BALANÇO DE MASSA EM PROCESSOS CONTÍNUOS E DE REGIME PERMANENTE

O balanço de massa parte de princípio de conservação de massa, ou seja, a quantidade de massa que entra é igual a quantidade de massa que sai. É altamente empregado para a resolução de problemas na engenharia química, sejam eles simples ou complexos.

A equação que descreve a quantidade de matéria em um processo químico é conhecida por Equação Geral de Balanço (1):

SAI = ENTRA + GERADO – CONSUMIDO ACUMULADO (1)

Para este balaço anula-se os termos “gerado” e “consumido”, já que se parte do princípio de que a matéria não pode ser criada ou destruída. As massas de reagentes consumidos e produtos gerados se alteram, mas a massa total (reagente + produto) permanece igual, pois a diminuição do consumido compensa o aumento do gerado.

Além disso, como no regime permanente (estado estacionário) não se tem variáveis com relação ao tempo, o “acumulado” (vazão total com o tempo) é igual a zero, resultando na equação abaixo:

SAI = ENTRA

Esse balanço para melhor visualização é aplicado por meio do diagrama de blocos, onde os blocos representam uma operação/equipamento, sendo ligados por setas nas quais simulam as correntes, ou seja, o fluxo do(s) fluido(s) – geralmente mostrando os valores de vazão mássica, volumétrica ou molar -, resultando no fim uma visão geral do processo. Lembrando que esse balanço só se aplica se não houver reação química e nem acúmulo ou perda de material em nenhum ponto do processo.

Usando esse exemplo onde:

   M1 = M2 + M3      (2)

A equação (2) é o balanço de massa global, ou balanço de massa total, onde aparecem todas as correntes com seus valores de vazão mássica sem distinguir os componentes presentes no processo.

1.000 kg/h = M2 + 453 kg/h

M2 = 547 kg/h

O balanço de massa global auxilia na determinação da quantidade de uma corrente no processo, mas quando apenas esse balanço não bastar para encontrar os valores das correntes, ou quando for necessário determinar a corrente para um fluido em específico, é utilizado balanço de massa parcial.

Abaixo segue um exemplo de um processo de dessalinização da água do mar para melhor representarmos o uso do balanço de massa parcial e balanço de massa global.

Corrente A: água do mar

Corrente B: água dessalinizada

Corrente C: salmoura 

X: fração de água na corrente

Y: fração de sal na corrente

A partir desse processo observa-se que se deseja obter 750m3/h de água dessalinizada, mas o valor da corrente de alimentação de água do mar é desconhecido, portanto aplicam-se os balanços de massa.

Primeiro o balanço de massa global:

A = B + C

A =  750 m3/h + C  (3)

Como surgem duas incógnitas partimos para o balanço de massa parcial, onde iremos encontrar o valor da corrente para um composto específico (água ou sal). Neste ponto é interessante começar pelo componente chave, ou seja, o componente que menos aparece no processo, nesse caso é o sal (sua fração na corrente B é igual a zero).

 Balanço de massa para o sal (Y):

A . Ya = B . Yb + C . Yc

A . 0,2 = C . 0,8

 C = 0,25 A       (4)

Substituindo essa equação (4) na equação (3) já é possível determinar o valor da corrente de água do mar (corrente A):

A = 750m3/h + 0,25 A

A = 1.000 m3/h

Também é possível encontrar o valor da quantidade de água na corrente A, assumindo que sempre a soma das frações dos componentes será igual a 1, ou seja, se a fração de sal na água do mar é de 0,2, a fração de água na água do mar será de 0,8 (totalizando 100%).

O balanço de massa é importante para o dimensionamento de equipamentos, cálculo do rendimento do processo, realização de mudança nos valores da produção (como valores de alimentação e valores de saída), ou seja, seu uso tem diversas aplicabilidades, tornando-se seu conhecimento de grande importância para o processo.

REFERÊNCIAS

Balanços de massa e energia na análise de processos químicos