Balanco de massa e energia

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INTRODUÇÃO

No Trabalho foi apresentado um problema, envolvendo uma mistura de dois gases, nitrogênio e hidrogênio por correntes de vazão molar desconhecidas, cada qual proveniente de um tanque. Para que o exercício 4.22, do livro "Elementary Principles of Chemical Processes", de Richard M. Felder e Ronald W. Rousseau fosse resolvido, foram necessários o conhecimento dos seguintesconceitos e definições:

Conversão de Unidades:

Mudança de variável para unidades diferentes.

Vazão:

Para processos contínuos, a vazão de uma corrente de processo é a taxa na qual um material é transportado em uma tubulação. Geralmente, utiliza-se um ponto acima do símbolo para denotar uma taxa.

Assim, a vazão mássica (ṁ) de uma corrente de processo é a massa (m)transportada através da linha por unidade de tempo (t).

ṁ= m/t

A vazão volumétrica (v) de uma corrente de processo é o volume (V) transportado através da linha por unidade de tempo.

v = V/t

A vazão molar (ṅ) de uma corrente de processo é o número de mols de uma mistura ou substância transportados através da linha por unidade de tempo.

ṅ= n/t

Fração Mássica e Molar:

Afração molar é a quantidade, em mols, de um composto específico numa mistura ou numa solução, dividido pelo número de mols total dessa mistura ou solução, sendo válida para sólidos, líquidos ou gases.

E a fração mássica é a divisão da massa de um composto específico pela massa total da mistura ou solução.

Fração molar de M (yM) = número de mols de M / número total de molsFração mássica de M (xM) = massa de M / massa total

Balanço de Massa:

Equação do Balanço de Massa utilizando o Princípio de Lavoisier, segundo o qual nada se cria ou se destrói.

Classificação dos Processos:

- Contínuo: entrada e saída constante de material.

- Batelada: introdução imediata de material no início do processo. São retirados após um período de tempo.- Semicontínuo: entrada de material é contínua e a saída é instantânea, ou vice-versa.

- Regime Permanente: processo no qual todas as variáveis (temperatura, pressão, vazão, quantidade de matéria, etc) são constantes.

- Regime Transiente: processo em que, pelo menos, uma ou mais condições variam com o tempo.

Equação Geral de Balanço de Massa






Para oprocesso em batelada e em regime transiente, os termos {acumula} e {reage} são iguais a zero.

O exercício em questão propôs que o tanque A era composto por gás hidrogênio com fração molar xa, enquanto o B por gás hidrogênio com fração molar xb. A fração molar desejada de hidrogênio foi de xp e a corrente mássica (ṁp) com vazão de saída (kg/h).

Com os valores xa = 0,10molH2/mol, xb = 0,50 mol H2/mol, xp = 0,20 mol H2/mol e (ṁp)= 100kg/h foi requerido o cálculo das vazões molares (ṅa) e (ṅb) na mistura provenientes dos tanques de alimentação de modo que a corrente de mistura apresentasse fração molar e vazão de massa de xp = 0,20 mol H2/mol e (ṁp) = 100kg/h, respectivamente. Em termos de xa, xb, xp e foi encontrada uma série de fórmulas para e das quais foramtestadas e validadas com os valores dados acima.

Posteriormente, foi construída uma planilha através do software Microsoft Excel para a determinação das vazões molares em função dos termos de acordo com os seguintes valores fixos: xa = 0,10, xb = 0,50, e variável: xp = 0,10; 0,20; 0,30; 0,40; 0,50; 0,60; nos quais realizados uma vez para =100 kg/h e outra para =250 kg/h.

O processo foiclassificado como em batelada, regime transiente. Através da expressão geral do balanço de massa:

SAI = ENTRA + REAGE – ACUMULA

Para essa situação, não tiveram os termos "reage" e "acumula”, o que reduz a equação para o processo: "sai = entra".

Com os valores xa = 0,10mol H2/mol, xb = 0,50 mol H2/mol, xp = 0,20 mol H2/mol e (ṁp)= 100kg/h foi requerido o cálculo das...
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