Balanço de energia em sistemas abertos

A Primeira Lei da Termodinâmica para sistemas abertos é peça fundamental para o balanço energético em processos químicos industriais bem como uma ferramenta útil no dimensionamento de equipamentos.

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Balanço de Energia: dispositivos e equipamentos industriais

Nesta videoaula serão discutidas as formulações matemáticas, com base na equação de energia geral para sistemas abertos, para diversos dispositivos e equipamentos industriais. As hipóteses necessárias para as simplificações dos modelos serão detalhadas para o melhor entendimento.

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Balanço de Energia: conceitos fundamentais e primeira lei da…

A Primeira Lei da Termodinâmica é baseada na Lei da Conservação de Energia que diz: “a energia não pode ser criada nem destruída.”

Para chegarmos a formulação matemática adequada para a Primeira Lei, primeiramente devemos rever alguns conceitos fundamentais e entender como a energia é transportada através das fronteiras de um sistema. Desta forma, iremos revisar as definições de sistemas e as modalidades de energia.

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Balanço de Material com Reação Química

O local físico onde ocorre uma reação química é denominado de reator. Um reator tem por finalidade promover o contato entre os reagentes que serão consumidos para produzir os produtos. Desta forma, faz-se necessário, por hora, o conhecimento das quantidades alimentadas ao reator para produzir uma certa quantidade dos produtos. Esta contabilização é realizada por meio de um balanço material.

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Balanço Material com Desvio e Purga

Em unidades industriais, assim como o caso do reciclo, também é comum encontrar correntes de processos que desviam um ou mais equipamentos (desvio ou by-pass) ou ainda correntes que são eliminadas do processo (purga).

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Balanço Material com Reciclo

Em muitas unidades industriais uma corrente de reciclo está associada ao processo. Reciclo nada mais é do que uma corrente que retorna ao início do processo e tem por finalidade, em unidades reacionais, a recuperação de catalisadores ou o aproveitamento dos reagentes não consumidos na reação. Em unidades não reacionais, o reciclo tem por finalidade a circulação de um fluido de trabalho ou a diluição de uma corrente.

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Balanço Material em Unidades Múltiplas

As operações industriais comumente ocorrem com diversas unidades interconectadas por meio de correntes de processos. Tais correntes são as vazões de entrada e de saída de um determinado equipamento. O estudante deve ficar atento e perceber que a corrente de saída de um equipamento agora será a alimentação do equipamento seguinte.

Se admitirmos um sistema aberto, operando de forma contínua e em estado estacionário, o balanço material em unidades múltiplas segue o mesmo padrão de resolução de cálculo visto nas videoaulas anteriores. A informação adicional que introduziremos nesta videoaula é o uso da análise dos graus de liberdade; ferramenta importante para nossos cálculos e que indica “o caminho” a ser seguido. Em outras palavras, a análise dos graus de liberdade facilitará nossos cálculos, pois esta análise nos informará por onde deveremos começar a resolver nosso balanço.

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Balanço Material em Unidades Simples

“Um balanço de massa (também chamado um balanço material) é uma aplicação do princípio da conservação da massapara a análise de sistemas físicos. Pela contabilidade (medição) de material entrando e deixando um sistema, fluxos de massa podem ser identificados, os quais podem ser desconhecidos, ou difíceis de serem conhecidos sem esta técnica. A exata lei da conservação usada na análise do sistema depende do contexto do problema mas tudo é resolvido pela conservação da massa, i.e. que matéria não pode desaparecer ou ser criada espontaneamente.” (Wikipédia)

Em outras palavras, o balanço de massa é a contabilização exata das correntes de processos.Um balanço de massa pode ser realizado em uma única unidade, ou unidades simples. Entretanto, para iniciar qualquer procedimento de cálculo, o estudante deve ter em mente os conceitos fundamentais sobre o que é sistema, um processo contínuo e descontínuo, e também um sistema operando em estado estacionário e transiente.

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Variáveis de processos

Em um processo químico, seja em um único equipamento ou em unidades contendo múltiplos equipamentos, as correntes de processos possuem informações importantes e que devem ser conhecidas e bem especificadas. Tais informações são as variáveis de processos.

Nos cálculos de engenharia, as principais variáveis de processos que definem estas correntes são a vazão, a composição (concentração), a temperatura e a pressão. O estudante deve ter o conhecimento e a habilidade para trabalhar com estas variáveis.

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Sistemas e conversão de unidades

No mundo da engenharia, um número sem unidade não possui significado, exceto para os números (ou quantidades) adimensionais. A unidade dá sentido físico a um número. Entretanto, existem diferentes sistemas de unidades, com suas respectivas unidades referentes a cada grandeza. Desta forma, é imprescindível o conhecimento e a representação adequada destes sistemas, bem como dos fatores de conversão entre tais sistemas.

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