Como São Definidas As Fronteiras De Sistemas Abertos E Fechados Ao Avaliar Balanços De Massa Em Equipamentos De Plantas-Piloto Educacionais?

Um sistema aberto permite que a massa atravesse sua fronteira, enquanto um sistema fechado não permite isso durante o período de análise definido. Para balanços de massa em plantas-piloto, desenhe a fronteira ao redor do equipamento ou da seção do processo em estudo e, em seguida, contabilize apenas as correntes de material que a atravessam. Equipamentos contínuos, como torres de absorção, trocadores de calor e reatores contínuos, normalmente são tratados como sistemas abertos; misturadores descontínuos e reatores descontínuos selados normalmente são tratados como sistemas fechados.

A fronteira do sistema determina quais correntes aparecem no balanço de massa. Os balanços de sistemas abertos utilizam as vazões de entrada e saída, enquanto os balanços de sistemas fechados acompanham a massa total inicialmente presente, qualquer acumulação e qualquer reação ou transformação durante um intervalo de tempo especificado.

O que significa uma fronteira de sistema

A fronteira define o volume de controle

Uma fronteira de sistema é uma superfície imaginária desenhada ao redor do equipamento, da unidade de processo ou da planta completa que está sendo analisada.

O balanço de massa inclui todas as correntes de material que atravessam essa superfície. As correntes que permanecem inteiramente dentro da fronteira, como refluxo interno, circulação ou fluxo de bandeja para bandeja, não são entradas ou saídas externas para essa fronteira.

A fronteira é uma escolha analítica

A mesma planta-piloto pode ser analisada usando diferentes fronteiras. Uma fronteira ao redor de um conjunto completo de destilação produz um balanço global, enquanto uma fronteira ao redor apenas do refervedor ou do condensador produz um balanço local.

A fronteira correta é aquela que corresponde à pergunta feita e às medições disponíveis.

Calor e trabalho não são correntes de material

Calor e trabalho podem atravessar uma fronteira de sistema aberto ou fechado, mas não são incluídos como fluxos de massa.

Eles são relevantes para um balanço de energia, não para o balanço de massa, a menos que uma corrente de utilidade se misture fisicamente com o material do processo.

Como são definidas as fronteiras de sistemas abertos

A massa atravessa pelas entradas e saídas

Um sistema aberto, também chamado de sistema de escoamento ou volume de controle, permite que o material entre e saia durante a operação.

As correntes que normalmente atravessam a fronteira incluem alimentação, produto, purga, ventilação, drenagem e reciclo, quando atravessam a fronteira selecionada.

Equipamentos-piloto contínuos geralmente são abertos

Torres de absorção de gases, trocadores de calor, reatores contínuos de tanque agitado, colunas de destilação, bombas e compressores são normalmente tratados como sistemas abertos.

Para essas unidades, o balanço geralmente é escrito em termos de vazões mássicas:

[ \text{Acumulação} = \text{Entrada de massa} - \text{Saída de massa} + \text{Geração} - \text{Consumo} ]

Para um processo não reativo em estado estacionário, a acumulação é zero, portanto:

[ \text{Vazão mássica total de entrada} = \text{Vazão mássica total de saída} ]

Os balanços de componentes podem ser mais úteis

Um balanço de massa total pode mostrar que a massa é conservada sem mostrar como os componentes são distribuídos.

Por exemplo, uma unidade de destilação de etanol requer balanços de componentes para etanol e água, e não apenas um balanço de vazão total. Em estado estacionário:

[ \dot{m}{\text{alimentação}} = \dot{m}{\text{destilado}}+ \dot{m}_{\text{produto de fundo}} ]

O balanço de etanol correspondente acompanha a fração de etanol em cada corrente.

As correntes internas são excluídas de uma fronteira global

Se a fronteira envolver conjuntamente a coluna, o condensador e o refervedor, as correntes internas de vapor, líquido e refluxo não atravessarão a fronteira.

Por isso, elas são excluídas do balanço de massa global, embora sejam essenciais para o mecanismo de separação.

Como são definidas as fronteiras de sistemas fechados

Nenhuma massa de processo atravessa a fronteira

Um sistema fechado contém uma quantidade fixa de material durante o período de operação selecionado.

Um reator descontínuo selado ou um tanque de mistura descontínuo é tratado como fechado quando não há alimentações, retiradas de produto, ventilação, vazamentos ou drenagens atravessando a fronteira.

Equipamentos descontínuos exigem um intervalo de tempo

Como não há vazões de entrada ou saída, o balanço compara o material dentro do sistema em dois momentos.

Para um sistema fechado não reativo:

[ m_{\text{inicial}} = m_{\text{final}} ]

Se o material se acumula, é consumido ou é gerado por meio de uma reação, o balanço de componentes apropriado deve incluir esses efeitos.

Fechado não significa que nada muda

Um sistema fechado pode sofrer alterações de temperatura, alterações de pressão, mistura, mudanças de fase, transferência de calor ou trabalho de eixo.

Ele continua fechado em relação à massa enquanto nenhum material atravessar a fronteira definida.

Equipamentos descontínuos não são automaticamente fechados

Um reator descontínuo com adição de alimentação, ventilação de gás, linha de amostragem ou retirada de produto não é totalmente fechado durante esse período.

Nesse caso, inclua essas correntes em um balanço de massa ou redefina o intervalo de operação para que a hipótese de sistema fechado seja válida.

Escolha de fronteiras para plantas-piloto com várias unidades

Use uma fronteira global para resultados de toda a planta

Uma fronteira ao redor de toda a planta-piloto inclui apenas as correntes que entram do exterior e as correntes que saem para o ambiente externo.

As correntes de interligação entre o misturador, o reator, o separador e o tanque de armazenamento são internas e se cancelam no balanço global.

Essa abordagem é útil para verificar a recuperação total, o rendimento global e as perdas de material em toda a planta.

Use fronteiras de subsistemas para o desempenho das unidades

Uma fronteira ao redor de um equipamento isola seu comportamento local.

Por exemplo, uma fronteira ao redor de uma coluna de destilação pode incluir as correntes de alimentação, destilado, produto de fundo, refluxo e vapor de ebulição, dependendo de o condensador e o refervedor estarem dentro ou fora da fronteira.

A fronteira selecionada determina quais dessas correntes precisam ser medidas e incluídas.

Use fronteiras de junção para mistura e divisão

Uma pequena fronteira ao redor de um ponto de mistura permite relacionar a saída combinada a várias correntes de entrada.

Uma fronteira ao redor de um divisor relaciona uma entrada a várias saídas. Esses balanços locais costumam ser mais simples do que fazer o balanço de todo o fluxograma de uma só vez.

Faça uma verificação dos graus de liberdade

Antes de resolver um subsistema, conte as vazões e composições desconhecidas das correntes e compare-as com as equações independentes disponíveis.

Um cálculo bem formulado geralmente apresenta zero graus de liberdade depois que as especificações, medições e equações de balanço de massa são incluídas.

Aplicação da definição a equipamentos educacionais

Tanque de mistura descontínuo

Para um tanque de mistura descontínuo selado, desenhe a fronteira ao redor do tanque e de seu conteúdo durante o período de mistura.

Se nenhuma alimentação, drenagem, amostragem ou ventilação atravessar a fronteira, use um balanço de sistema fechado e compare as massas totais ou de componentes antes e depois da mistura.

Torre de absorção contínua

Para uma torre de absorção de gases, desenhe a fronteira ao redor da torre e identifique a entrada de gás, a saída de gás, a entrada de solvente líquido e a saída de líquido.

Essas correntes que atravessam a fronteira formam a base dos balanços de massa total e de componentes do sistema aberto.

Unidade de destilação contínua

Para o desempenho global da separação, desenhe a fronteira ao redor da coluna, do condensador de topo e do refervedor como uma única unidade.

As correntes externas de material normalmente são a alimentação, o destilado e o produto de fundo. O refluxo interno e o vapor de ebulição são omitidos desse balanço global porque não atravessam a fronteira.

Trocador de calor

Um trocador de calor é um sistema aberto quando o fluido de processo entra e sai continuamente.

As correntes de material do lado quente e do lado frio atravessam a fronteira, enquanto a transferência de calor entre as correntes é tratada no balanço de energia, e não como um fluxo de material.

Compreensão dos compromissos

Uma fronteira maior simplifica o balanço global

Envolver várias unidades conectadas remove as correntes internas do balanço global.

A desvantagem é que isso oculta o desempenho de cada unidade, dificultando a identificação do local onde ocorre uma perda, um vazamento ou uma ineficiência de separação.

Uma fronteira menor fornece mais detalhes

As fronteiras no nível da unidade revelam composições locais, conversão, recuperação e acumulação.

Elas também criam mais correntes desconhecidas e exigem mais instrumentação, medições e equações.

O estado estacionário pode ser identificado incorretamente

Uma unidade contínua não está automaticamente em estado estacionário. A partida, a parada, o enchimento de tanques, as alterações de concentração e as condições de alimentação flutuantes criam acumulação.

Quando a acumulação é diferente de zero, as vazões de entrada e saída não são necessariamente iguais.

As utilidades devem ser classificadas corretamente

A água de resfriamento, o vapor de aquecimento e o refrigerante geralmente pertencem ao balanço de energia quando não se misturam com o material do processo.

Se uma utilidade entra no processo, por exemplo, vapor que se condensa no produto, ela atravessa a fronteira de material como uma corrente de massa do processo e deve ser incluída.

Vazamentos e amostras podem invalidar as hipóteses

Uma unidade descontínua supostamente selada pode perder massa por meio de um vazamento, uma ventilação ou uma porta de amostragem.

Os experimentos educacionais devem documentar explicitamente esses caminhos, em vez de forçar o equipamento a se enquadrar em um modelo idealizado de sistema fechado.

Como aplicar isso à sua planta-piloto

O procedimento a seguir fornece um ponto de partida confiável para o trabalho com balanços de massa educacionais:

Se seu foco principal for a vazão de uma unidade contínua: Desenhe a fronteira ao redor do equipamento, liste todas as entradas e saídas e use balanços de vazão em estado estacionário somente depois de confirmar que a acumulação é desprezível.
Se seu foco principal for uma operação descontínua selada: Defina os horários inicial e final, verifique se nenhuma massa de processo atravessa a fronteira e compare as quantidades totais ou de componentes iniciais e finais.
Se seu foco principal for a recuperação global da planta: Envolva todas as unidades conectadas em uma única fronteira e inclua apenas as correntes externas de alimentação, produto, resíduos, purga e ventilação.
Se seu foco principal for o desempenho de um equipamento individual: Isole a unidade selecionada e inclua todas as correntes que atravessam sua fronteira local, incluindo as correntes de reciclo ou desvio relevantes.
Se seu foco principal for a eficiência da separação: Use balanços de componentes para espécies como etanol e água, em vez de depender apenas da vazão mássica total.
Se seu foco principal for um cálculo defensável: Faça uma verificação dos graus de liberdade antes de resolver as vazões ou composições desconhecidas.

Uma fronteira claramente desenhada transforma uma planta-piloto complexa em um problema de balanço de massa gerenciável e mensurável.

Tabela-resumo:

Tipo de sistema ou fronteira	Material que atravessa a fronteira	Exemplos típicos de plantas-piloto	Foco do balanço
Sistema aberto	Entradas, saídas, ventilações, drenagens, purgas e outras correntes de processo	Torres de absorção, trocadores de calor, reatores contínuos, unidades de destilação	Vazões, acumulação, geração e consumo
Sistema fechado	Nenhuma massa de processo durante o intervalo de tempo definido	Misturadores descontínuos selados e reatores descontínuos	Massa inicial e final, acumulação e efeitos da reação
Fronteira global da planta	Alimentações externas, produtos, resíduos, purgas e correntes de ventilação	Planta-piloto interconectada completa	Recuperação global, rendimento e perdas de material
Fronteira no nível da unidade	Todas as correntes que entram ou saem de uma unidade selecionada	Coluna de destilação, reator, separador ou misturador	Desempenho do equipamento, conversão e eficiência da separação
Balanço de componentes	Vazões e composições específicas de cada espécie	Destilação de etanol e água ou sistemas reativos	Distribuição de componentes, geração e consumo
Corrente de utilidade	Geralmente apenas energia, a menos que a utilidade se misture com o material do processo	Água de resfriamento, vapor de aquecimento, refrigerante	Incluir no balanço de massa somente quando se tornar material do processo

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