6
W
6
T
6
vapor
4 W
4
T
4
f
x
14
14
f
24
produto
Modelo Matemático
Representação matemática dos fenômenos que se passam nos
equipamentos.
Permite obter informações de natureza quantitativa
(“bola de cristal)”.
São sistemas de equações algébricas do tipo: f (x1, x2, …, xn) = 0
Exemplo de Modelo Matemático (Extrator do processo anterior)
01.
02.
03.
04.
05.
06.
07.
08.
Balanço Material do Ácido Benzóico:
f11 - f12 - f13 = 0
Balanço Material do Benzeno:
W15 - f23 = 0
Balanço Material da Água:
f31 - f32 = 0
Relação de Equilíbrio Líquido-Líquido:
f13 - k (f23/f32) f12 = 0
Balanço de Energia:
(f11 Cp1 + f31 Cp3) (T1 - T2) + W15 Cp2l (T15 - T2) = 0
Equilíbrio Térmico no Decantador:
T2 - T3 = 0
Equação de Dimensionamento:
Vd -  (f11 /1 + W15/2 + f31/3) = 0
Fração Recuperada de Ácido Benzóico:
r - f13/f11 = 0
Resultado do Dimensionamento Fornecido pelo Modelo
Matemático
W
= 10800 kg/h
14
T = 25 C
14
14
MISTURADOR
15
T = 25 C
15
1
1
W
= 64226 kg/h
12
T
= 25 C
12
2
A = 243,3 m
r
RESFRIADOR
9
W = 244293 kg/h
9
T
= 25 C
9
2
10
A = 81,6 m
c
W
= 25950 kg/h
10
CONDENSADOR
T
= 80 C
10
W = 64226 kg/h
W = 244293 kg/h
T
= 25 C 11 11
8
8
13
T
= 15 C água
T = 15 C água
11
8
13
W
13
= 25950 kg/h
W = 36750 kg/h
15
W
12
=100000kg/h
T
= 25 C
1
x
=0,02
11
f
= 2000 kg/h
11
f
= 98000 kg/h
31
alimentação
V = 11760 l
d
W = 25950 kg/h
5
5 T
= 80 C
5
EVAPORADOR
2
T
= 25 C
A= 96,6 m
 = 0 ,0833 h
3
3
e
f
= 1200 kg/h
13
20 HP
r = 0,60
7
f
= 36750 kg/h
decantador
23
W = 6696 kg/h
7
extrato
T = 150 C
bomba
7
2 T 2 = 25 C
4 T 4
EXTRATOR
x
f
= 800 kg/h
14
12
f
f
=
98000
kg/h
14
32
f
raf inado
24
6
vapor
W = 6696 kg/h
6
T = 150 C
6
= 80 C
= 0,10
= 1200 kg/h
= 10800 kg/h
produto
1. Introdução
1.1 Primeiros Conceitos
1.1.1 Processos Químicos
1.1.2 Sistemas
1.1.3 Correntes
(a) Correntes Típicas em Processos
(b) Variáveis Características de Correntes
1.1.4 Equipamentos
(a) Principais Equipamentos de Processos
(b) Variáveis Características de Equipamentos
1.1.5 Representação de Processos
(a) Fluxogramas
(b) Modelos Matemáticos
Quantidade de Matéria (mol)
As substâncias existem sob a forma de moléculas.
A quantidade de uma substância presente num recipiente ou
participando de uma reação deve ser expressa pelo número de
moléculas.
Para lidar com grandes quantidades de moléculas, utiliza-se um
“pacote” com um número de finito de moléculas, baseado no
Número de Avogadro: 6,023x1023.
No SI este “pacote” é o gmol e contem 6,023x1023 moléculas.
6,023x1023moléculas
1 gmol
No Sistema Americano de Engenharia, este “pacote” é a lbmol
e contem 454 x 6,023x1023 moléculas.
Para converter o número de mol em massa, usa-se a
massa molecular.
Exemplo: massa molecular do NaOH é 40 g/gmol = 40 lb/lbmol
NaOH
6,023x1023
moléculas
(1 gmol)(40 g)
Então: 10 gmol NaOH = 10 gmol x 40(g/gmol) = 400 g NaOH
200 g NaOH = 200 g x (1/40)(gmol/g) = 5 gmol Na OH
Então: 10 lbmol NaOH = 10 lbmol x 40(lb/lbmol) = 400 lb NaOH
200 lb NaOH = 200 lb x (1/40)(lbmol/lb) = 5 lbmol Na OH
Reações químicas são recombinações de moléculas
H2
1 molécula
1 gmol
1,5 gmol
+
1/2 O2

H2O
1/2 molécula
1 molécula
1/2 gmol
1 gmol
1 gmol
O número total de mols não é conservado numa reação química
Convertendo para massa
1 gmol x 2 g/gmol
1/2 gmol x 32 g/gmol
2g
16 g
18g
1 gmol x 18 g/gmol
18 g
18g
A massa total é conservada numa reação química
NOÇÕES SOBRE
PROCESSOS QUÍMICOS
(2)
19 de junho de 2013
2. BALANÇOS DE MASSA E DE ENERGIA SEM REAÇÃO QUÍMICA
2.1 Conceito de Balanço de Massa e de Energia
2.2 Algumas Definições Importantes
2.3 Equações Relacionadas aos Balanços de Massa
2.4 Componente Chave ou de Amarração
2.5 Escalonamento de um Processo Químico
2.6 Principais Equipamentos da Indústria Química
2.7 Balanços Envolvendo Unidades Múltiplas
2.8 Correntes Especiais em Processos
2. BALANÇOS DE MASSA E DE ENERGIA SEM REAÇÃO QUÍMICA
2.1 Conceito de Balanço de Massa e de Energia
2.2 Algumas Definições Importantes
2.3 Equações Relacionadas aos Balanços de Massa
2.4 Componente Chave ou de Amarração
2.5 Escalonamento de um Processo Químico
2.6 Principais Equipamentos da Indústria Química
2.7 Balanços Envolvendo Unidades Múltiplas
2.8 Correntes Especiais em Processos
2.1 Conceito de Balanço de Massa e de Energia
Todo equipamento tem o seu comportamento regido por dois
princípios básicos da natureza:
Conservação de Massa e Conservação de Energia.
Esses Princípios são também observados por processos
completos, que
são conjuntos de equipamentos.
Resultam da observação da natureza e não são passíveis de
dedução.
Eles são traduzidos matematicamente pelas equações de
Balanço de Massa e Balanço de Energia.
Logo
Balanço de Massa e Balanço de Energia
são equações que traduzem matematicamente os Princípios de
Conservação de Massa e Conservação de Energia.
O balanço de massa faz parte do modelo de todo equipamento e
de todo processo.
O balanço de energia é incluído apenas quando efeitos térmicos
se fazem presentes.
Outras equações podem fazer parte do modelo matemático:
- relações de equilíbrio de fase.
- expressões para a estimativa de propriedades, taxas e coeficiente
- equações de dimensionamento.
- restrições nas correntes multicomponentes.
Construção dos Balanços de Massa e de Energia
SISTEMA
Os Balanços de Massa e de Energia contabilizam a variação de
massa e de energia no interior do sistema.
A variação de massa e de energia ocorre em função de dois
mecanismos:
Fluxos e Reações Químicas.
Fluxo
Energia (condução)
Fluxo
Fluxo
SISTEMA
Massa
Massa
Reações Químicas
Energia (convecção)
Energia (convecção)
Fluxos
São responsáveis:
- pela entrada e saída de matéria e de energia através das
correntes (convecção).
- pela entrada e saída de energia através das paredes
(condução).
Reações Químicas
São responsáveis pelo aparecimento e desaparecimento de
espécies químicas com ou sem liberação ou consumo de energia.
Fluxo
Energia (condução)
Fluxo
Fluxo
SISTEMA
Massa
Massa
Reações Químicas
Energia (convecção)
Energia (convecção)
Esses dois mecanismos são contemplados nos Balanços Massa e de
Energia
Forma Geral do balanço da quantidade G (massa ou de energia):
Taxa de
Taxa de Taxa de
Taxa de
Taxa de
Acumulação = Entrada - Saída + Geração - Consumo
de G
de G
de G
de G
de G
Reações
Fluxos
(Taxa: quantidade de G por unidade de tempo)
Taxa de
Taxa de Taxa de
Taxa de
Taxa de
Acumulação = Entrada - Saída + Geração - Consumo
de G
de G
de G
de G
de G
Fluxos
Reações
Exemplo: balanço de massa para o reagente A num reator.
V
dC A
dt
= QC
Ao
QC A -
V kCA
Taxa de
Taxa de
Taxa de Taxa de Consumo
Acumulação Entrada
Saída
de A
3
gmol
/
m
3
m
(m3s-1)(gmol m-3) (m3)(s -1)(gmol m-3)
s
gmol s -1
gmol s -1
gmol s -1
2. BALANÇOS DE MASSA E DE ENERGIA SEM REAÇÃO QUÍMICA
2.1 Conceito de Balanço de Massa e de Energia
2.2 Algumas Definições Importantes
2.3 Equações Relacionadas aos Balanços de Massa
2.4 Componente Chave ou de Amarração
2.5 Escalonamento de um Processo Químico
2.6 Principais Equipamentos da Indústria Química
2.7 Balanços Envolvendo Unidades Múltiplas
2.8 Correntes Especiais em Processos
2.2 Algumas Definições Importantes
(a) Tipos de Sistemas quanto aos Fluxos
abertos, fechados e isolados.
Fluxo
Energia (condução)
Fluxo
Fluxo
SISTEMA
Massa
Massa
Reações Químicas
Energia (convecção)
Energia (convecção)
Sistema Aberto
ocorre entrada e saída de massa
e de energia por convecção.
Fluxo
Energia (condução)
SISTEMA
Reações Químicas
Sistema Fechado
não há entrada e saída de massa
nem de energia por convecção.
SISTEMA
Reações Químicas
Sistema Isolado
além de fechado, não há entrada e
saída de energia por condução.
2.2 Algumas Definições Importantes
(b) Regimes de Operação quanto aos Fluxos
contínuo, batelada e semi-batelada.
Operação em batelada
O sistema é aberto
para
Ocorre o processamento.
a retirada do produto.
aberta
fechada
fechada
O sistema é carregado e fechado.
fechada
fechada
aberta
Operação contínua
Operação semi-contínua
aberta
aberta
sistema permanece aberto
para
entrada e saída de massa.
gás
borbulhando
sistema fechado para um
componente e
aberto para outro
(borbulhamento de um gás num
líquido).
Taxa de
Acumulação =
de G
Taxa de
Taxa
de Entrada Saída
de G
de G
Fluxos
Taxa de
Taxa de
+ Geração - Consumo
de G
de G
Reações
(c ) Regimes de Operação quanto à Acumulação
Regime transiente (partidas, paradas e perturbações na operação de
equipamentos e processos, operação em batelada):
taxa de acumulação positiva ou negativa  equação diferencial:
dC A
V
 QCAo  QCA  VkC A
dt
Regime estabelecido (operação contínua):
taxa de acumulação nula  equação algébrica:
Q CAo – Q CA – V k CA = 0
Períodos de Partida, Operação Normal e de Parada de um
Processo
y é altitude de um avião
Decolagem
y
Velocidade de
Cruzeiro
transiente
estabelecido
dy/dt > 0
dy/dt = 0
t1
Aterrissagem
transiente
dy/dt < 0
t2
t
Períodos de Partida, Operação Normal e de Parada de um
Processo
y é uma variável relevante no processo em operação
y
Partida
Operação
normal
Parada
transiente
estabelecido
transiente
dy/dt > 0
dy/dt = 0
t1
dy/dt < 0
t2
t
2. BALANÇOS DE MASSA E DE ENERGIA SEM REAÇÃO QUÍMICA
2.1 Conceito de Balanço de Massa e de Energia
2.2 Algumas Definições Importantes
2.3 Equações Relacionadas aos Balanços de Massa
2.4 Componente Chave ou de Amarração
2.5 Escalonamento de um Processo Químico
2.6 Principais Equipamentos da Indústria Química
2.7 Balanços Envolvendo Unidades Múltiplas
2.8 Correntes Especiais em Processos
2. BALANÇOS DE MASSA E DE ENERGIA SEM REAÇÃO QUÍMICA
2.1 Conceito de Balanço de Massa e de Energia
2.2 Algumas Definições Importantes
2.3 Equações Relacionadas aos Balanços de Massa
2.4 Componente Chave ou de Amarração
2.5 Escalonamento de um Processo Químico
2.6 Principais Equipamentos da Indústria Química
2.7 Balanços Envolvendo Unidades Múltiplas
2.8 Correntes Especiais em Processos
2.6 PRINCIPAIS EQUIPAMENTOS DA INDÚSTRIA QUÍMICA
2.6 PRINCIPAIS EQUIPAMENTOS DA INDÚSTRIA QUÍMICA
Para os principais equipamentos da indústria química, serão
apresentados:
- descrição resumida dos princípios de funcionamento.
- formulação de balanços de massa e de energia.
- formulação e resolução de problemas.
TANQUE DE MISTURA (MISTURADOR)
Duas substâncias puras (1 e 2) são introduzidas continuamente num
tanque pelas correntes 1 e 2. A mistura que é removida continuamente
pela corrente 3.
Índices
Variáveis
i para as substâncias fij: vazão de i na corrente j.
j para as correntes
Fj: vazão total da corrente j.
1
F1
F2
2
F2

3
Tanque de Mistura
1
2
F1
3
F3
F3
f13
f23
f13
f23
Ponto de Mistura
Encontro de tubulações
1
F1
Fluxograma
F2

3
F3
f13
f23
O Modelo Matemático deve incluir:
2
- um balanço de massa para cada componente
- um balanço de massa global
- uma restrição para cada corrente
multicomponente.
Balanço de Massa
Taxa de
Taxa de
Taxa de
Entrada - Saída
Acumulação =
de G
de G
de G
Fluxos
Modelo Matemático
1. Balanço de Massa de (1): F1 - f13 = 0
2. Balanço de Massa de (2): F2 - f23 = 0
3. Balanço de Massa Global: F1 + F2 – F3 = 0
4. Restrição: f13 + f23 – F3 = 0
3 equações independentes !!!
Problemas com referência explícita às concentrações
Correntes Multicomponentes
1
F1
Fluxograma
F2

3
2
F3
f13 x13
f23 x23
Uma corrente multicomponente é
caracterizada pela sua composição,
expressa em termos de frações
mássicas ou molares.
As definições das frações devem
ser incorporadas ao modelo.
Modelo Matemático
1. Balanço de massa global: F1 + F2 - F3 = 0
2. Balanço de Massa de (1): F1 - f13 = 0
3. Balanço de Massa de (2): F2 - f23 = 0
4. Restrição: f13 + f23 - F3 = 0
5. Definição: x13 - f13/F3 = 0
6. Definição: x23 - f23/F3 = 0
5 equações independentes !!!
Formulação alternativa para os balanços por componentes
Da definição de xij = fij / Fj
fij  Fj xij
As equações podem se tornar não-lineares se Fj e xij não forem
conhecidas.
As 3 correntes são multicomponentes
Problema 5 (dimensionamento: duas variáveis de saída são metas)
O tanque é alimentado com duas misturas de água e etanol. Uma, com 80% de água e
a outra com 40% de água. Qual deve ser a vazão de cada uma de modo a que se
produzam 400 kg/h de uma mistura com 50% de água?
Fluxograma
1
F1
F2
2
x12 = 0,40
f12
f22
x11 = 0,80
f11
f21

3
F3 = 400 kg/h
x13= 0,50
f13
f23
Modelo Matemático
(fij)
1. F1 + F2 - F3 = 0
2. f11 + f12 - f13 = 0
3. f21 + f22 - f23 = 0
4. f11 + f21 – F1 = 0
5. f12 + f22 - F2 = 0
6. f13 + f23 – F3 = 0
7. x11 - f11 / F1= 0
8. x12 - f12 / F2 = 0
9. x13 - f13 / F3 = 0
Balanço de Informação
V = 12, N = 8!, E = 4, G = 0
EXTRATOR
Equipamento da família dos Separadores.
Consta de um tanque de mistura e de um tanque de decantação.
Baseia-se na diferença de solubilidade de uma substância de interesse
(soluto) em dois líquidos diferentes (original e solvente) de densidades
diferentes. O soluto é mais facilmente separado do solvente.
Procedimento
A solução com o soluto e o solvente são alimentados a um tanque de
mistura, onde se dá a transferência de massa (migração de parte do
soluto para o solvente).
Formam-se duas fases, de densidades diferentes, que são separadas num
tanque de decantação (equilíbrio líquido-líquido). A fase de interesse,
rica no solvente, é chamada de extrato. A outra fase, solução original
empobrecida pela perda do soluto, é chamada de rafinado.
F1
1
solução com
x11
soluto
x31
Fluxograma
F2 2
solvente

Admite-se que no
decantador as duas
fases líquidas se
encontram em equilíbrio
termodinâmico.
No equilíbrio, as
composições
obedecem à relação
de equilíbrio líquidolíquido.
extrato
3
x13 - k x14 = 0
k: constante de
equilíbrio
Índices:
1 - soluto
2 - solvente
3 - água
4
rafinado
F4
x14
x34
F3
x13
x23
x34 < x31
Fluxograma
1
F1
Modelo Matemático
F2
x11
solução x31
c/ soluto
2
1. F1 + F2 - F3 - F4 = 0
2. F1x11 - F3 x13 - F4 x14 = 0
3. F1 x31 - F4 x34 = 0
4. F2 - F3 x23 = 0
5. x13 - k x14 = 0
6. x11 + x31 - 1 = 0
7. x13 + x23 - 1 = 0 Equação de
8. x14 + x34 - 1 = 0 equilíbrio
solvente

Nova 
extrato
3
F3
F4
4
rafinado
k: constante de equilíbrio líquidolíquido
x14
x34
x13
x23
Os dois tanques formam um
sistema delimitado pela
envoltória vermelha tracejada.
A corrente que une os dois não
está sendo objeto de análise.
Fluxograma
F1 = 100 kg/h
1
x11 = 0,02
f11
f31
F2
2
solvente

Problema 7: Qual deve ser a vazão de benzeno
a ser utilizada para tal fim e qual a concentração
de ácido benzóico na corrente rica em benzeno
(extrato) ? Qual a vazão das correntes de extrato
e de rafinado?
(k = 4)
solução
c/ soluto
F3
f13 x13
f23
3 extrato
4
rafinado
F4
x14 = 0,01
f14
f34
Balanço de Informação
V = 13, N = 10!, E = 3, G = 0 !
Modelo Matemático (fij)
1. F1 + F2 - F3 - F4 = 0
2. f11 - f13 - f14 = 0
3. f31 - f34 = 0
4. F2 - f23 = 0
5. x13 - k x14 = 0
6. f11 + f31 - F1 = 0
7. f13 + f23 – F3 = 0
8. f14 + f34 – F4 = 0
9. x11 – f11/F1 = 0
10. x13 – f13/F3 = 0
11. x14 – f14/F4 = 0
TANQUE DE FLASH (Separador)
Uma mistura líquida sofre uma vaporização parcial instantânea,
formando-se duas fases: uma vapor e outra líquida.
A fase vapor é mais rica no componente mais volátil (mais leve).
A fase líquida é mais rica no componente menos volátil (mais pesado).
2
V
y1
y2
vapor
1
F
z1 válvula
z2
3
L
x1
x2
Admite-se que no tanque as
duas fases se encontram em
equilíbrio termodinâmico.
No equilíbrio, as composições
obedecem à relação de
equilíbrio líquido-vapor.
y1 – k1 x1 = 0
y2 – k2 x2 = 0
k1 , k2 : constantes de equilíbrio
líquido
TANQUE DE FLASH (Separador)
2
vapor
1
F válvula
z1
z2
V
y1
y2
3
L
x1
x2
líquido
Modelo Matemático
1. F - V - L = 0
2. F z1 - V y1 - L x1 = 0
3. F z2 - V y2 - L x2 = 0
4. y1 - k1 x1 = 0
5. y2 - k2 x2 = 0
6. z1 + z2 - 1 = 0
7. y1 + y2 - 1 = 0
8. x1 + x2 - 1 = 0
k1, k2: equilíbrio líquido-vapor
BALANÇO DE ENERGIA
Até então só foram apresentadas situações em que ocorrem
apenas variações de composição. Os modelos matemáticos
incluíram apenas balanços materiais.
Agora, serão apresentadas situações em que ocorrem, também,
variações de temperatura, provocando a necessidade de balanços de
energia.
ENTALPIA
Ao contrário da Massa, a quantidade de Energia de um sistema
não pode ser medida em termos absolutos.
Temos que nos contentar em poder medir a variação de energia
ocorrida quando um sistema passa de um estado para outro. Por
exemplo, ao sofrer uma variação de temperatura.
A Entalpia (H) é a função termodinâmica que expressa a
diferença de conteúdo energético de uma substância entre a
temperatura T e uma temperatura de referência To.
T
H J/gmol
To
A Entalpia pode ser calculada a partir do conhecimento da
capacidade calorífica da substância Cp [=] J/gmol K:
H = Cp (T - To) J/gmol
A capacidade calorífica é função da temperatura:
Cp = a + bT + cT2 + dT3
As constantes são tabeladas para cada substância. Para o etileno:
a = 40,75 : b = 0,1147 : c = - 6,895 x 10-5 : d = 1,766 x 10-8 : T [=] oC
A Entalpia também pode ser obtida de tabelas.
Exemplo: entalpia do etileno (To = 273 K)
T(K) H (J/gmol)
273
0
291
770
298 1.089
300 1.182
Fluxo
Energia (condução)
Fluxo
Fluxo
Massa
Energia (convecção)
SISTEMA
Reações Químicas
Massa
Energia (convecção)
Os dois mecanismos são contemplados nos Balanços Massa e de Energia
Forma Geral do balanço da quantidade G (massa ou de energia):
(Taxa: quantidade de G por unidade de tempo)
Taxa de
Acumulação =
de G
Taxa de
Taxa de
Taxa de
Taxa de
Entrada - Saída + Geração - Consumo
de G
de G
de G
de G
Fluxos
Reações
Problema
Um tanque sem qualquer isolamento térmico recebe uma
corrente constituída de água com uma vazão de 100 kg/h a 20 oC.
O tanque é dotado de uma resistência elétrica que fica imersa na
massa
líquida.
Qual deve ser a potência (kw) a ser fornecida pela resistência
para que
a água deixe o tanque a 40 oC ?
Cp = 1 kcal/kg oC (aproximação: constante).
Admitir mistura perfeita: a temperatura da corrente de saída é a mesma
do interior do tanque, que independe da posição.
O meio ambiente se encontra a 25 oC
Coeficiente global de transferência de calor: U = 100 kcal/h m2 oC
Área superficial externa do tanque: 20 m2
Tanque sem Isolamento com Aquecimento Externo
Fluxograma
Modelo Matemático
1. F1 - F2 = 0
F1 = 100 kg/h
1 T1 = 20 oC
2. F1H1 - F2H2 + Qe - QT = 0
Ta = 25 oC
3. H1 = Cp (T1 - To)
4. H2 = Cp (T2 - To)
5. QT = UA(T2 - Ta)
Qe ?

QT
To = T1
1. F1 - F2 = 0
2. - F2 Cp (T2 - T1) + Qe - UA(T2 - Ta) = 0
2
F2
T2 = 40 oC
Resposta:
Qe = 28.000 kcal/h = 32,2 kw
(2,3 kw com isolamento)
QT = 30.000 kcal/h
TROCADOR (PERMUTADOR) DE CALOR
WF, TSF
WQ, TEQ
WQ, TSQ
Corrente
Quente
Corrente
Fria
WF, TEF
O ajuste de temperatura é efetuado por Trocadores de Calor
Oferta: Q = WQCpQ (TEQ - TSQ)
Demanda: Q = WFCpF (TSF - TEF)
WF, TSF
1 = TEQ - TFS
“Approach”
Carga Térmica do Trocador
Q = Oferta = Demanda
WQ, TEQ
WQ, TSQ
Corrente
Quente
Área de Troca Térmica
Q
A
U ml
1   2
 ml 
1
ln
2
Corrente
Fria
2 = TSQ - TEF
“Approach”
WF, TEF
Q - WQCpQ (TEQ - TSQ) = 0
Q - WFCpF (TSF - TEF) = 0
Q – U A ml = 0
WF, TSF
1   2
 ml 
1
ln
2
WQ, TEQ
WQ, TSQ
Corrente
Quente
Corrente
Fria
WF, TEF
NOÇÕES SOBRE
PROCESSOS QUÍMICOS
(3)
19 de junho de 2013
3. Balanços de Massa e de Energia na Presença de Reações
Químicas
3.1 Revisão
3.2 Alguns Conceitos Utilizados em Cinética Química
3.3 Balanços de Massa
3. Balanços de Massa e de Energia na Presença de Reações
Químicas
3.1 Revisão
3.2 Alguns Conceitos Utilizados em Cinética Química
3.3 Balanços de Massa
Estequiometria
Estudo das proporções em que as substâncias reagem
Equação Química
1 A1 + 2 A2  3 A3 + 4 A4
i = coeficientes estequiométricos
reagentes: negativos
produtos: positivos
Exemplo
2 SO2 + O2  2 SO3
1= -2
2= -1
3= +2
Exemplo
2 SO2 + O2  2 SO3
Conservação de Átomos
Átomos não são criados ou eliminados numa reação química.
Logo, para que a equação esteja correta, o número de átomos de
cada elemento deve ser igual nos dois lados da equação:
2 SO2 + O2  2 SO3
2S  2S
6O  6O
Multiplicação por um mesmo Fator
Como os coeficientes estequiométricos indicam apenas a
proporção em que as moléculas reagem, a equação não é
alterada se todos forem multiplicados por um mesmo fator.
Exemplo: 4 SO2 + 2 O2  4 SO3
( x 2)
Quantidade de Matéria (mol)
As substâncias existem sob a forma de moléculas.
A quantidade de uma substância presente num recipiente ou participando de
uma reação deve ser expressa pelo número de moléculas.
Para lidar com grandes quantidades de moléculas, utiliza-se um
“pacote” com um número de finito de moléculas, baseado no Número de
Avogadro: 6,023x1023.
No SI este “pacote” é o gmol e contem 6,023x1023 moléculas.
6,023x1023moléc
ulas
1 gmol
No Sistema Americano de Engenharia, este “pacote” é a lbmol e contem 454
x 6,023x1023 moléculas.
Para converter o número de mol em massa, usa-se o massa molar.
Exemplo: massa molar do NaOH é 40 g/gmol = 40 lb/lbmol
NaOH
6,023x1023
moléculas
1 gmol  40 g
Então: 10 gmol NaOH = 10 gmol x 40(g/gmol) = 400 g NaOH
200 g NaOH = 200 g x (1/40)(gmol/g) = 5 gmol Na OH
Então: 10 lbmol NaOH = 10 lbmol x 40(lb/lbmol) = 400 lb NaOH
200 lb NaOH = 200 lb x (1/40)(lbmol/lb) = 5 lbmol Na OH
Reações químicas são recombinações de moléculas
2 SO2
2 moléculas
2 x 6,023x1023
moléculas
2 gmol
+

1 O2
1 molécula
1 x 6,023x1023
moléculas

1 gmol
3 gmol
2 SO3
2 moléculas
2 x 6,023x1023
moléculas
2 gmol
2 gmol

Número total de mols não é conservado numa reação
química
2 gmol

1 gmol
3 gmol
2 gmol
2 gmol

Número total de mols não é conservado numa reação
química
Convertendo para massa
2 gmol x 64 g/gmol
128 g
1 gmol x 32 g/gmol

32 g
160g
2 gmol x 80 g/gmol
160 g
160g

Massa total é conservada numa reação química
3. Balanços de Massa e de Energia na Presença de Reações
Químicas
3.1 Revisão
3.2 Alguns Conceitos Utilizados em Cinética Química
3.3 Balanços de Massa
Reagente Limitante e Reagentes em Excesso
A denominação só tem sentido quando os reagentes são adicionados
em quantidades não estequiométricas.
Reagente Limitante: é aquele se esgota primeiro numa reação.
Reagentes em Excesso: são os demais reagentes da reação.
Exemplo: 2 SO2 + O2  2 SO3
- se forem adicionados 150 gmol de SO2 e 75 gmol de O2, não há
reagente limitante e, por conseguinte, nem em excesso.
- se forem adicionados 150 gmol de SO2 e 100 gmol de O2, o SO2 será
o reagente limitante e haverá um excesso de 25 gmol de O2.
Percentual em Excesso de um Reagente
Há ocasiões em que é necessário que um determinado reagente esteja presente numa
quantidade superior à estequiométrica.
Por exemplo: para garantir a conversão completa do outro reagente ou para minimizar o
aparecimento de um sub-produto indesejável.
Fração em excesso = mol em excesso/mol estequiométrico
% excesso = 100 x fração em excesso
Exemplo: 2 SO2 + O2  2 SO3
Se forem adicionados 150 gmol de SO2 e 100 gmol de O2, o SO2 será o reagente
limitante e haverá um excesso de 25 gmol de O2.
Fração em excesso = 25 / 75 = 0,3333
% excesso = 100 x 0,3333 = 33,33 %
Fração Convertida
É a fração da quantidade alimentada de um reagente convertida no
produto
Fração convertida = mol reagido / mol alimentado
Em regime estabelecido: mol reagido = mol na entrada - mol na
saída Fração convertida = (mol na entrada - mol na saída) / mol na
entrada
Conversão Percentual
É a Fração Convertida expressa em percentual.
Conversão % = 100 x fração convertida
Exemplo (pg. 95): acrilonitrila a partir de amônia
1
f11 = 10kmol
f21 = 12kmol
f31 = 16,38kmol
f41 = 61,82kmol
C3H6 + NH3 + 1,5 O2  C3H3N + 3 H2O
2
3
4
5
F1 = 100
(N2)
6
F2
REATOR
x11 = 0,10
x21 = 0,12(0,10 estequiométrico)
x31 = 0,78 x 0,21 = 0,1638(0,15 estequiométrico)
x41 = 0,78 x 0,79 = 0,6162(inerte)
(a) Reagente Limitante? Em Excesso?
Limitante: C3H6
NH3: excesso de 0,12/0,10 = 1,2  20%
O2: excesso de 0,1638/0,15 = 1,092  9,2%
(b) Conversão 30%  Produção de C3H3N ?
f42 = (0,3)(0,10)F1  F1 = 100 kmol  f42 = 3 kmol
x11 =
x22 =
x32 =
x42 =
x52 =
x62 =
f12 = 7
f22 = 9
f32 =16,38-4,5= 11,88
f42 = 3
f52 = 9
f62 = 61,62
Grau de Completação
Fatores, como misturação imperfeita no tanque, impedem a
conversão completa do Regente Limite.
Grau de Completação = percentual do Reagente Limite que
reage.
Seletividade
Seletividade = mol do produto desejado / mol produto indesejado
Rendimento
Rendimento(al) = mol produto desejado / mol alimentado reagente
limitante
Rendimento(con) = mol produto desejado / mol consumidos reagente
limitante
C 2H 6  C 2H 4 + H 2
1
2
3
C2H6 + H2  2 CH4
1
3
4
F1 = 100
kmol/h
f11 = 85 kmol/h
f51 = 15 kmol/h
(inerte)
Exemplo pg.99
F2 = 140 kmol/h
REATOR
f11 = 42,42 kmol/h
f22 = 40,04 kmol/h
f32 = 37,52 kmol/h
f42 = 5,04 kmol/h
f52 = 15 kmol/h (inerte)
(a) Conversão de C2H6?
(85 - 42,42)/85  0,501  50,1%
(b) Rendimento (con)
40,04/85  0,471  47,1%
(c) Seletividade C2H4/CH4
40,04/5,04 = 7,94
3. Balanços de Massa e de Energia na Presença de Reações
Químicas
3.1 Revisão
3.2 Alguns Conceitos Utilizados em Cinética Química
3.3 Balanços de Massa
REATORES
O reator é o coração de um processo químico.
É no seu interior que os reagentes se transformam nos produtos
desejados.
Tipos mais comuns de reatores:
- Tanque de mistura
- Tubular
Nesta disciplina será abordado apenas o tanque de mistura
em regime estabelecido.
Fluxograma
1
F1
F2
2
Reação
1 A1 + 2 A2  3 A3 + 4 A4
Grau de Avanço da Reação
F2 – f23 = (2/1) (F1 – f13)
Em geral, para todo componente i:

3
Fi – fi3 = (i/1) (F1 – f13)
f13
f23
f33
f43
F3
(F1 – f13)/ 1 = (Fi – fi3)/ i =
....
=
 = grau de avanço da reação.
(independe do componente )
Fluxograma
1
F1
F2
2
Reação
1 A1 + 2 A2  3 A3 + 4 A4
Modelo Matemático

3
f13
f23
f33
f43
F3
1. F1 - f13 + 1  = 0
2. F2 - f23 + 2  = 0
3. - f33 + 3  = 0
4. - f43 + 4  = 0
5. F3 - (f13+f23+f33+f43) = 0
6.  - (F1 - f13)/F1 = 0
7. F2 – (1 + e) (2/1) F1
 = grau de avanço da reação
e = fração em excesso
 = fração convertida
Processos com Reciclo
Problema
Desidrogenação do Propano C3H8  C3H6 + H2
(1)
(2)
(3)
Uma corrente com 100 kmol/h de propano sofre um processo de
desidrogenação formando propeno. O efluente do reator segue para um
separador do qual saem duas correntes.
Uma, que é o produto do processo, contem os três participantes da
reação. A outra, contendo propano e propeno, é reciclada e misturada à
corrente de alimentação do propano.
Informações relevantes:
- 0,5% do propano não reagido se perde na corrente de produto.
- a corrente de produto contem 95% do propeno formado no reator.
- a conversão global do processo é 95%.
Calcular a produção de propeno, a composição da corrente de produto
e a conversão por passo no reator
Fluxograma
f14
f24
F1 = 100 kmol/h
C3H8  C3H6 + H2
(1)
(2)
(3)
recicl
o
Reator
Separado
f12
f13
f15
r
f22
f23
f25
Modelo Matemático
f33
f35
Reator
1. f12 – f13 -  = 0
Adicionais
- 0,5% do propano não reagido se
2. f22 - f23 +  = 0
9. g = (F1 – f15)/F1
perde na corrente de produto.
3.
- f33 +  = 0
10. p = (f12 – f13)/f12 - a corrente de produto contem 95% do
Separador
11. f15 = 0,005 f13
propeno formado no reator.
4. f13 – f14 - f15 = 0
12. f25 = 0,95 f23
- a conversão global do processo é
5. f23 – f24 – f25 = 0
95%.
6. f33 – f35 = 0
p: conversão por passo
Misturador
g: conversão global
7. 100 + f14 - f12 = 0
8. f24 – f22 = 0
Balanço de Informação: V = 14 : N = 12 : E = 2 : G = 0 !
Tanque Isolado com Reação
A+BC
(1) (2) (3)
Fluxograma
F1 = 100 kg/h
T1 = 20 oC
F2
T2 = 30 oC
1
2
Modelo Matemático
1. F1 -  = 0
2. F2 -  = 0
3. – f33 +  = 0
4. F1H1 + F2H2 –f33H3 +   = 0
: calor de reação (kcal/kmol)

3
f13
f23
T3
5. H1 = Cp (T1 - To)
6. H2 = Cp (T2 - To)
7. H3 = Cp (T3 - To)
To = T1