[Parte III] Balanco Material Com Reacao

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PROCESSOS QUÍMICOSPROCESSOS QUÍMICOS

Parte III Parte III -- Balanço MaterialBalanço Materialem Sistemasem Sistemas com Reaçãocom Reação

Rev. 2007.1Rev. 2007.1

em Sistemas em Sistemas com Reaçãocom Reação

Paulo Roberto Britto Guimarães,Paulo Roberto Britto Guimarães,e Regina Ferreira Viannae Regina Ferreira Vianna

Processos Processos QuímicosQuímicos

Balanço Material Balanço Material com Reaçãocom ReaçãoConceitos FundamentaisConceitos Fundamentais

Estequiometria

–A equação estequiométrica:•• Impõe restrições com relação às quantidades de Impõe restrições com relação às quantidades de

reagentes e produtos nas correntes de entrada ereagentes e produtos nas correntes de entrada ede saída;de saída;

•• Define o número relativo de Define o número relativo de moléculas ou molesmoléculas ou moles de de reagentes e produtos que participam da reação:reagentes e produtos que participam da reação:

SO2OSO2 →+

PRBG 2007.1PRBG 2007.1

–Balanceamento da equação:O número de átomos de cada espécie atômica deve ser o mesmo em ambos os lados da equação.

322 SO2OSO2 →+

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Estequiometria

–Proporção estequiométrica

•• Quando a razão Quando a razão molarmolar de alimentação dede alimentação de2 reagentes A e B é igual à razão estequiométrica;2 reagentes A e B é igual à razão estequiométrica;

•• Se os reagentes são alimentados na proporção Se os reagentes são alimentados na proporção estequiométrica e a reação se completa, todos os estequiométrica e a reação se completa, todos os reagentes são consumidos.reagentes são consumidos.

Reagente limite

PRBG 2007.1PRBG 2007.1

–Reagente limite

•• Aquele presente numa proporção menor do que a Aquele presente numa proporção menor do que a estequiométrica com relação a todos os outros estequiométrica com relação a todos os outros reagentes => desaparece primeiro quando areagentes => desaparece primeiro quando areação reação se completase completa.



Estequiometria–Reagente em excesso

•• Todos os outros que Todos os outros que não são o reagente limitenão são o reagente limite::

–Conversão da reação

100n

nnEXCESSO%

tricoestequiomé

tricoestequioméentadolima ×−

=

PRBG 2007.1PRBG 2007.1

ç•• Definida em relação ao Definida em relação ao reagente limitereagente limite::

100nn

%fentadolima

reagido ×=

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Estequiometria–Avanço (extensão) da reação

nn −

•• nni i == número de moles ou vazão de reagente ou número de moles ou vazão de reagente ou produto na saída do reator;produto na saída do reator;

•• nnio io == número de moles ou vazão de reagente ou número de moles ou vazão de reagente ou produto na entrada do reator;produto na entrada do reator;

i

ioi nnβ

=ξ

PRBG 2007.1PRBG 2007.1

•• ββi i == Coeficiente estequiométrico Coeficiente estequiométrico ((ννii) se a espécie for produto;) se a espécie for produto;

== Negativo do coeficienteNegativo do coeficienteestequiométrico (estequiométrico (--ννii) se for reagente;) se for reagente;

== 0 (zero) se a espécie for inerte.0 (zero) se a espécie for inerte.



Estequiometria

–Seletividade e Produtividade

•• Termos usados para descrever o grau de Termos usados para descrever o grau de predominância de uma reação sobre outras reações predominância de uma reação sobre outras reações simultâneas (paralelas ou em série).simultâneas (paralelas ou em série).

–Seletividade

•• Razão entre o número de moles de um certo produto Razão entre o número de moles de um certo produto (desejado) e o número de moles de outro produto (desejado) e o número de moles de outro produto

PRBG 2007.1PRBG 2007.1

(desejado) e o número de moles de outro produto (desejado) e o número de moles de outro produto (indesejado).(indesejado).

)indesejado(n)desejado(nS

B

AB/A =

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Estequiometria–Produtividade

•• Pode ser definido de três formas:Pode ser definido de três formas:1) Razão entre o número final de

moles de um produto (P) e onúmero inicial de moles de um reagente (R):

)inicial(R

)final(PP n

nodPr =

PRBG 2007.1PRBG 2007.1

2) Razão entre o número final demoles de um produto (P) e onúmero de moles consumidos deum reagente (R):

)consumido(R

)final(PP n

nodPr =



Estequiometria

–Produtividade•• Pode ser definido de três formas:Pode ser definido de três formas:

3) Razão entre o número final demoles de um produto (P) e onúmero de moles deste produtoque teriam sido formados se:a) não houvesse reações

simultâneas (paralelas ou série) e

PRBG 2007.1PRBG 2007.1

b) se o reagente limite fossetotalmente consumido:

)máximo(P

)final(PP n

nodPr =

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Balanço Material Balanço Material com Reaçãocom ReaçãoTipos de balançoTipos de balanço

Molecular–Só balanço global em massa pode ser escrito como:

t d ídentradas = saídas;–Balanços das substâncias envolvem geração e/ou consumo.

Espécies atômicas–Podem sempre ser escritos como entradas = saídas, pois átomos não podem ser criados ou destruídos

PRBG 2007.1PRBG 2007.1

p pem uma reação química.

Cuidado: Hidrogênio

–Balanço molecular: H2;

–Balanço atômico: H.


Balanço Material Balanço Material com Reaçãocom ReaçãoSistemas independentesSistemas independentes

Equações, espécies e reações independentes

–Equações não são independentes se uma delas Equações não são independentes se uma delas

puder ser obtida por combinações de outras;

–Espécies não são independentes se estiverem na

mesma proporção em todos os pontos do processo;

–Reações não são independentes se a equação

PRBG 2007.1PRBG 2007.1

estequiométrica de uma delas puder ser obtida por

combinações de outras.

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Balanço Material Balanço Material com Reaçãocom ReaçãoAnálise de graus de liberdadeAnálise de graus de liberdade

Balanço molecularNNoo. de incógnitas. de incógnitas

+N+Noo d õ i d d t d õ i d d t+N+Noo. de reações independentes. de reações independentes-- NNoo. de balanços moleculares independentes. de balanços moleculares independentes-- NNoo. de outras equações independentes. de outras equações independentes

envolvendo as incógnitas._______________envolvendo as incógnitas._______________=N=Noo. de graus de liberdade. de graus de liberdade

Balanço atômico

PRBG 2007.1PRBG 2007.1

NNoo. de incógnitas. de incógnitas-- NNoo. de balanços atômicos independentes. de balanços atômicos independentes-- NNoo. de balanços moleculares de inertes. de balanços moleculares de inertes-- NNoo. de outras equações independentes. de outras equações independentes

envolvendo as incógnitas._______________envolvendo as incógnitas._______________=N=Noo. de graus de liberdade. de graus de liberdade


Balanço Material Balanço Material com Reaçãocom ReaçãoProcedimentos de cálculoProcedimentos de cálculo

Sugestões de procedimentos pararesolução de problemas:

–Balanços atômicos são, em geral, mais diretos, especialmente no caso de reações múltiplas;

–Extensões de reação são úteis nos casos de equilíbrio químico ou em modelos computacionais;

–Balanços moleculares são mais complexos que os

PRBG 2007.1PRBG 2007.1

demais e devem ser usados somente em sistemas simples envolvendo apenas uma reação.

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Balanço Material Balanço Material com Reaçãocom ReaçãoReciclo e Purga Reciclo e Purga

Importante distinguir:–Carga fresca–Reciclo–Alimentação do processo = reciclo + carga fresca–Produto bruto–Produto líquido

PRBG 2007.1PRBG 2007.1


Balanço Material Balanço Material com Reaçãocom ReaçãoReciclo e PurgaReciclo e Purga

Atenção–Processos com reciclo são resolvidos da mesma

i i t i lmaneira que sistemas sem reciclo–Não ocorre acúmulo nem perda de material no processo com reciclo em estado-estacionário

PRBG 2007.1PRBG 2007.1

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Balanço Material Balanço Material com Reaçãocom ReaçãoReciclo e Purga Reciclo e Purga

Envoltórias de balanços com reciclo–Global: NãoNão envolve a corrente de recicloenvolve a corrente de reciclo–Ponto de mistura do reciclo com a carga fresca–Processo: NãoNão envolve a corrente de recicloenvolve a corrente de reciclo–Ponto de separação do reciclo e do produto líquidodo processo

PRBG 2007.1PRBG 2007.1


Balanço Material Balanço Material com Reaçãocom ReaçãoReciclo e PurgaReciclo e Purga

Conversão global–Fração convertida do reagente presente na

f (CF) f (CF)carga fresca (CF)carga fresca (CF)

Conversão por passe

F ã tid d t t

CF

processosaídaCF

reagentereagentereagente

globalConversão−

=

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–Fração convertida do reagente presente nacarga combinada (CC)carga combinada (CC)

CC

reatorsaídaCC

reagentereagentereagente

passe/Conversão−

=

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Balanço Material Balanço Material com Reaçãocom ReaçãoCombustãoCombustão

Reação de um combustível com o O2

Combustão parcial - forma CO e CO2p 2

Combustão total - forma apenas CO2

Gás de chaminé ou de combustão–Todos os gases resultantes da queima,incluindo H2O(vapor)

–Composição:

PRBG 2007.1PRBG 2007.1

p ç•• Base úmida Base úmida -- incluiinclui HH22OO•• Base seca (Análise d’Orsat) Base seca (Análise d’Orsat) -- excluiexclui HH22OO

Análise d’Orsat - refere-se a um equipamento que mede os volumes dos gases em equilíbrio com a H2O, que é assim eliminada como componente da mistura.



Definições importantes

–ar teórico (ou estequiométrico)

•• Quantidade de ar necessária para a Quantidade de ar necessária para a combustão combustão completacompleta

–O2 teórico (ou estequiométrico)

•• Quantidade de OQuantidade de O22 necessária para a necessária para a combustão combustão completacompleta

PRBG 2007.1PRBG 2007.1

–ar em excesso

•• Quantidade de ar Quantidade de ar em excessoem excesso em relação ao ar teóricoem relação ao ar teórico

–O2 em excesso

•• Quantidade de OQuantidade de O22 em excessoem excesso em relação ao Oem relação ao O22 teóricoteórico

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Cálculo do excesso de ar ou O2

100arar

arEXCESSO% teóricoentadolima −

ImportanteImportante

100ar

arEXCESSO%teórico

teóricoentadolima ×=

100O

OOOEXCESSO%

)teórico(2

)teórico(2)entadolima(22 ×

−=

PRBG 2007.1PRBG 2007.1

–O excesso de ar ou O2 não depende da quantidade não depende da quantidade queimada, mas daquela que pode ser queimada;queimada, mas daquela que pode ser queimada;

–Se o combustível contiver O2, o excesso de ar ou O2será baseado na demanda líquida de O2 que é igual ao O2 (teórico) menos o O2 (presente no combustível).

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