Balanços Materais com reação- Apostilas - Engenharia, Notas de estudo de Engenharia Química. Universidade Estadual do Norte Fluminense (UENF)
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GloboTV7 de Março de 2013

Balanços Materais com reação- Apostilas - Engenharia, Notas de estudo de Engenharia Química. Universidade Estadual do Norte Fluminense (UENF)

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Apostilas de Engenharia Química e de Alimentos sobre o estudo dos Balanços Materais que envolvem reações químicas.
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UFSC – Universidade Federal de Santa Catarina Depto. de Eng. Química e de Eng. de Alimentos EQA 5318 – Introdução aos Processos Químicos

BALANÇOS MATERIAIS QUE ENVOLVEM REAÇÕES QUÍMICAS

Nesta seção, vamos analisar e resolver balanços materiais em processos com

reação química. Em muitos processos o coração é o reator, unidade na qual são gerados os produtos e/ou subprodutos. Para que o projeto e a operação desta unidade possa ser executado de forma econômica e segura é necessário estabelecer balanços materiais válidos para o reator (e equipamentos associados), muitas vezes em tempo real. Os processos de combustão são típicos para considerar balanços materiais com reação química. Nestes processos ocorre um conjunto de reações químicas de uma ou mais substâncias com o oxigênio, acarretando liberação de energia e geração de produtos gasosos como H2O, CO2, CO e SO2. Exemplos típicos são as queimas de carvão e óleo para aquecimento, de gás natural para geração de eletricidade e de álcool, gasolina, óleo diesel em motores para produção de potência mecânica.

Para esta situação é necessário entender que os termos de geração e consumo farão parte dos balanços molares por espécie ou por componente. Entretanto, um conceito válido é que o balanço nos elementos não requerem o uso dos termos de geração e consumo.

A equação (1) apresentada abaixo, foi até agora aplicada ao balanço de massa total e aos balanços de massa por componente, onde os termos de geração e consumo foram considerados iguais a zero.

{entra} – {sai} + {geração} – {consumo} = {acúmulo} (1) Na maioria dos casos é mais conveniente fazer os balanços em moles para

espécies ou componente em vez de balanços por elementos. Para esta situação os termos de geração e consumo devem ser considerados. Um exemplo de um processo de combustão no estado estacionário ilustra esta situação. A reação estequiométrica de combustão de carbono é representada pela equação: 1 C + 1 O2 1 CO2 Considerando a combustão completa temos que o número total de moles que entram é igual a 2 e o numero de moles que sai é igual a 1 e o número de moles de O2 que entram é 1 enquanto que na saída não há O2. Desta forma o balanço material molar de O2 pode ser escrito como:

{entra} – {sai} + {geração} – {consumo} = { acúmulo } O2 1 0 0 1 0 De forma análoga para o CO2 podemos escrever:

{entra} – {sai} + {geração} – {consumo} = { acúmulo } CO2 0 1 1 0 0

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Os balanços molares para os elementos C e O podem ser também estabelecidos.

{entra} – {sai} + {geração} – {consumo} = { acúmulo } C 1 0 0 1 0 O 2 0 0 2 0

Como as quantidades de elementos são conservadas podemos usar a equação (1) para traduzir esta conservação de elementos. Desta forma, é possível evitar os termos de geração e consumo se o balanço for realizado considerando os elementos.

{entra} – {sai} + {geração} – {consumo} = { acúmulo } C 12 12 0 0 0 O 32 32 0 0 0

Em muitas situações os moles não estão balanceados e um dos materiais encontra-se então em excesso. Nesta situação as proposições que utilizam balanços molares por espécies ou elementos ou balanços com as quantidades de elementos podem ser igualmente considerados. O uso do balanço molar de espécies é mais conveniente, pois o conjunto de equações geradas são sempre independentes. Para utilizar o balanço molar por elementos é necessário inicialmente certificar-se que os balanços de elementos são independentes.

Alguns dos problemas analisados referem-se a combustão e os termos usuais são definidos a seguir : 1 - Gás de chaminé: Todos os gases resultantes da combustão, denominado como base úmida (inclui o vapor da água) 2 - Análise de Orsat ou base seca: Todos os gases da combustão exceto o vapor da água. 3 - Ar teórico (ou oxigênio teórico): Quantidade de ar (de oxigênio) necessária para combustão completa. 4 - Ar em excesso (ou oxigênio em excesso): Quantidade em excesso áquela requerida para combustão completa. Pode ser determinada pela equação a seguir. % ar em excesso = 100 * ar em excesso = 100 * O2 em excesso/0,21 ar teórico O2 teórico/0,21 Observe que a relação 1/0,21 pode ser cancelada e a percentagem de ar em excesso pode também ser calculada como: % ar em excesso = 100 * O2 em excesso = 100 * O2 que entra - O2 teórico O2 entra - O2 excesso O2 teórico Se a percentagem de ar em excesso e a equação química forem especificadas podemos saber a quantidade de ar que entra junto com o combustível.

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Exemplo (himmelblau). Estão sendo pesquisados combustíveis alternativos para veículos, porque geram menos poluentes que a gasolina. O propano foi sugerido como uma alternativa. Suponha que, num teste, sejam queimados 20 kg de C3H8 com 400 kg de ar, produzido 44 kg de CO2 e 12 kg de CO. Determine a percentagem de ar em excesso. Solução: O problema envolve a seguinte reação C3H8 + 5 O2 3 CO2 + 4 H2O Base de cálculo 20 kg de propano. Como a percentagem de ar em excesso baseia-se na completa combustão do propano formando água e CO2, o fato da combustão não ser completa não tem influência na definição de “ar em excesso” Determina-se a quantidade de O2 requerido. 20 kg C3H8 1 kg mol C3H8 5 kg mol O2 44,09 kg C3H8 1 kg mol C3H8

=2,27kg mol O2

Determina-se o O2 que entra. 400 kg Ar 1 kg mol de Ar 21 kg mol O2 29 kg Ar 100 kg mol C3H8

=2,90kg mol O2

A percentagem de ar em excesso é: 100 x O2 em excesso = 100 x O2 entra – O2 teórico O2 teórico O2 teórico % de ar em excesso = 100 * (2,90 - 2,27) = 28 % 2,27 Sugestão: Considerando os dados fornecidos no problema determine se os mesmos são consistentes. Um gás combustível contém em mol % : 3,1% H2, 27,2 % CO, 5,6 CO2, 0,5% O2 e 63,6% N2 é queimado com 20% de excesso em ar. A combustão de CO é de 98%. Considerando uma alimentação de 100 kg mol de gás na alimentação determine a quantidade em moles de cada componente na saída. Diagrama de fluxo do processo

As reações que ocorrem são mostradas a seguir:

fornalha Ar

100 kg mol gás 3,1% H2 27,2 % CO 5,6 CO2 0,5% O2 63,6% N2 Total 100%

Gás de combustão H2O CO CO2 O2 N2

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CO + ½ O2 CO2 (1) H2 + ½ O2 H2O (2) Número de moles de O2 na alimentação para combustão completa. Usando as relações estequiométricas temos: Para reação 1. ½ * 27,2 = 13,6 kg mol O2 Para reaçao 2. ½ * 3,1 = 1,55 kg mol O2 Quantidade de oxigênio necessária teoricamente = 13,6 + 1,55 – 0,5 (na alim.) = 14,65 kg mol O2 Considerando o excesso de 20% temos: Quant. O2 = 1,2 * 14,65 = 17,58 kg mol O2 Considerando o percentual molar do ar temos que são adicionados: 17,58 kg mol O2 100 kg mol Ar 83,71 kg mol de Ar 21 kg mol O2 Consequentemente são alimentados 66,13 (83,71- 17,58) kg mol de N2 Balanço do O2 Considerando a combustão incompleta do CO temos que 2% do O2 alimentado para ser consumido na reação saem sem serem utilizados (13,6 * 0,98) = 13,33 Entra – sai.... O2 que sai = (17,58 + 0,5) – (13,33 + 1,55) = 3,2 kg mol O2 Para os outros constituintes temos: - O N2 que entra é o mesmo que sai, daí temos 66,13 kg mol de N2 no ar e 63,60 kg mol na saída. N2 = 129,73 kg mol de N2 O gás na saída ainda contém: 3,10 kg mol de H2O; 0,54 kg mol de CO; 32,26kg mol de CO2 Bibliografia consultada Geankoplis, C. J. Transport Processes and Unit Operations. Third Edition, 1993. Himmelblau, D. M. Engenharia química – Princípios e cálculos. Sexta edição, 1998.

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