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Aula da Disciplina Processos de Produção Quimcos, da Faculdade Area1 - Grupo DeVry - Tema: Balanço de Energia em Processos Quimicos
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Processo de
Produção
Química
1º. Sem./2011
Engenharias
2
Nesta Aula Veremos ...
Balanço de Energia
1. Introdução
2. Formas de Energia
3. Balanço Macroscópico de Energia
4. Equação Geral do B.E.
5. B.E. para Sistemas Fechados Estacionários
6. B.E. para Sistemas Fechados Não-estacionários
7. B.E. para sistemas Abertos Estacionários
• Exercícios de aplicação
Balanço de Energia
Introdução
O que é
Energia ?
http://www.hiperescopio.com.br/imagens/ciente
c/energia/base.swf
Origem da palavra ENERGIA
Balanço de Energia
Introdução
enérgeia EnergiaCapacidade de gerar W ou Q
Produção de movimento contra uma resistência
Balanço de Energia
De onde vem a energia ?
Energia é cara. Ainda não aprendemos a usar eficientemente o infinito
fornecimento de energia grátis proveniente do Sol, dos ventos e das marés; a
geração de energia nuclear é possível, mas os despejos radioativos são
perigosos, e não existem suficientes quedas de águas represas para gerar
em hidroelétricas. Isto nos deixa com a queima de combustíveis ...
Energia é habilidade
para realização de
certo trabalho.
1 J
Energia envolvida
para erguer, de 1 m,
um corpo de
aproximadamente
100 grama.
1 cal
Quantidade de calor
que aquece 1 grama de
água de 1oC.
Balanço de Energia
Como é medida a energia ?
Transformação
Mecânica
Aquecimento
Forma pela qual a energia é transferida
Trabalho = Fx · x
Calor
Unidade Medida
Joule (J)
Caloria (cal)
Balanço de Energia
Sistema de Unidades
sistema Comp tempo massa Força Temp. Energia
S.I. m seg kg Newton K, oC Joule
S.A. pé (ft) seg, h lbm lbf R, oF BTU
S.Ing. pé (ft) seg slug lb-peso R, oF BTU (*)
(*) BTU – British Thermal Unit hp.h – ex.: ar condicionado
Balanço de Energia
Unidade Energia e Potência
Unidade - Potencia Símbolo Equivalência
watt W = 1 J/s
Quilo watt kW = 1.000 W
horse power hp = 745,7 W
cavalo vapor cv = 735,5 W
cavalo vapor cv = 0,9863 hp
Unidade - Energia Símbolo Equivalência
Joule J = 1 N.m
Caloria (termoquímica) c = 4,180 J
Caloria alimentar C = 4.180 J
British Thermal Unit BTU = 1055,06 J
Quilo-watt-hora kWh = 3,6 MJ
Horse Power - hora hph = 2,6845 x 106 J
Balanço de Energia
Matriz Energética
Balanço de Energia
Matriz Energética
11
Balanço de Energia
Usina Termelétrica
12
Uma usina termelétrica
operando em ciclo combinado:
gera energia elétrica, através
de um processo que combina a
operação de uma turbina à gás
(movida pela queima de gás
natural) ou óleo diesel,
diretamente acoplada a um
gerador.
Os gases de escape da turbina
à gás, devido à temperatura,
promovem a transformação da
água em vapor para o
acionamento de uma turbina a
vapor, nas mesmas condições
de operação de uma
termelétrica convencional. 13
Balanço de Energia
Usina Termelétrica
14
Balanço de EnergiaGases que agravam o
Efeito Estufa: CO2, CO,
NOx e HCs
Formação do Smog
fotoquímico e aumento do
ozônio atmosférico:
• NOx + HCs + O2 + (UV)
.. O3 (perigoso)
Chuva ácida
• SO2 + H2O
2 H+ + SO42-
• NO2 + H2O
H+ + NO3-
• Os íons H+
aumentam a
acidez das
chuvas
Balanço de Energia
Poder Calorífico
O Poder Calorífico é a quantidade de calor
produzida na combustão de uma
unidade de massa ou volume de
combustível
Combustível PC superior
(Kcal/kg)
Hidrogênio – H2 34.000
GLP 12.000
Gasolina 11.200
Querosene 11.100
Óleo Diesel 10.880
Óleo Combustível Pesado 10.410
Carvão mineral 6.800
Álcool etílico 6.500
Gás natural 4.300
Lenha (20% umidade) 2.500 – 3.000
Balanço de Energia
Poder calorífico
Poder Calorífico Superior : É a quantidade de calor produzida por 1 kg de combustível, quando este entra em combustão, em excesso de ar, e os gases da descarga são resfriados de modo que o vapor de água neles seja condensado.
Poder Calorífico Inferior : É a quantidade de calor que pode produzir 1kg de combustível, quando este entra em combustão com excesso de ar, e os gases de descarga são resfriados até o ponto de ebulição (ou condensação) da água, evitando assim que a água contida na combustão seja condensada.
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Balanço de Energia
Meio Ambiente
1. A poluição térmica é inevitável ?
2. Qual a fonte mais econômica de combustível ?
3. O que pode ser feito com o calor excedente ?
4. Qual a quantidade de vapor d’água, e a que T e P é
necessária para fornecer calor a um processo ?
A resposta para essas perguntas passam pelo entendimento
sobre a transferência de energia por processos naturais ou
por máquinas.
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Balanço de Energia
Engenharia de Processo
1. Quanta potência (energia/tempo) é necessária para
bombear 1.250 m3/h de água desde um tanque de
armazenamento até uma unidade de processo?
2. Quanta energia é necessária para converter 2.000 kg de
água a 30º C em vapor a 180º C ?
3. Uma reação altamente exotérmica A B acontece em um
reator contínuo. Se uma conversão de 75% de A é atingida,
com que taxa a energia deve ser transferida ao reator para
manter o conteúdo a temperatura constante?
4. Quantos kg de óleo combustível deve ser queimado por
dia para produzir energia suficiente para gerar vapor que
movimentem as turbinas e produza a quantidade de
eletricidade necessária abastecer uma cidade com 500.000
habitantes ?
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Indústria Química
Balanço Massa e Energia
20
Balanço de Energia
Industria Química
1. Todos os processos industriais estão associados a
alterações energéticas sob as mais variadas formas
2. Processo com reação química: (endotérmico e
exotérmico)
3. Processo de combustão : energia interna do combustível
é utilizada para geração de calor (fornos, caldeiras), ou
para produção de trabalho (motores e turbinas)
4. Bombas e Compressores: fornece-se trabalho para
acelerar ou comprimir fluidos
5. Trocadores de Calor: transfere-se calor de um fluido
quente para um fluido frio.
2121
Balanço de Massa
Esquema Básico
Energia Final Energia Útil
Uso Final
• Calor de processo
• Força Motriz
• Iluminação, etc
Perdas
E.F = E.U + Perdas
Lei da Conservação
1a Lei Termodinâmica
Eficiência na
conversão
• do energético
• do uso final
Eff [i,j] = E.U [i,j] / E.F [i,j]
i = energético
j = uso final
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Balanço de Energia
Conceitos Básicos
1. Propriedade extensiva: É proporcional a massa do material, ex.
massa, n. mols, volume, vazão mássica, molar, volumétrica, Ec,
Ep e Energia Interna.
2. Propriedade intensiva: É independente da quantidade de
matéria, ex. T, P, densidade
3. Propriedade específica: é quantidade intensiva, obtida pela
divisão de uma prop. ext. por uma quantidade total de um
material de processo, ex. Volume = 200 cm3 e Massa = 200g,
volume específico = 1 cm3/g
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Balanço de Energia
Conceitos Básicos
1. Sistema Adiabático: É aquele que não realiza troca de calor com
suas vizinhanças durante o processo. É um sistema termicamente
isolado.
2. Sistema Isotérmico: Nesse sistema a temperatura se mantém
invariante durante o processo.
3. Sistema Isobárico: É aquele que durante o processo a pressão
se mantém constante
4. Sistema Isocórico: É aquele que durante o processo tem o
volume constante.
24
Balanço de Energia
Conceitos Básicos
1. Variável de Estado: É qualquer variável (ou função) cujo valor
depende somente do estado do sistema. Um exemplo de função
de estado é a energia interna, entalpia (H) – lei de Hess
2. Variável de Caminho (função de caminho): É aquela variável
(ou função) cujo valor depende de como o processo ocorre.
Trabalho e Calor são exemplos de função de caminho.
1
2
1
2
25
Balanço de Energia
Conceitos Básicos
1. 1º. Princípio da Termodinâmica: O uso da energia implica em
transformá-la de uma forma para outra... porém a energia, não é
criada nem destruída.
2. 2ª. Princípio da Termodinâmica: A energia total do Universo não
muda, mas a parcela disponível para realização de trabalho,
torna-se cada vez menor. Na maioria das transformações parte
da energia é convertida em calor (dissipa facilmente)
Energia total antes
da explosão =Energia total após
a explosão
26
Balanço de Energia
Formas de Energia
1. Energia Cinética (Ec): É a energia associada à velocidade de
um material ou sistema em relação à vizinhança. No S.I. a
energia cinética é calculada como: Ec = ½ m.v2
Água é bombeada de um tanque para uma tubulação de 3,0 cm de
diâmetro interno a uma vazão de 1 litro/s . Qual é a energia cinética
especifica da água ...
DI = 3,0 cm
Q = 1 l /s
Q = v. A dágua = 1A = pi.(D/2)2
27
Balanço de Energia
Formas de Energia
2. Energia Potencial (Ep): É a energia relacionada com o trabalho
exercido sobre a massa de um sistema para deslocá-lo, com
relação a uma superfície de referência, num campo gravitacional
ou eletromagnético, é calculada como: Ep = m.g.h
Água é bombeada de um tanque para outro distante 300 m. O nível de
água no 2º. tanque esta 40 m acima do nível de água do 1º. Qual é o
aumento na Ep especifica da água em J/kg ...
40 m
300 m
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Balanço de Energia
Formas de Energia
3. Energia Interna (U): Toda energia possuída por um sistema
além das Ec e Ep, tal como a energia devida ao movimento
das moléculas em relação ao centro de massa do sistema,
ao movimento rotacional, vibracional e às interações
eletromagnéticas das moléculas, e ao movimento e às
interações dos constituintes atômicos e subatômicos das
moléculas
Entalpia (H): É a função de estado resultado da
combinação de U + P.V, ou seja: H = U + P.V
29
Balanço de Energia
Formas de Energia
4. Trabalho (W): É a energia que flui como resposta a uma força motriz (ex.:
torque, voltagem, etc) que não seja pela diferença de temperatura entre
um sistema e suas vizinhanças. Quando as vizinhanças executam trabalho
sobre o sistema, diz-se que o trabalho é positivo. Caso contrário, se o
sistema executar trabalho sobre suas vizinhanças diz-se que o trabalho é
negativo.
• SISTEMA
FECHADO
• VIZINHANÇAS
W > O W < O
• O trabalho pode ser: mecânico, elétrico, de eixo ou de escoamento.
• O trabalho mecânico, que é o mais conhecido, tem unidades de força
x distância, e é representado matematicamente por:
30
Balanço de Energia
Formas de Energia
5. Calor (Q): energia que flui como resultado de uma diferença de
temperatura (potencial térmico) entre o sistema e suas
vizinhanças.
• SISTEMA
• VIZINHANÇAS
Q > O Q < O
• Taxa de transferência de calor: Q = C.A.(T2 – T1), onde...
Onde:
• Q = taxa de transferência
de calor
• C = coeficiente empírico
obtido a partir de dados
experimentais, de acordo
com o equipamento
utilizado
• A = área disponível para
transferência de calor
• T2 – T1 = diferença de
temperatura (∆T)
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Balanço de Energia
Balanço Macroscópico
Nota: Os termos “calor” e “trabalho” se referem apenas à energia que esta sendo
transferida; você pode falar de calor e trabalho adicionado ou liberado pelo sistema,
mas NUNCA falar do calor ou do trabalho possuído ou contido em um sistema.
É uma aplicação do conceito de Conservação de Energia e considera
que a variação de energia dentro do sistema é igual à troca líquida de
calor e trabalho com as vizinhanças, somada com a energia líquida
transportada pelo escoamento de massa para o sistema
W e QSistema
EW e Q
E = Q + W
E = Ec + Ep + U
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Balanço de Energia
Equação Geral
Acúmulo
de
energia
dentro
do
sistema
Transfer
ência de
energia
para o
sistema
através
da
fronteira
Transfer
ência de
energia
do
sistema
através
da
fronteira
Geração
de
energia
dentro
do
sistema
Consumo
de
energia
dentro
do
sistema
= - + -
ACÚMULO = ENTRADA – SAÍDA
E = Q + W
00Sem Reação Química
W, Q > 0 – transf. da vizinhança sistema
W, Q < 0 – transf. do sistema vizinhança
33
Balanço de Energia
Simplificações
O Balanço Energia pode ser aplicado a:
1. sem reação química,
2. sistemas abertos ou fechados,
3. em regime estacionário (permanente)
ou não estacionário (transiente),
4. sistema de 1 ou + componente.
34
Balanço de Energia
Fechado Estacionário
Acúmulo
de
energia
dentro
do
sistema
Transfer
ência de
energia
para o
sistema
através
da
fronteira
Transfer
ência de
energia
do
sistema
através
da
fronteira
Geração
de
energia
dentro
do
sistema
Consumo
de
energia
dentro
do
sistema
= - + -
ACÚMULO = ENTRADA – SAÍDA
00Sem Reação Química
0
ENTRADA = SAÍDA
0 = Q + WW, Q > 0 – transf. da vizinhança sistema
W, Q < 0 – transf. do sistema vizinhança
Balanço de Energia
Fechado Estacionário
• O acúmulo de massa e energia no sistema é zero, uma vezque ele é estacionário ∆E= 0• Assim Q e W são constantes tanto para dentro como parafora do sistema. Aplicando isso na equação geral temos que:
∆E= Q + W, como ∆E= 0 Q + W= 0 W= -Q
• Isto implica dizer que todo o W realizado sobre este tipo de
sistema é transferido para fora como Q.
• O contrário é verdadeiro ?
• Resp.: O calor absorvido por esse sistema não é igual ao
trabalho realizado por ele, já que esse calor é o calor total,
formado pelo calor absorvido e pelo calor perdido.
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Balanço de Energia
Fechado Não Estacionário
Acúmulo
de
energia
dentro
do
sistema
Transfer
ência de
energia
para o
sistema
através
da
fronteira
Transfer
ência de
energia
do
sistema
através
da
fronteira
Geração
de
energia
dentro
do
sistema
Consumo
de
energia
dentro
do
sistema
= - + -
00Sem Reação Química
ACÚMULO = ENTRADA – SAÍDA
E = Q + WW, Q > 0 – transf. da vizinhança sistema
W, Q < 0 – transf. do sistema vizinhança
Balanço de Energia
Fechado Não Estacionário
E = U = Q + W
• não ocorre entrada ou saída de massa no sistema (sistema
fechado).
• o estado de material varia com o tempo (sistema não-
estacionário)
∆U + ∆Ec + ∆Ep = ∆E = Q + W
Para a grande maioria dos sistemas fechados os valores de ∆Ec
e ∆Ep são muito pequenos ou nulos. Assim teremos:
0 0
38
Balanço de Energia
Aberto Estacionário
Acúmulo
de
energia
dentro
do
sistema
Transfer
ência de
energia
para o
sistema
através
da
fronteira
Transfer
ência de
energia
do
sistema
através
da
fronteira
Geração
de
energia
dentro
do
sistema
Consumo
de
energia
dentro
do
sistema
= - + -
ACÚMULO = ENTRADA – SAÍDA
00Sem Reação Química0
ENTRADA = SAÍDA
Vazões de
entrada
Vazões de
saídaSistema
aberto
We – trabalho no eixo
Wf – trabalho de fluxo
E = Q + W
Balanço de Energia
Aberto Estacionário
• São os mais comuns nos processos da industria química
• O acúmulo de massa e energia no sistema é zero, uma vez
que ele é estacionário: ENTRA = SAI (∆E = 0)
• O que ENTRA = taxa total de transporte Ec, Ep e U + taxa de
transferência de Q e W
• O que SAI = taxa total de transporte de Ec, Ep e U + taxa de
transferência de Q e W.
• Se Ej é a taxa total de energia transportada pelas correntes j de
entrada e saída, temos:
• Ej (entrada) - Ej (saída) = Q + W
• Se mj, Ecj, Epj, Uj - correntes “j” do processo
• Ej = Uj + Eci + Epj, como Ec = ½ m.v2 e Ep = m.g.h
• Ej = mj . [ (Uj + v2j)/2 + ghj ]
Balanço de Energia
Aberto Estacionário
• Por outro lado sabemos que: Wf = Pj.Vj (entra) + Pj.Vj (sai)
• We = trabalho de eixo (feito no fluido: bombas, rotor)
• Wf = trabalho de fluxo (feito no fluido: entrada – saída)
• Então: W = We + Wf = We + mj.Pj.Vj (entra) - mj.Pj.Vj (sai)
• A eq. do balanço de energia torna-se:
• mj(saída) [Hj + v2j/2 + ghj] - mj (entra) [Hj + v2j/2 + ghj] = Q + We
• Utilizando ∆, temos:
• ∆H = mj.Hj (saída) - mj.Hj (entrada)
• ∆Ec = mj. v2j/2 (saída) - mj. v2j/2 (entrada)
• ∆Ep = mj.hj.g (saída) - mj.hj.g (entrada)
• Temos: ∆H + ∆Ec + ∆Ep = Q + We
• ∆H = H.[ mj (saída) - mj (entrada)]
• Como balanço total de massa = mj (saída) = mj (entrada), então
• ∆H = 0 (sistema estacionário)
41
Resolução de Problemas de
Balanço de Energia
42
Balanço de Energia
Passo-a-Passo
Balanço de energia - Técnica:
1. Conhecer completamente do processo considerado;
2. Identificar se o sistema é aberto ou fechado e se o estado é
permanente ou não permanente.
3. Esquematizar um fluxograma simplificado
4. Aplicar as simplificações pertinentes à Eq. Geral do B.E.
5. Se sistema aberto, indicar dados para determinação da
entalpia especifica (pressões, temperaturas, estado
agregação) de cada corrente.
6. Escolher um base de cálculo apropriada ao caso;
7. Selecionar o sistema onde ocorre o processo ou a operação;
8. Realizar o balanço através de equações que traduzam o
problema e obter um valor numérico para o caso em análise.
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Aplicação – Cálculo da potencia necessária para bombear água em
um sistema aberto em estado estacionário: Água é bombeada de um
poço cujo nível é constante, estando 20 m abaixo do nível do solo. A
água é descarregada a uma vazão de 0,5 m³/s em um tubo horizontal
que se encontra 5 m acima do solo. Admita que a taxa de transferência
de calor da água é desprezível durante o escoamento. Calcule a
potência elétrica requerida pela bomba, sabendo que sua eficiência de
conversão de energia elétrica em mecânica é de 100%. Despreza o atrito
nos tubos e na bomba.
• 1º. Fazer um fluxograma e analisar o desenho
• 2º. Sistema aberto em regime não permanente sem reação química
• 3º. Eq. Geral : ∆E = Q + W
• 4º. Balanço de energia – Equações
Exercício de Aplicação 1
Passo-a-Passo
44
Resolução 1
Dados do problema:
h1 = 20 m
h2 = 5 m
Vazão volumétrica = 0,50 m3/sh1 = 20 m
h2 = 5 mVazão = 0,50 m3/s
• Sistema aberto em regime permanente:
• ∆E = ( ∆U + ∆Ec +∆Ep) = Q + W
• Simplificações:
• Processo adiabático Q = 0
• ∆Ec = 0 (o sistema esta parado, não há movimento translacional)
• ∆U = 0 (não há mudança de estado físico)
• ∆E = Q + W W = ∆Ep
45
• W = ∆Ep = mg.( h(saída) – h(entrada) )
• Base de cálculo 1 segundo
• Para calcularmos a vazão mássica de escoamento:
• Vazão = Área x velocidade, V. mássica = V.volum. x densidade
• vazão mássica = 0,50 m3/s . 1,0 kg/m3 = 0,5 kg/s
• Como: W = Ep saída – Ep entrada
• W = ∆Ep = mg.( h(saída) – h(entrada))
• W = 0,5 kg/s . 10 m/s2 . (25 - 0) m
• W = 125 J e Potencia = 125 J/s
• Como 1 HP = 745,7 J/s, temos que 125 J/s = 0,167 HP
• Uma bomba de ¼ HP resolve (0,25 HP)
Resolução 1
46
Aplicação – Balanço de Energia em uma Turbina (sistema aberto em
estado estacionário): 500 kg/h de vapor movimentam uma turbina. O
vapor entra na turbina a 44 atm e 450o C com uma velocidade linear de
60 m/s, e sai por um ponto 5 m abaixo da entrada, à pressão atm e a
velocidade de 360 m/s. A turbina fornece trabalho no eixo com uma taxa
de 70 kW, e a perda de calor na turbina é estimada em 104 kcal/h.
Calcule a variação na entalpia específica associada com o processo.
• 1º. Fazer um fluxograma e analisar o desenho
• 2º. Sistema aberto em regime não permanente sem reação química
• 3º. Eq. Geral : ∆E = Q + W
• 4º. Converter kg/h kg/s, logo 500 kg/h/3600 s/h) = 0,139 kg/s
Exercício de Aplicação 2
Passo-a-Passo
47
Resolução 2
• Balanço de energia – Equações
• Sistema aberto em estado estacionário (regime permanente):
• ∆E =( ∆U + ∆Ec +∆Ep) = Q + W
• Q = - 104 kcal/h
• We = - 70 kW
• Como ∆U = ∆H (há mudança de estado P, V e T)
• ∆H = Q + We - ∆Ec - ∆Ep
5 metros
500 kg/h
44 atm, 450o C
60 m/s 500 kg/h
1 atm
360 m/s
Q = -104 kcal/h W = - 70 kW
48
• ∆Ec = ½ m.(V22 - V1
2) = ½. 0,139kg/s. (1N/1kg.m/s2).(3602-602)
m2/s2 (1W/1N.m/s).(1kW/103 W) = 8,75 kW
• ∆Ep = m.g.(hsaída – hentrada) = 0,139 kg/s.9,81N/s.(-5)m.
(1kw/103N.m/s) = -6,81x10-3 kW
• Q = -104 kcal/h.(1J/0,239x10-3 kcal).(1 h / 3600 s).(1 kW/ 103 J/s) =
-11,6 kW
• We = - 70 kW, temos :
• ∆H = Q + We - ∆Ec - ∆Ep
• ∆H = -11,6 - 70 – 8,75 – 6,81x10-3 = -90,3 kW
• Mas pela equação, ∆H = m.(H2 – H1)
• (H2 – H1) = ∆H/m = (-90,3 kJ/s) / (0,139 kg/s) = -650 kJ/kg
Resolução 2
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Onde Estudar a Aula de Hoje
• Princípios Elementares dos Processos
Químicos – Autor: Richard M. Felder (LTC) – cap.
7 a 8 (Balanços de Energia sem reação)
• XEROX - Estequiometria Industrial – Autor:
Reynaldo Gomide (Cap. III – Balanços de
Energia) – (pg. 77 a 129)
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Contato
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