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20/03/2020

Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campus Londrina Departamento Acadêmico de Alimentos Introdução às Operações Unitárias

BALANÇO DE MASSA EM PROCESSOS Profa. Marianne Ayumi Shirai

Sistemas • Sistemas é qualquer porção do universo escolhida para

se realizar os estudos; • Pode ser uma unidade de processo, um conjunto de

etapas de um processo ou todo o processo; • Vizinhança é tudo que se situa fora do sistema.

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Fronteira • Superfície real ou imaginária que separa o sistema da

vizinhança;

• O limite de um sistema pode ser fixo ou móvel;

• A fronteira é a superfície de contato compartilhada pelo

sistema e a vizinhança.

fronteira

ar

vizinhança tanque

sistema

Sistema

fronteira vizinhança

Fronteira • Fronteira adiabática: não deixam passar calor entre

sistema e vizinhanças; • Fronteira diatérmica: deixam o calor passar entre sistema e vizinhanças; • Fronteira permeável: deixam matéria (e calor) passar entre o sistema e vizinhanças

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Tipos de sistemas Fechado ou batelada • Também conhecido como massa de controle, consiste em uma quantia fixa de massa, e nenhuma massa pode cruzar sua fronteira • Mas energia, na forma de calor ou trabalho, pode cruzar a fronteira

Sistema fechado

massa

NÃO

energia

SIM

Tipos de sistemas Sistema isolado • Nada entra ou sai, nem massa, nem calor ou trabalho, durante o intervalo de tempo considerado, (t1 e t2); • Pode haver trocas entre energias potencial, cinética e

energia interna, dentro do sistema, mas não com a vizinhança; • Energia total do sistema inalterada

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Tipos de sistemas • Sistema isolado

Não entra calor de fora Q=0

sistema

Pode haver intercâmbio entre energias de dentro do sistema

fronteira Nenhum trabalho é realizada pelo sistema, nem mesmo de expansão ou contração, W=0

Tipos de sistemas Sistema aberto • Também chamado volume de controle • Envolve fluxo de massa • Ex.: compressor, turbina ou bocal • Massa e energia podem cruzar a fronteira de um volume

de controle Pistão

massa

SIM Compressor

energia

SIM

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Resumindo...

Balanço de massa - Introdução • Ferramenta importante para dimensionar equipamentos,

avaliar rendimentos, fazer mudanças na escala de produção e avaliar alternativas de processamento; • Lei da conservação de massa

“A matéria não é criada e nem mesmo destruída” • 1ª Lei da Termodinâmica

“A energia total do universo é constante” Ela pode estar presente de diversas formas, mas sua quantidade total não se altera

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Processos e variáveis do processo • PROCESSO: Operação ou uma série de operações que

promovam modificações físicas ou químicas em uma substância ou em uma mistura de substâncias

Processos e variáveis do processo • OPERAÇÕES: reações químicas, transporte de fluidos,

redução de tamanho, transporte ou geração de calor, destilação, absorção, etc. Mistura

Aquecimento

Filtração

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Classificação dos processos • Quanto à forma de alimentação ou retirada de material a) Processos descontínuos ou em batelada b) Processo contínuo c) Processo semicontínuo ou semibatelada • Quanto à dependência do tempo a) Regime permanente ou estado estacionário • A massa do sistema não varia com o tempo 𝑑𝑀 𝑑𝑡

• (

= 0)

𝑀 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 = 𝑀 𝑠𝑎𝑖

b) Regime transiente • Existe acúmulo de massa 𝑑𝑀

• (

𝑑𝑡

≠ 0)

• Escoamento Paralelo e Contracorrente

Corrente A Corrente B

Paralelo Corrente A Corrente B

Contracorrente

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Equação geral do balanço de massa

Acúmulo: variação de massa ou moles dentro do sistema em 𝑑𝑀 relação ao tempo ( ) 𝑑𝑡

Sistema permanente sem reação

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Sistema permanente com reação

Regime transiente sem reação

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Regime transiente com reação

Sistema que será aplicado um balanço de massa

Entradas SISTEMA

Saídas

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Passo a passo para os cálculos 1. Fazer um esquema simplificado do processo, definindo 2. 3. 4. 5. 6.

a sua fronteira pelo traçado de uma envoltória; Identificar, com símbolos, as vazões e as composições das correntes envolvidas; Anotar no esquema todos os dados disponíveis das vazões e das composições; Verificar que composições são conhecidas ou podem ser imediatamente calculadas; Verificar que vazões mássicas são conhecidas ou podem ser facilmente calculadas; Selecionar a base de cálculo conveniente para o início dos problema.

Balanço de massa – Uma etapa

A = 100 kg M = 280 kg MISTURADOR B = 180 kg

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Balanço de massa – Múltiplas etapas V

S

F

Filtro

Evaporador

P

C

Balanço de massa – Reciclo • As matérias-primas e fluidos que alimentam um processo são muitas vezes reciclados, isto é, retornam para um dada etapa e são processados novamente; • Secagem, destilação, reatores químicos e bioquímicos, processos de separação por membranas e processos de extração.

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Balanço de massa – By-pass • Recurso usado quando se deseja evitar que uma porção

da corrente de alimentação passe por uma ou mais etapas do processo;

• Essa porção é desviada e depois misturada a uma nova

corrente.

Balanço de massa – Purga - Recurso utilizado quando se deseja excluir ou remover

um acúmulo de materiais inerte ou indesejados que poderiam se acumular na corrente de reciclo.

Purga

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