exercicio de destilaria
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Quím ica Tecno lóg ica Gera l - José Ivan Abeid V ive i ros - Ed ição 2011
ESCOLA DE ENGENHARIA DE LINS PLANO DE AULA
DISCIPLINA MODULO DATA TURMA HORARIO
109.007 QUÍMICA PARA ENGENHARIA 04 2011 T1/T2
19:00 – 20:35 20:55 – 22:30
CONTEÚDO/ MODULO SUB-TITULOS
Rendimento e Produt iv idade
Tecnologia Química
RENDIMENTO E PRODUTIVIDADE
1. Rendimento
1.1. Conceito
Denomina-se Rendimento [R] a relação entre a quantidade de produto [P] obtida e
a quantidade de matéria -prima [MP] utilizada para isto.
Normalmente a expressão industrial de unidades para Rendimento é kg/kg, ou seja,
kg de produto por kg de matéria -prima.
R = P
MP
Onde: R = Rendimento P = Produto MP = Materia-Prima
1.2. Aplicações do Rendimento
Em uma reação, alguns reagentes ou matérias -primas combinam-se para formar
produtos de reação. Estes reagentes, reagem e formam produtos de acordo com as
Leis Ponderais que regem as reações químicas.
Além das informações relacionadas com o rendimento da p rodução, é comum
desejar-se conhecer o comportamento da matéria prima (ou de cada coadjuvante de
produção).
Isto pode ser expresso pelo Consumo Específico [C] de matéria prima [MP] ou
coadjuvante, que é a relação entre a quantidade desta matéria e a quantidade de
produto [P] com ela obtido.
[C] = MP
P
onde: [C] = Consumo específico de certa matéria [P] = Produto total [MP] =
Matéria prima da qual se pretende obter o consumo específico.
O cálculo correto do consumo específico deve ser baseado nas equações químicas
estequiométricamente balanceadas propostas pelo laboratório. Entretanto
considerando as deficiências do processo industrial (“in vivo”) em relação ao
processo de laboratório (“in vitro”) verifica -se que a quantidade de uma matéria
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prima específica fornecida ao processo industrial, é maior que a quantidade desta
matéria prima específica que deveria reagir ou participar da reação formando
produto, ou seja, aquela que foi estabelecida pela equação fornecida pelo
laboratório.
Procedemos então aos dois cálculos:
Consumo Específico de matéria -prima Fornecida [CF] , ou seja, aquela adquirida e
colocada à disposição para consumo industrial, e Consumo Específico de matéria -
prima reagida, ou seja, aquela que reagiu e formou produto [CR] .
Na verdade o consumo específico retrata o material efetivamente necessário à
reação, porém, com os dois cálculos, podemos avaliar a quantidade de uma matéria
prima sendo fornecida e não utiliz ada necessariamente pelo processo, denotando
assim, baixo rendimento, mal aproveitamento ou perda.
1.3. Exercícios Resolvidos (do balanço anterior)
1.3.1 "Uma desti laria de cachaça trabalha com uma coluna de destilação contínua
que recebe uma garapa fermentada, também chamada de vinho ou mosto, com 8,5%
de álcool (o resto é água). Após a destilação, obtém -se uma aguardente destilada
com 44,5% de álcool (o resto é água), e um resti lo também chamado vinhoto,
vinhaça ou ainda garapão com 0,6% de álcool" . Qual o Rendimento, o Consumo
Específico de álcool e a perda porcentual de álcool ?
Resolução
a) Rendimento
Rendimento (R) = Produto (P)
Materia Prima (MP)
Produto: 18,00 kg aguardente
Matéria prima: 100,00 kg de vinho
R = 18,00 kg R = 0,18 kg/kg
100,00 kg
b) Consumo Específico de Álcool [C] = Matéria Prima [MP]
Produto [P]
Matéria Prima: 8,5 kg [só o álcool contido na matéria prima]
Produto: 18,0 kg aguardente
[C] = 8,5 kg [C] = 0,47 kg/kg
18,0 kg
c) Perda Porcentual de álcool
A perda é obtida por uma regra de três simples, estabelecendo a relação existente
entre o álcool perdido no resíduo e o álcool total fornecido na matéria prima:
82,0 kg resíduo com 0,6% de álcool 0,492 kg de álcool
8,5 kg de álcool total contido em 100,0 kg de MP 100,00%
0,492 kg de álcool perdido no resíduo X %
0,492 x 100,00 % = Perda Porcentual de Álcool = 5,788 %
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8,5 kg
1.3.2 Em uma indústria que fabrica gás clorídrico pela reação de ácido sulfúrico
com cloreto de sódio, a produção diária em 24 h, é de 5,5 ton. de HCl . A
alimentação do reator é de 300 li tros de H2SO4 (d=1,75 g/cm3) por hora, e 450 kg
de NaCl . Pede-se: a) consumo de matéria prima por dia. b) Rendimento. c)
Consumo específico de H2SO4 por dia.
Resolução:
a) consumo de matéria prima por dia:
H2SO4 300 L d = 1,75 g/cm 3
m = d x V m = 300 L x 1,75 kg/L 525 kg/h
525 kg/h x 24 h 12.600 kg H2SO4 por dia
NaCl 450 kg/h x 24 h 10.800 kg NaCl por dia
Matéria Prima total por dia (24 h) 23.400 kg/dia
b) Rendimento:
Rendimento = produto R = 5.500 kg/dia .
matéria prima 23.400 kg/dia
Rendimento : R 0,235 kg/kg
c) Consumo Específico de Ácido Sulfúrico
H2SO4 + 2 NaCl Na2SO4 + 2 HCl
Mol 98,0 g 117,0 g 142,0 g 73,0 g
(observamos que para cada 73,0 g de gás clorídrico produzido são utilizados -
reagem - 98,0 g de ácido sulfúrico. Considerando que a indústria produz 5.500,00
kg de gás clorídrico/dia, procedemos à regra de três simples).
73,0 g HCl 98,0 g H2SO4
5.500,0 kg HCl x
x = H2SO4 utilizados para produção de 5.500,00 kg de HCl
H2SO4 = 5.500,00 kg (HCl)x 98,00 g (H2SO4)
73,00 g (HCl)
H2SO4 utilizado (reage) = 7.383,5 kg
[CR] = matéria prima (reagida) [CR] =7.383,5 kg
produto final 5.500,0 kg
Consumo específico de H2SO4 : [CR] => 1,34 kg/kg (REAGIDO)
(Observe que são fornecidos 12.600,0 kg de ácido sulfúrico, e o processo consome
apenas 7.383,5 kg. Está claro que está se fornecendo mais que o necessário. Neste
caso, procede-se também ao cálculo do ácido sulfúrico fornecido.)
[CF] = matéria prima (fornecida) [CF] = 12.600,0 kg
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produto final 5.500,0 kg
Consumo específico de H2SO4 : [CF] 2,29 kg/kg (FORNECIDO)
Verificamos de pronto, que (2,29 kg - 1,34 kg) 0,95 kg de ácido sulfúrico estão
sendo fornecidos e não utilizados pelo processo.
2. Produtividade
2.1. Conceito
A otimização de processos pode ser avaliada pela Produtividade (PRO). Na
atividade industrial , a produtividade é a relação (quociente) entre o Produto
obtido em um certo TEMPO , e em um VOLUME de instalação industrial.
Pro = Produto
Tempo x Volume
A produtividade inclui tempo de produção, volume instalado, e exclui a matéria
prima. A otimização de processos pode, em caso, reduzir o volume de instalação e
manter a mesma produção, com conseqüente redução de mão -de-obra.
Diversas situações são possíve is, devendo-se estabelecer a mais interessante sob
todos os aspectos:
- aumentar a produtividade e a produção;
- manter a produtividade e aumentar a produção;
- aumentar a produtividade e diminuir rendimento;
- etc.
2.2. Exercício resolvido
2.2.1 O amoníaco, é obtido da fixação do Nitrogênio atmosférico, pela reação com
o Hidrogênio. Um reator de 3,5 m3 é al imentado com 80 kg/minuto de N2 , e 15
kg/minuto de H2 . A indústria produz 9,6 ton. de Amoníaco( NH3) por dia, em
jornada de 8 h.
Pede-se: a) Rendimento b) Consumo específico de Hidrogênio c) Produtividade
Resolução: Inicialmente deve-se converter todas as unidades, por exemplo em kg e
horas.
Nitrogênio – 80,0 kg/min 4.800 kg/h
Hidrogênio – 15,0 kg/min 900 kg/h
Amoníaco – 9,6 ton./8 h 1.200 kg/h
a) Rendimento
Importante: Para o cálculo do Rendimento, devem ser empregadas as massas
totais das matérias-primas uti lizadas !
Rendimento
=
produto R =
1.200,0 kg
matéria prima 5.700,0 kg
Rendimento: R 0,21 kg/kg
b) Consumo Específico de Hidrogênio
Vamos verificar a estequiometria da reação para 1.200,0 kg de NH3
Reação Teórica 3 H2 + 1 N2 2 NH3
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Massas Moleculares 6,0 g 28,0 g 34,0 g
Calculo de H2 e N2 y x 1.200,0 kg
x (N2)= 1.200,00 kg x 28,0 g N2 988,24 kg/h
34,0 g
y (H2)= 1.200,00 kg x 6,0 g H2 211,76 Kg/h
34,0 g
Obs.: Para a produção de 1.200,00 kg de amoníaco, são fornecidos 4.800,00 kg de
N2 por hora e só reagem (são uti lizados) 988,24 kg. São fornecidos 900,00 kg de
H2 por hora e só reagem (são uti lizados) 211,76 kg.
[CR] H2 = matéria prima H2 (REAGIDO) 211,76 kg
produto (NH3) 1.200,00kg
Consumo Específico: [CR] => 0,1765 kg/kg (REAGIDO)
Como são fornecidos 900,00 kg de hidrogênio por hora, e só reagem 211,76 kg,
convém proceder-se também ao cálculo do hidrogênio fornecido.
CF] H2 = Matéria Prima H2 (FORNECIDO) 900,00 kg
Produto (NH3) 1.200,00 kg
Consumo Específico: [CF] => 0,75 kg/kg (FORNECIDO)
c) Produtividade
Importante: Para o cálculo da produtividade devem ser empregados os dad os
globais da produção real.
Produtividade= produto final PRO = 1.200,0 kg
tempo x volume 1 h x 3,5 m3
Produtividade: PRO => 342 kg/m3 x h
Obs.: Pelos exemplos utilizados, pode -se verificar que as massas de matéria prima
fornecida e consumida, são diferentes. Assim sendo, sempre procederemos ao
cálculo de Consumo Específico de matéria prima Fornecida [CF] , e Consumo
específico de matéria prima Consumida pela reação, ou reagida [CR] , e verificada
na estequiometria.
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3. Exercícios Propostos.
3.1. Uma indústria fabrica Cloreto de Alumínio ( AlCl3), reagindo Ácido Clorídrico
(HCl) com Alumínio metálico (Al).
O reator da fábrica tem capacidade de 3,8 m 3 e é alimentado com 2.800,0 L de HCl
com densidade = 1,18 g/cm 3) e 600,0 kg de Al por hora. A produção diária em
jornada de 8 horas é de 9,8 ton. Pede -se: a) Rendimento; b) Produtividade
mensal;
c) Consumo específico de Ácido Clorídrico (Forn./Cons.)
3.2. Em uma operação de cristalização, purifica -se sacarose para separá-la da
glicose que a impurifica. Consegue-se as seguintes informações relativas à glicose:
no produto 0,90 %; na entrada 6,60 %; no sub -produto 97,50 %.
A operação é feita em uma turbina que fornece 72.000,0 kg de produto por dia de
24 horas, ocupando um volume de 18,5 m3.
Pede-se: a) O esquema da operação; b) Balanço de material total e parciais para
um mês de operação; c) Rendimento; d) Produtividade. e) Recuperação porcentual
da sacarose;
3.3. Resolva o mesmo exercício (2) considerando uma matéria prima qu e tenha
100,0 kg de glicose, e todos os demais dados iguais.
3.4. Considere uma indústria que fabrica gás clorídrico (HCl) pela reação de ácido
sulfúrico(H2SO4) e cloreto de sódio (NaCl).
A produção diária de um reator de 5,6 m3 é de 16,8 toneladas por dia (24 horas). A
alimentação do reator é de 920,0 L de ácido sulfúrico ( H2SO4) de densidade = 1,75
g/cm3 e de 1340,0 kg de NaCl por hora.
Pede-se: a) balanço de materiais total e parciais; b) Rendimento; c)
Produtividade; d) Consumo específico de H2SO4 reagido e fornecido.