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Pereira
Universidade Santa Cecília
Introdução aos Processos Químicos
Prof. MSc. Vitor da Silva Rosa
Prof. MSc. Flávio Nelson Pereira
Programação do curso
a) Balanços de Massa em processos não reativos;
b) Balanços de Massa em processos reativos;
c) Balanços de massa transientes;
d) Balanços de Energia em processos não reativos;
e) Balanços de Energia em processos reativos;
f) Balanço simultâneos de massa e energia em estados estacionários e não
estacionários.
Referências Bibliográficas Recomendadas
a) Felder, R. M.; Rousseau, R. W., Princípios Elementares dos Processos
Químicos, 3ª Ed., Editora LTC, 2011;
b) Himmelblau, D. M.; Riggs, D. M., Engenharia Química – Princípios e Cálculos,
7ª Ed., Editora LTC, 2006;
c) Brasil, N. I.; Introdução à Engenharia Química, 3ª Ed., Editora Interciência,
Referências Bibliográficas Complementares
d) Geankoplis, C. J.; Transport Process and Unit Operations, 3ª Ed., Editora
Prentice Hall, 1993;
e) Shreve, R. N.; Indústrias de Processos Químicos, 4ª Ed, Editora LTC, 1997;
f) Foust, A. S.; Clump, C. W.; Wenzel, L. A.; et al.; Princípios das Operações
Unitárias, 2ª Ed, Editora LTC, 1982.
Pereira
Lista de exercícios – Balanço de massa em processos não reativos
- (Nilo Índio). Uma fábrica produz NaOH a partir de uma solução aquosa, contendo
10,0% de NaOH e 10,0% de NaCl, que é alimentada continuamente, com a
vazão mássica de 10000 kg/h, em um evaporador, onde parte da água é
removida da solução. Durante o processo, parte do NaCl se cristaliza. Se a
solução final contiver 50,0% de NaOH, 1,0% de NaCl e o restante de água,
calcule:
a) A vazão em massa de água evaporada.
b) A vazão em massa de NaCl cristalizado.
c) A vazão em massa da solução final.
- (Nilo Índio). Fenol e água, quando colocados em contato sob certas condições
de temperatura e pressão, formam duas fases líquidas, uma mais leve (R), rica
em fenol, e outra mais pesada (E), rica em água. A 30°C, o teor de fenol da fase
líquida mais leve é de 70,0% e o da mais pesada é de 9,0%. Se 20,0 kg de fenol e
30 kg de água são colocados em íntimo contato a 30°C, calcule as massas das
duas fases líquidas após alcançado o equilíbrio.
- (Felder e Rousseau). Água entra em um tanque de 2,00 m³ com uma vazão de
6,0 kg/s e é esvaziado com uma vazão de 3,0 kg/s. O tanque está inicialmente
pela metade. Quanto tempo levará para o tanque transbordar?
- (Felder e Rousseau). Uma mistura líquida de benzeno e tolueno contém 55,0%
em massa de benzeno. Uma parte desta mistura é evaporada, gerando um vapor
que contém 85,0% de benzeno e um líquido residual que contém 10,6% de
benzeno. Suponha que o processo é operado de forma contínua e em estado
estacionário, com uma vazão de alimentação de 100 kg/h. Desenhe e rotule um
fluxograma do processo e determine as vazões de vapor e líquido residual.
- Um tanque de ácido residual contém 20 % H 2
SO
4
, 10% de HNO 3
, 5% de HCl e
65% de água, em peso. A fim de ser reutilizado no processo, este ácido deve ser
fortificado até conter 27,4% de H 2
SO
4
, 21,9% de HNO 3
e 7,5% de HCl,
empregando-se para isso os respectivos ácidos concentrados, que contêm 92%
de H 2
SO
4
, 87% de HNO 3
e 35% de HCl. Calcular as quantidades desses ácidos
concentrados para se obter 1 ton/h da mistura fortificada desejada.
- (Nilo Índio). Uma mistura líquida de benzeno (58,20%), tolueno (20,40%) e
xileno (21,40%) é carga de um processo de destilação. A recuperação de benzeno
no destilado deve ser de 98,0% e a de xileno no resíduo de 95,0%. O teor em
massa de benzeno no destilado (líquido) deve ser de 0,90. Calcule a
composição mássica do destilado e do resíduo. Determine a corrente de refluxo
se a razão de refluxo é de 1,4.
Pereira
- (Nilo Índio). Uma mistura gasosa ar-propano contendo 10% em massa de propano
e vazão mássica total de 122 kg/s é carga de uma coluna de absorção onde entra
em contato com óleo de absorção com massa molar de 250 kg/kmol e isento de
propano. Deseja-se que o óleo de absorção absorva 90,0% do propano presente
na mistura gasosa. Se o teor em quantidade de matéria de propano no óleo
efluente da coluna é de 40,0%, calcule:
a) A vazão mássica de óleo de absorção a ser utilizada.
b) O teor de propano na mistura gasosa efluente da coluna.
- O suco de laranja integral contém 12% em massa de sólidos, sendo o resto de
água, enquanto que o suco de laranja concentrado contém 42% em massa de
sólidos. Incialmente usava-se um processo de evaporação simples para a
concentração, mas os constituintes voláteis do suco escapam com o vapor de
água, deixando o concentrado sem gosto. O processo atual resolve o problema
desviando uma fração do suco integral do evaporador. O suco que entra no
evaporador é concentrado até 58,0% de sólidos e o produto é depois misturado
com o suco integral desviado para atingir a concentração de sólidos desejada. A
vazão de alimentação de suco integral é de 33000 kg/h. Determinar:
a) A vazão mássica de água evaporada.
b) A vazão mássica de suco integral desviado no by-pass.
c) A relação mássica da alimentação virgem do processo e da vazão desviada.
13) Uma das alternativas de produção de etanol é através da fermentação do
mosto (solução de sacarose 17% em peso) com leveduras. O efluente do
reator com uma vazão de 22500 Kg/h é composto basicamente por etanol
(19%), água (70%), glicerina (7%) e leveduras (4%), todas as porcentagens
na base mássica. Essa mistura é enviada a uma centrífuga que remove
completamente as leveduras, enviando-as novamente para o reator,
enquanto que a mistura sem leveduras é transportada para uma coluna de
destilação. A coluna opera com um refluxo de 1,3 e o seu destilado é composto
por uma mistura equimolar de etanol e água. O produto de fundo encerra a
glicerina, etanol (1,2% em massa) e água. Determinar a vazão em massa
do destilado, do produto de fundo e a % de recuperação de etanol no
destilado.
- Em uma indústria de fertilizantes, 400 toneladas por dia de solução de nitrato de
amônio (17% em massa) é enviada para um evaporador, no qual a solução é
concentrada até 54% em massa. O efluente do evaporador é transportado por
uma bomba para um cristalizador onde o afluente é concentrado até 98,5% em
massa. Entretanto, uma solução contendo 39% de sal é removida do cristalizador
e enviada através de um reciclo para o evaporador para ser reaproveitada no
processo. Determinar a taxa de água removida no evaporador, a vazão da solução
concentrada produzida no cristalizador e a relação alimentação do evaporador
pela taxa de reciclo.
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- (Himmelblau). Na produção de óleo de soja, grãos de soja contendo 13,0% em
massa de óleo e 87,0% de sólidos são moídos e vertidos em um extrator, junto
com uma corrente reciclada de hexano líquido. A razão de alimentação é de 3,
kg de hexano / Kg de grãos moídos. Os grãos moídos são suspensos no líquido,
e praticamente todo o óleo nos grãos é extraído pelo hexano. O efluente do
extrator passa para um filtro. A torta do filtro contém 75,0% em massa de sólidos
e o resto é óleo e hexano, na mesma razão que saem do extrator. A torta do filtro
é descartada e o filtrado líquido é vertido em um evaporador, no qual o hexano é
vaporizado e o óleo permanece como líquido. O óleo é armazenado em tambores
e comercializado. O vapor de hexano é subsequentemente esfriado e
condensado, e o hexano líquido é reciclado para o extrator. Calcule o rendimento
do óleo de soja no processo para uma alimentação de 33000 kg/h de grãos de
soja.
- (Felder e Rousseau). Uma corrente contendo 5,15% em massa de cromo, Cr, e o
restante de água faz parte dos dejetos de uma planta de acabamento metalúrgico.
A corrente de resíduo alimenta uma unidade de tratamento (UT) que remove 95%
do cromo na alimentação. A corrente líquida residual que sai da unidade de
tratamento contém 97% de teor de cromo. Esta unidade de tratamento tem uma
capacidade máxima de 4500 kg/hora de dejetos em sua alimentação.
Se os dejetos que saem da planta têm vazão maior que a capacidade da unidade
de tratamento, o excesso (qualquer coisa acima de 4500 kg/h) é desviado da
unidade e se combina com o líquido residual que sai da UT; a corrente combinada
é então levada à lagoa.
a) Desenhe e rotule um fluxograma de processo.
b) Os dejetos saem da planta com uma vazão de 6000 kg/h. Calcule a vazão do
líquido encaminhado à lagoa e a fração mássica de cromo neste líquido.
- (Nilo Índio). O vapor gerado pelo aquecimento de uma mistura líquida, quando
ocorre vaporização parcial, é de composição diferente da mistura líquida original.
Uma mistura binária com teor em massa do componente mais volátil de 60,0% é
aquecida continuamente na vazão de 1000 kg/h. Considerando que os teores em
massa do componente mais volátil no vapor formado e no líquido
remanescente sejam, respectivamente, 80,0% e 10,0%, calcule:
a) As vazões mássicas do vapor e do líquido formados.
b) A recuperação do componente mais volátil no vapor formado.
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Metanol e só ele, do produto do reator, é removido no separador e não existem
reações secundárias. O hidrogênio e o monóxido de carbono são reciclados para
a entrada do reator. Para manter o teor de inerte estável na entrada do reator, uma
parte do reciclo é removido como purga. A taxa de purga é de 1 mol por 10 mols
de alimentação após o reciclo. A conversão do reagente limitante é de 68%.
Calcular a composição do gás de reciclo e a relação molar entre o metanol
produzido e a alimentação virgem do processo.
- (Felder e Rousseau). O propano é desidrogenado para formar propileno em um
reator catalítico:
C
3
H
8
C
3
H
6
+ H
2
O processo precisa ser projetado para uma conversão global de 95% do propano.
Os produtos da reação são separados em duas correntes: a primeira, que contém
H
2
, C
3
H
6
e 0,555% do propano que deixa o reator, é considerada a corrente de
produto; a segunda, que contém o resto do propano não reagido e 5% do propileno
da corrente efluente do separador, é reciclada para o reator. Calcule a
composição do produto, a razão (mol reciclado / mol alimentação virgem) e a
conversão por passe no reator.
- (Felder e Rousseau). Um processo de desidrogenação catalítica, mostrado na
Figura abaixo, produz 1,3 butadieno a partir de n-butano puro. A corrente do
produto contém 75 mols/h de hidrogênio e 13 mols/h de n-butano, assim como
1,3 butadieno. A corrente de reciclo tem 30% (molar) de n-butano e uma taxa de
escoamento de 24 mols/h. Calcule a taxa de alimentação virgem, a conversão
por passe único do butano no reator, a taxa de 1,3 butadieno na corrente produto
e o rendimento da produção de 1,3 butadieno.
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- O ácido fluorídrico (HF) é produzido pela reação entre fluoreto de cálcio e ácido
sulfúrico. O fluoreto é sólido e reage ao ser dissolvido no ácido.
Reação 1: Ca F 2
+ H
2
SO
4
→ CaSO 4
+ 2 HF
O HF é produzido na forma gasosa, e após absorção em água forma-se o produto
final, sol. aquosa 60% em HF.
No processo industrial é utilizado minério bruto de fluoreto de cálcio, que contém
4% de óxido de silício (SiO 2
) como impureza. Ocorre uma reação secundária que
consome parte do HF (produto desejado)
Reação 2: 6 HF + SiO 2
→ H
2
SiF 6
+ H
2
O
Toda a água produzida na reação secundária é eliminada com as impurezas. O
minério bruto e o ácido (sol. aquosa 93%) são alimentados ao processo, com
15% de excesso do ácido em relação à proporção estequiométrica. 95% do
minério são dissolvidos e consumidos. Todas as porcentagens indicadas são
mássicas. Determine a alimentação de minério bruto, em kg/h, para obter 2000
kg/h de um produto final contendo 60% de HF em solução aquosa e calcule a
seletividade do ácido fluorídrico em relação ao ácido hexafluorossílico.
Dados: Ca=40 / F=19 / H=1 / S=32 / O=16 / Si=
- (Felder e Rousseau). O etano é clorado em um reator contínuo:
C
2
H
6
➔ C
2
H
5
Cl + HCl
Parte do produto, monocloroetano, é depois clorado em uma reação paralela não
desejada:
C 2 H 5 Cl + Cl 2 ➔ C 2 H 4 Cl 2 + HCl
O reator é projetado para fornecer uma conversão de 15% de etano e uma
seletividade de 14 mol C 2
H
5
Cl / mol C 2
H
4
Cl 2
, com uma quantidade desprezível
de cloro no produto gasoso. A alimentação do reator contém apenas etano e cloro.
Calcule a razão de alimentação (mol Cl 2
/ mol C 2
H
6
), o rendimento fracional de
monocloroetano e a composição molar da corrente efluente do reator.
- (Nilo Índio). Aldeído fórmico pode ser produzido pela reação do metano e
oxigênio na presença de um catalisador, gerando também dióxido de carbono
como produto indesejável, de acordo com as reações:
CH
4
+ O
2
➔ HCOH + H
2
O
CH
4
+ 2 O
2
➔ CO
2
+ H
2
O
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Lista de exercícios – Balanço de energia em processos não reativos
- (Felder e Rousseau). Gás propano entra em um trocador de calor adiabático
contínuo a 40°C e 250 kPa e sai a 240°C. Vapor superaquecido a 300°C e 5,
bar (absoluto) entra no trocador escoando de forma contracorrente ao propano, e
sai como líquido saturado na mesma pressão. Admitindo com base 100 mols/s
de propano na alimentação do trocador. Determine:
a) Desenhe e rotule um fluxograma de processo.
b) O fluxo de calor em kW recebido pelo gás propano.
c) A vazão mássica (kg/h) de vapor a ser alimentado no trocador de calor.
- (Nilo Índio). 1 kmol/s de um gás de combustão com a seguinte composição:
11,4% de dióxido de carbono, 7,8% de água, 76,0% de nitrogênio e 4,8% de
oxigênio é enviado a uma caldeira de recuperação de calor para gerar vapor de
água saturado a 1 MPa pelo resfriamento dos gases de combustão da temperatura
de 900 K para 400 K. A água que alimenta a caldeira está disponível a 325 K e o
vapor gerado está saturado a 1 MPa (man). Calcule a produção de vapor de água
na caldeira de recuperação de calor.
- (Felder e Rousseau). Vapor saturado a 300°C é usado para aquecer uma corrente
de metanol escoando em contracorrente de 65°C até 260°C em um trocador de
calor adiabático. A vazão de metanol é 5500 litros por minuto, e o vapor condensa
e sai do trocador como água líquida a 90°C. A temperatura de ebulição do metanol
puro é de 64°C.
a) Calcule a vazão necessária de vapor em m³/h.
b) Calcule a taxa de transferência de calor da água para o metanol em kW.
- (Felder e Rousseau). Uma lama aquosa a 30°C contendo 20,0% em peso de
sólidos alimenta um evaporador no qual é vaporizada água suficiente a 1
atmosfera (absoluta) como para produzir uma lama contendo 35,0% em peso de
sólidos. O calor é fornecido ao evaporador através da alimentação de vapor
saturado a 1,6 bar de pressão absoluta por uma serpentina imersa no líquido. O
vapor condensa dentro da serpentina e a lama ferve no ponto de ebulição normal
da água pura. A entalpia dos sólidos pode ser considerada como metade daquela
da água líquida. Calcule a vazão de alimentação de vapor necessária em Kg/h
para uma vazão de alimentação de lama de 1000 kg/h.
- 100 mols/h de uma mistura contendo 65% molar de acetona e ácido acético é
enviada a uma coluna de destilação a 67,5°C, sendo então separada em produto
destilado e produto de fundo a 1 atmosfera. O produto de topo está a 63°C e
contém 2% molar de ácido acético e o restante de acetona, o qual, é condensado
e dividido em duas partes iguais, em que uma corrente retorna a coluna como
refluxo à 56,8°C e a outra corrente sai como produto destilado na mesma
temperatura do refluxo. No fundo tem-se um líquido que é parcialmente
Pereira
vaporizado no refervedor, em que uma parte contendo 45,6% molar de ácido
acético e temperatura de 98,7°C retorna a coluna e a outra parte como produto
de fundo contendo 84,5% de ácido acético e temperatura de 98,7°C. Não há
perda de calor na coluna e todo o calor transferido nesta destilação está no
condensador e no refervedor. Calcule:
a) O calor transferido no condensador de topo em kW.
b) O calor transferido no refervedor de fundo em kW.
c) Se o condensador utiliza água de resfriamento com uma variação de temperatura
de 20°C (de 20 até 40°C), qual a vazão volumétrica de água necessária para
condensar totalmente o vapor de topo?
d) Calcule a vazão de vapor necessária para promover o aquecimento da mistura no
refervedor de fundo. O refervedor admite água saturada a 4 bar manométrico e o
vapor sai na forma saturada na mesma pressão.
Acetona Ácido acético
T (°C) hl (cal/mol) hv (cal/mol) hl (cal/mol) hv (cal/mol)
- Um trocador de calor não adiabático é alimentado 3800 Kg/h de etanol a 150°C e
deve ser resfriado até 35°C. Água de torre de resfriamento é utilizada para
remover o calor do etanol, entrando a 20°C e deixando o trocador de calor a
35°C. O calor perdido representa 20% da taxa de calor emitida pelo fluido quente.
Determine a taxa de calor perdido em KW e a quantidade de água necessária
para atender as condições do processo em Kg/h. Dados: Ponto de ebulição do
etanol de 78°C;
Cp ETANOL
= 61,34 + 0,001572. T (KJ/mol °C) sendo a T em °C
H
VAP-ETANOL
= 38,6 KJ/mol
- Uma mistura binária de benzeno e tolueno (50%) a 50°C é aquecida e parcialmente
vaporizada a 150°C, e a mistura líquido-vapor formada é separada em um vaso.
Deseja-se que 60% do benzeno, presente na carga, esteja presente na fase vapor.
A composição do benzeno no vapor deve ser de 63,2%. O aquecimento será
efetuado em um trocador de calor, cujo fluido de aquecimento é vapor de água
saturado a 1,0 MPa (abs), que é totalmente condensado. Se a vazão molar da mistura
líquida é de 100 kmol/h, calcule:
a) A taxa de calor necessária para a vaporização parcial da mistura.
b) A vazão mássica de vapor de água usada para o aquecimento.
Pereira
Pereira
Lista de exercícios – Balanço de energia em processos reativos
- (Felder e Rousseau). N-butano é convertido em isobutano em uma reação de
polimerização contínua em um reator isotérmico a 149°C. A alimentação do
reator contém 93 mol% de n-butano, 5% de isobutano e 2% de ácido clorídrico a
149°C. A conversão é de 40% para o n-butano. Determine:
a) O grau de avanço da reação para a alimentação de 1 mol/s de gás;
b) Calcule o calor de reação na condição padrão de referência de temperatura e
pressão;
c) Calcule a taxa de transferência de calor em KW do reator para uma
alimentação de 325 mol/h de gás de alimentação;
- (Felder e Rousseau). Normal heptano é desidrogenado em tolueno em um reator
contínuo:
C
7
H
16
➔ C
6
H
5
CH
3
+ 4 H
2
Heptano puro a 400 °C é alimentado no reator. O reator opera isotermicamente a
400 °C e a reação é completa. Determine a taxa de transferência de calor do reator.
- (Felder e Rousseau). A decomposição térmica do dimetiléter ocorre conforme a
reação a seguir:
(CH
3
2
O ➔ CH
4
+ H
2
+ CO
São alimentados ao reator 2 litros de éter puro e a pressão inicial é de 350 torr. O
reator opera isotermicamente a 600 °C e após 2 horas de reação, a pressão no
reator é de 875 torr. Determine:
a) O teor de éter decomposto;
b) O grau de avanço da reação;
c) A taxa de transferência de calor ao reator em kW.
Dados: ∆𝐻
éter
= −180,16 kJ/mol
Cp (éter) = 26,86 + 0,1659𝑇 (kJ/molK) com T em k
- ( Felder e Rousseau). Uma corrente gasosa contendo propano puro e com uma
vazão de 100 mols/s a 25°C é enviada para um forno reator onde sofrerá
combustão completa. Ar a 300°C contendo 600 mols/s de oxigênio é 2256 mols/s
de nitrogênio é enviado ao reator. Os gases de combustão deixam o reator com
uma temperatura de 1000°C. Todo o propano é convertido no reator. Calcule a
taxa de transferência de calor libertada na reação. Sabe-se que o calor de reação
na condição padrão é - 2220 kJ/mol. O reator opera a uma pressão de 1,0 bar
absoluto.
No Brasil, os doi s combustíveis mai s utilizados são a gas olina e o álcool hi dratado, cujos principais componentes são C8 H18 e2) U m combustível d3) U ma caldeira é ali mentada com uma mist ura gasosa conte ndo 34% de pr opano, 42% de butano e 24% de etileno, composições mola4) (Felder e Roussea u). Um motor de combustão i nterna é alime ntado com gasolina (80% molar de octano e 20% molar de heptano).5) (Felder e Roussea u). Um gás de hidr ocarboneto é que6) Em um forno industrial é quei mado 2000 k mol/ h de carvã o vegetal com a seguinte composiçã o em base molar: 86, 2 % de carbonoIntrodução a os Process os Quí micose fórmula molecular média C12H 26 é alime ntado e m um queima dor à taxa de 0,6 mols/ min, com 40% de oxigênio e m excess o e m relaç – 1º / 2015 - Prof. Me. Vitor Rosa / Prof. Me. Flávio Nels on P ereirai mado com ar. A composi ção e m base s eca do gás de produto é 1,5% molar de monóxido de carbono, 6,0% de dióxido de carbono, 8, C2H5 OH, respectivame nte. Para liberar a mesma quanti dade de e nergia que 1L de gasolina sã o ne cessári os 1,7 L de álcool, o que O process o ocorre a uma pressã o efetiva de 14,7 PSI e uma te mperatura de 400°C. Considerando uma combustão incompleta do comb (C),res. O process o ocorre a uma pres são e fetiva de 1 atm e 3,2 % de hidr ogênio (H), 0,5 % de nitrog ênio (N2 ), 9,9 % de oxigênio (O2 ) e 0,2% de enxofre (S). O combustível sofre combustãão à quantida de estequiométrica, de modo a garantir a combustão completa. Admitindo2% de oxigênio e 84, 3% de nitrogê nio. Nã o existe oxigênio atômico no combustível. Calcule a razão de hidrogê ni o para carbono temperatura de 4 5°C. O ar (21% molar de O2 e 79% molar de N2) foi alimentado com um exces so de 30%. Cal cular a vazão volumétr-s e que a composiçã o do ar 80% N2 e 20% O2 (mola corres ponde a 6,5 mols de octano e 28 mol s de etanol, respe ctivame nte. Considera ndo combustão completa com 1 00% de e ficiê ncia, qua o compl eta a pressão manométrica de 2 Kgf/ cm². Os gases de exaustão a 12 00 °C deixa m o forno e são enviados a um condensa dor ustível, calcule o volume de ar em m³/h que deve ser inj etada (2 8% de exces so) no motor para a quei ma de 20 litros (δ= 0,88 ) de comr ), cal cular a taxa total, em mol s/mi n, de saí da dos ga ses do quei mador. no gás ica de ar real em m³/h para a combustão completa de 30 00 K mol/ h de combustível.combustível e especule qual pode ser este combustível. Calcule e ntão a porcentage m de ex cess o de ar alime ntado a o reator.l a relação e ntre as qua ntidade s de CO2 pr oduzidas por 1,7 L de álcool hi dratado e l L de gasolina? para rbustível e determine a composiçã o molar dos gas es de saí da na bas e úmida.e moção total da água, o qual opera com água de torre de res friamento. Os gases s ecos deixam o conde nsador com uma te mperatura de 180 °C. Calcule : a) A7) U m for no reator é ali mentado com uma mistura gasosa de propano (25% molar ), propeno (25% molar ) e eteno (50vapor saturado produzido na cal deira; b) A vazão volumétrica da água de resfria ment o do condensador ; c) A composiçã o dos8) (Apostila de Introdução aos Process os Quími coscombustível. Dados: E ntropia do vapor s uperaqueci do a 5 bar (abs oluto) e 181, 8°C: 7, 0592 kJ/kgK Entropia de líqui do satura doIntrodução a os Process os Quí micos9) U ma caldeira realiza combustão vazão de ar em m³/ min, com uma te mperatura de 100° C considera ndo um ex cess o de 42% ; b) A composição dos gas es de combustão ap completa de metano, puro. Sa bendo– 1º / 2015 - Prof. Me. Vitor Rosa / Prof. Me. Flávio Nels on P ereira – Prof. Dr. Aldo). U m sistema de cogeraçã o opera com uma mistura gas osa composta por 30% de etano, 5 0% de pr opano, 5 % de á cido-se que existe a utilização de 25% de oxigênio e m excess o em rela ção ao valor e stequi ométri co e que este é pr oveniente do ar (% molar ). Todos os compone ntes sofre m combustão i ncompleta. Ar a 50°C e 1 Kgf/cm² (man) é alimenta do ao reator com um exces so fumos secos. a 1,5 bar (abs oluto): 1, 0910 kJ/kgK Entropia de vapor sat urado a 1, 5 bar (absolut o): 7 ,5939 kJ/kgK Entalpia de lós o condensa dor; s ulfí drico, 1 0% de oxigêni o e 5% de nitrogê nio, todas as porc2 0% de oxigênio e 80% de nitrog ênio, e m ba se molar). A qua ntidade de ar, em mols, utilizada para íquido saturado ae ntagens sã o molares. Ar com 25% molar de ex cess o de oxigênio é alime ntado ao reat or. A mistura gas osa é submeti da a uma comb de 1 0% molar de oxigênio. Os gase s de combustã o a 1400 °C sã o enviados a uma caldeira re cuperadora de calor, os quai s deixam 1,5 bar (abs oluto): 34 0,47 kJ/kg Entalpia de va por saturado a 1,5 bar (abs oluto): 264 5,9 kJ/kg a queima de cada 1 00 mols de metano é? 10) (Fel der e Roussea u). Um óleo combustível é analisado, contendo 85,0% e m ma ssa ustão completa. Os ga ses de combustão a 100 0 °C são e nviados a uma caldeira operando em cicl o Rankine, deixando a caldeira a a caldeira com uma te mperatura de 500°C. Na caldeira é alimentada ág ua saturada a 2 Kg f/ cm² (man) satura do para pr odução de vapor de carbono, 1 2,0% de hidrogê nio ele mentar (H ), 1,7% de enxofre e o rest o são materiais não combustíveis. O óle o é quei mado co 50 0°C. satura do na mes ma pres são. A mi stura efl uente gas osa da cal deira é enviada a um condensador para re moção total da água , o quaNe ssa cal deira é alime ntada água saturada a 4 bar ma n para produçã o de vapor supera queci do na mes ma pre ssão com um delta de sm 2 0,0% (% massa ) de excesso de ar, basea do na combustão completa do carbono a CO2 , do hi drogêni o a H2O e do e nxofre a SO2. O óle ol oper uperaqueci me nto de 30° C em rela ção a te mperatura de saturaçã o. O vapor produzido é usa do para gera ção de e nergia elétrica e ma com água de torre de resfria mento com uma entrada de 20°C e saí da de 30° C. A água conde nsada e stá a 100°C e sat urada. Os ga queima completamente, mas 8% do carbono for ma CO. Calcule a composi ção mássi ca do gás de cha miné. uma t ses se cos deixam o condensador a 100°C e sã o enviados para a chami né. Considere o cal or espe cífi co dos gase s de combustão naur bina ise ntrópi ca e adiabática. A pre ssão na saída da tur bina é de 0 ,5 bar ma nométrico. Considere o calor e spe cífi co dos gases de combustão como consta nte e com valor de 4 0 KJ/K molK. Calcular a potência gerada no eixo da turbina e m kW para uma ali me ba se úmida de 4 5 kJ/kmolK e na base s eca de 32 kJ/kmolK. Determine para o consumo de 2 00 K mol/ h de combustível: a) A vazão em massantaçã o de 1 00 kmol/h de (Kg/ h) de
do reator a 700°C e 8,0 bar contém: 90 mol/min de óxido de nitrogênio, 150
mol/min de água (vapor), 716 mol/min de nitrogênio e 69 mol/min de oxigênio.
Calcule, em kW, a taxa necessária de transferência de calor do reator ou para o
reator.
- (Felder e Rousseau). O etanol é produzido comercialmente pela hidratação do
etileno:
C
2
H
4(g)
+ H
2
O
(v)
➔ C
2
H
5
OH
(v)
Parte de produto é convertido a dietil éter na reação paralela indesejada:
2 C
2
H
5
OH
(v)
➔ (C
2
H
5
2
(v)
+ H
2
O
(v)
A alimentação combinada do reator contém 53,7% molar de C2H4, 36,7% molar
de H2O e o restante de nitrogênio, e entra no reator a 310°C. O reator opera
isotermicamente a 310°C. É atingida uma conversão de 5% de etileno, e o
rendimento de etanol (mols de etanol produzido /mol de etileno consumido) é
0,900. Calcule as necessidade de aquecimento ou resfriamento do reator em
kJ/mol de alimentação.
No Brasil, os doi s combustíveis mai s utilizados são a gas olina e o álcool hi dratado, cujos principais componentes são C8 H18 e2) U m combustível d3) U ma caldeira é ali mentada com uma mist ura gasosa conte ndo 34% de pr opano, 42% de butano e 24% de etileno, composições mola4) (Felder e Roussea u). Um motor de combustão i nterna é alime ntado com gasolina (80% molar de octano e 20% molar de heptano).5) (Felder e Roussea u). Um gás de hidr ocarboneto é que6) Em um forno industrial é quei mado 2000 k mol/ h de carvã o vegetal com a seguinte composiçã o em base molar: 86, 2 % de carbonoIntrodução a os Process os Quí micose fórmula molecular média C12H 26 é alime ntado e m um queima dor à taxa de 0,6 mols/ min, com 40% de oxigênio e m excess o e m relaç – 1º / 2015 - Prof. Me. Vitor Rosa / Prof. Me. Flávio Nels on P ereirai mado com ar. A composi ção e m base s eca do gás de produto é 1,5% molar de monóxido de carbono, 6,0% de dióxido de carbono, 8, C2H5 OH, respectivame nte. Para liberar a mesma quanti dade de e nergia que 1L de gasolina sã o ne cessári os 1,7 L de álcool, o que O process o ocorre a uma pressã o efetiva de 14,7 PSI e uma te mperatura de 400°C. Considerando uma combustão incompleta do comb (C),res. O process o ocorre a uma pres são e fetiva de 1 atm e 3,2 % de hidr ogênio (H), 0,5 % de nitrog ênio (N2 ), 9,9 % de oxigênio (O2 ) e 0,2% de enxofre (S). O combustível sofre combustãão à quantida de estequiométrica, de modo a garantir a combustão completa. Admitindo2% de oxigênio e 84, 3% de nitrogê nio. Nã o existe oxigênio atômico no combustível. Calcule a razão de hidrogê ni o para carbono temperatura de 4 5°C. O ar (21% molar de O2 e 79% molar de N2) foi alimentado com um exces so de 30%. Cal cular a vazão volumétr-s e que a composiçã o do ar 80% N2 e 20% O2 (mola corres ponde a 6,5 mols de octano e 28 mol s de etanol, respe ctivame nte. Considera ndo combustão completa com 1 00% de e ficiê ncia, qua o compl eta a pressão manométrica de 2 Kgf/ cm². Os gases de exaustão a 12 00 °C deixa m o forno e são enviados a um condensa dor ustível, calcule o volume de ar em m³/h que deve ser inj etada (2 8% de exces so) no motor para a quei ma de 20 litros (δ= 0,88 ) de comr ), cal cular a taxa total, em mol s/mi n, de saí da dos ga ses do quei mador. no gás ica de ar real em m³/h para a combustão completa de 30 00 K mol/ h de combustível.combustível e especule qual pode ser este combustível. Calcule e ntão a porcentage m de ex cess o de ar alime ntado a o reator.l a relação e ntre as qua ntidade s de CO2 pr oduzidas por 1,7 L de álcool hi dratado e l L de gasolina? para rbustível e determine a composiçã o molar dos gas es de saí da na bas e úmida.e moção total da água, o qual opera com água de torre de res friamento. Os gases s ecos deixam o conde nsador com uma te mperatura de 180 °C. Calcule : a) A7) U m for no reator é ali mentado com uma mistura gasosa de propano (25% molar ), propeno (25% molar ) e eteno (50vapor saturado produzido na cal deira; b) A vazão volumétrica da água de resfria ment o do condensador ; c) A composiçã o dos8) (Apostila de Introdução aos Process os Quími coscombustível. Dados: E ntropia do vapor s uperaqueci do a 5 bar (abs oluto) e 181, 8°C: 7, 0592 kJ/kgK Entropia de líqui do satura doIntrodução a os Process os Quí micos9) U ma caldeira realiza combustão vazão de ar em m³/ min, com uma te mperatura de 100° C considera ndo um ex cess o de 42% ; b) A composição dos gas es de combustão ap completa de metano, puro. Sa bendo– 1º / 2015 - Prof. Me. Vitor Rosa / Prof. Me. Flávio Nels on P ereira – Prof. Dr. Aldo). U m sistema de cogeraçã o opera com uma mistura gas osa composta por 30% de etano, 5 0% de pr opano, 5 % de á cido-se que existe a utilização de 25% de oxigênio e m excess o em rela ção ao valor e stequi ométri co e que este é pr oveniente do ar (% molar ). Todos os compone ntes sofre m combustão i ncompleta. Ar a 50°C e 1 Kgf/cm² (man) é alimenta do ao reator com um exces so fumos secos. a 1,5 bar (abs oluto): 1, 0910 kJ/kgK Entropia de vapor sat urado a 1, 5 bar (absolut o): 7 ,5939 kJ/kgK Entalpia de lós o condensa dor; s ulfí drico, 1 0% de oxigêni o e 5% de nitrogê nio, todas as porc2 0% de oxigênio e 80% de nitrog ênio, e m ba se molar). A qua ntidade de ar, em mols, utilizada para íquido saturado ae ntagens sã o molares. Ar com 25% molar de ex cess o de oxigênio é alime ntado ao reat or. A mistura gas osa é submeti da a uma comb de 1 0% molar de oxigênio. Os gase s de combustã o a 1400 °C sã o enviados a uma caldeira re cuperadora de calor, os quai s deixam 1,5 bar (abs oluto): 34 0,47 kJ/kg Entalpia de va por saturado a 1,5 bar (abs oluto): 264 5,9 kJ/kg a queima de cada 1 00 mols de metano é? 10) (Fel der e Roussea u). Um óleo combustível é analisado, contendo 85,0% e m ma ssa ustão completa. Os ga ses de combustão a 100 0 °C são e nviados a uma caldeira operando em cicl o Rankine, deixando a caldeira a a caldeira com uma te mperatura de 500°C. Na caldeira é alimentada ág ua saturada a 2 Kg f/ cm² (man) satura do para pr odução de vapor de carbono, 1 2,0% de hidrogê nio ele mentar (H ), 1,7% de enxofre e o rest o são materiais não combustíveis. O óle o é quei mado co 50 0°C. satura do na mes ma pres são. A mi stura efl uente gas osa da cal deira é enviada a um condensador para re moção total da água , o quaNe ssa cal deira é alime ntada água saturada a 4 bar ma n para produçã o de vapor supera queci do na mes ma pre ssão com um delta de sm 2 0,0% (% massa ) de excesso de ar, basea do na combustão completa do carbono a CO2 , do hi drogêni o a H2O e do e nxofre a SO2. O óle ol oper uperaqueci me nto de 30° C em rela ção a te mperatura de saturaçã o. O vapor produzido é usa do para gera ção de e nergia elétrica e ma com água de torre de resfria mento com uma entrada de 20°C e saí da de 30° C. A água conde nsada e stá a 100°C e sat urada. Os ga queima completamente, mas 8% do carbono for ma CO. Calcule a composi ção mássi ca do gás de cha miné. uma t ses se cos deixam o condensador a 100°C e sã o enviados para a chami né. Considere o cal or espe cífi co dos gase s de combustão naur bina ise ntrópi ca e adiabática. A pre ssão na saída da tur bina é de 0 ,5 bar ma nométrico. Considere o calor e spe cífi co dos gases de combustão como consta nte e com valor de 4 0 KJ/K molK. Calcular a potência gerada no eixo da turbina e m kW para uma ali me ba se úmida de 4 5 kJ/kmolK e na base s eca de 32 kJ/kmolK. Determine para o consumo de 2 00 K mol/ h de combustível: a) A vazão em massantaçã o de 1 00 kmol/h de (Kg/ h) de
