quimica aula 4

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Processos 
Químicos de 
Fabricação
Programação:
- Fundamentos de balanço de massa (equação 
geral do balanço) 
- Cálculos simples de balanço de massa
- Análise de Graus de Liberdade
- Procedimento Geral para Cálculos de
Balanços de Massa em Processos de
Unidade Única (resumo)
- Balanços em Processos Químicos Reais
Da aula anterior....
Exemplo: Fluxograma de um Processo de Umidificação e Oxigenação de Ar
Um experimento sobre a taxa de crescimento de certos microorganismos (por exemplo,
leveduras, bactérias ou vírus) requer um ambiente de ar úmido rico em oxigênio. Três
correntes de entrada alimentam uma câmara de evaporação para produzir uma corrente
de saída com a composição desejada.
A: Água líquida, alimentada na vazão de 20,0 cm3/min.
B: Ar (21% molar O2 e o resto N2).
C: Oxigênio puro, com uma vazão molar de 1/5 da corrente B.
O gás de saída é analisado e contém 1,5% molar de água. Desenhe e rotule o
fluxograma do processo e calcule todas as variáveis desconhecidas das correntes.
Tentem esboçar 
o fluxograma!
As frações molares dos componentes em cada 
corrente devem somar 1. Já que a fração molar 
de H2O na corrente de saída é conhecida 
(0,015) e a fração molar do O2 foi rotulada 
como y, então a de N2 deve ser 1 – (y + 0,015) 
= (0,985 – y)(mol N2/mol).
As três incógnitas restantes (n·1, n·3 e y) podem ser determinadas a partir dos balanços, todos os quais têm a 
forma simplificada entrada = saída para este processo não reativo em estado estacionário. Os balanços são 
facilmente escritos com ajuda do diagrama.
Tentem fazer o balanço de 
água para obterem n3!
Balanço de água:
Balanço de Mols Totais
Balanço de nitrogênio:
Escalonamento de um Diagrama de Fluxo e Base de Cálculo
O processo descrito por este fluxograma é denominado balanceado, pois os 
balanços de massa dos dois componentes — C6H6 e C7H8 — são satisfeitos.
Veja que agora que as massas (mas não as frações molares) de todas 
as correntes podem ser multiplicadas por um fator comum e o processo 
continuará balanceado
O procedimento de mudar os valores de 
todas as quantidades ou vazões 
mássicas das correntes por uma 
quantidade proporcional, deixando as 
composições das correntes inalteradas, 
é chamado de escalonamento do 
diagrama — ampliação de escala se as 
quantidades finais das correntes são 
maiores que as originais, redução de 
escala se são menores.
Exemplo: Balanceando um Processo
Um certo remédio para dor é feito combinando-se sódio naproxen (A) e pseudoefedrina
(B) em uma razão mássica de 220 mg A/120 mg B. O processo mostrado abaixo é usado
para produzir 100 kg/dia da mistura requerida. Determine as correntes de entrada e
saída e a composição.
Balanço de Massa Total:
Balanço do componente A:
Exercício: Balanços em uma Unidade de Mistura
Uma solução aquosa de hidróxido de sódio contém 20,0% em massa de NaOH. Deseja-se 
produzir uma solução 8,0% de NaOH diluindo uma corrente da solução de alimentação com 
uma corrente de água pura. Calcule as razões (litros H2O/kg solução de alimentação) e (kg 
solução produto/kg solução de alimentação).
As quantidades desejadas são V1/100(litros H2O/kg
solução de alimentação) e m2/100 (kg solução
produto/kg solução de alimentação). Nossa tarefa,
portanto, é calcular as variáveis V1 e m2.
Todos os balanços para este sistema têm a forma entrada = saída.
Balanço de NaOH (entrada = saída).
Balanço de massa total (entrada = saída)
As razões pedidas no enunciado do problema.
Análise de Graus de Liberdade
Todo mundo que já fez cálculos de balanços de massa tem sofrido a frustrante experiência de
gastar muito tempo deduzindo e resolvendo equações para variáveis desconhecidas do
processo, apenas para descobrir que não há suficiente informação para resolver o problema.
Um fluxograma devidamente desenhado e rotulado pode ser usado para determinar, antes
de qualquer cálculo, se um problema dado pode ou não ser resolvido com a informação
conhecida. O procedimento para fazer isto é conhecido como análise de graus de liberdade.
O resultado é o número de graus de liberdade do processo, ngl (= nincógnitas – neqs indep). Existem 
três possibilidades:
Se ngl = 0, existem n equações independentes em n incógnitas e o problema pode, em
princípio, ser resolvido.
Se ngl > 0, existem mais incógnitas do que equações independentes e, no mínimo, ngl valores
de variáveis adicionais devem ser especificados antes que as restantes possam ser
determinadas.
Se ngl < 0, existem mais equações do que variáveis. Pode ser que o diagrama esteja mal 
rotulado ou que o problema esteja superespecificado com relações redundantes e 
possivelmente inconsistentes.
Procedimento Geral para Cálculos de Balanços de Massa em Processos de Unidade 
Única (resumo)
1. Escolha como base de cálculo uma quantidade ou vazão de uma das correntes do 
processo.
2. Desenhe o fluxograma e rotule todas as variáveis conhecidas, incluindo a base de 
cálculo. Rotule depois as variáveis desconhecidas.
3. Portanto, as quantidades rotuladas para cada corrente do processo devem ser ou
3. Expresse o que o enunciado pede para calcular em termos das variáveis rotuladas.
4. Se você tem unidades misturadas de massa e mols para determinada corrente (como
uma vazão mássica total de corrente e as frações molares dos componentes ou vice-
versa), converta todas as quantidades para uma única base
5.Faça a análise dos graus de liberdade.
Em Livros, Balanços Normalmente Fecham; Em Processos Químicos Reais, Nem Tanto
Sistemas reais raramente funcionam tão limpos: na verdade, se um balanço vem a fechar
exatamente é somente por conta da coincidência de um cancelamento de erros. Na prática,
ao menos que a espécie seja excepcionalmente valiosa ou excepcionalmente perigosa, um
balanço que chega perto de fechar é normalmente bom o suficiente.
Exemplo: Considere o seguinte sistema trivial no qual correntes contínuas de etanol líquido e
água líquida são misturados, e você foi escalado para calcular a vazão mássica da mistura.
Tentem resolver assumindo que a 
densidade do etanol é de 0, 789 Kg / L. 
Agora suponha que um técnico entre e informe o engenheiro de processo (que seria você) 
que a vazão volumétrica na saída foi medida e convertida para uma vazão mássica de 
144 kg/s. Não há mais nada para calcular, e seu trabalho agora é explicar porque o 
balanço de massa para o sistema não está fechando (148 kg/s entrando ≠ 144 kg/s 
saindo).
O que fazer????
Realizar mais medidas e utilizar a estatística para calcular o desvio padrão e se a 
diferença obtida é de fato significativa 
Se a diferença é significativa, você ainda tem a necessidade de explicar a discrepância. 
Quais seriam as possíveis explicações?
BALANÇOS EM PROCESSOS DE MÚLTIPLAS UNIDADES
Os processos químicos industriais raramente envolvem apenas uma única unidade. Com
frequência aparecem um ou mais reatores químicos, mais unidades para mistura de
reagentes, para aquecimento ou resfriamento de correntes, para separação dos produtos
um do outro e dos reagentes não consumidos, e para remoção de poluentes
potencialmente perigosos das correntes antes da descarga no meio ambiente.
A Figura abaixo mostra um fluxograma para um processo de duas unidades. Cinco limites
desenhados em torno das seções deste processo definem diferentes sistemas nos quais
podem ser escritos balanços materiais.
EXEMPLO: UM PROCESSO DE DUAS UNIDADES
Na figura a seguir aparece um fluxograma rotulado de um processo contínuo no estado
estacionário contendo duas unidades. Cada corrente contém dois componentes, A e B, em
diferentes proporções. Três correntes cujas vazões e/ou composições não são conhecidas
são rotuladas 1, 2 e 3.
Calcule as vazões e composições desconhecidas das correntes 1, 2 e 3.
Desenhem os limites em torno 
das seções em que podemos 
escrever balanços de massa
Base — Vazões Dadas
Os sistemas nos quais os balanços podem ser escritos aparecem na representaçãoa seguir.
Análise dos Graus de Liberdade
Balanço de Massa Global:
ngl (= nincógnitas – neqs indep)
Balanço Global em A: (Verifique se cada 
termo aditivo tem as unidades kg A/h.)
Balanço de Massa na Unidade 1: (Cada termo tem as unidades kg/h.)
Balanço de A na Unidade 1: (Cada termo aditivo tem as unidades kg A/h.)
Balanço de Massa no Ponto de Junção: (Cada 
termo tem as unidades kg/h.)
Balanço de A no Ponto de Junção: (Cada 
termo aditivo tem as unidades kg A/h.)
Calculem agora a razão 
mássica de A
RECICLO E DESVIO
- É raro que uma reação química A → B seja completada em um reator. Não importa quão
pouco A está presente na alimentação ou quanto tempo a mistura permaneça no reator,
alguma quantidade de A é normalmente encontrada no produto.
- Suponha, no entanto, que você pode achar uma maneira de separar a maior parte ou todo
o reagente não consumido da corrente dos produtos.
- Você poderia então vender o produto relativamente puro e reciclar os reagentes não
consumidos de volta para o reator.
- Um fluxograma rotulado de um processo químico envolvendo reação, separação dos
produtos e reciclo aparece na próxima figura. Note a distinção entre a alimentação
fresca do processo e a alimentação do reator, que é a soma da alimentação fresca e da
corrente de reciclo.
Referência
• FELDER, R. M.; ROSSEAU, R. W.; BULLARD, L. G. Princípios elementares dos 
processos químicos. 4.ed. Rio de Janeiro: LTC, 2018. 
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