PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ - CCET Professor Emerson Martim Fundamentos de Processos Lista de Exercícios 3 Balanço de massa sem reação química Questão 1 – Considere
um reservatório de água de uma casa. Faça todas as combinações possíveis em relação às válvulas de entrada e saída. Em cada caso, classifique classifique o processo. – Diferencie e dê um exemplo de processo em batelada, processo contínuo e processo semi-contínuo. Questão 2
Questão 3 – Diferencie e dê um exemplo de regime permanente e de regime transiente.
- Duas misturas etanol-água de composições diferentes estão contidas em recipientes separados. A primeira mistura contém 40,0% de etanol e a segunda 70,0% água em massa. 450,0g da primeira mistura são combinados com 150,0g da segunda mistura. Considerar que não interação entre o etanol e a água. a) Classificar o processo em relação ao tempo e em relação à entrada/saída; b) qual a massa e a composição da corrente de produto formada?
Questão 4
Questão 5 – Uma
mistura contendo 45,0% de benzeno (B) e 55,0% de tolueno (T) em massa é alimentada em uma coluna de destilação. A corrente de saída do topo contém 95,0% de B em massa. A corrente de fundo contém 8,0% de benzeno alimentado. A taxa de alimentação é de 2000,0 kg/h. Determine a vazão da corrente de topo e fundo, além da composição mássica da corrente de fundo. Tendo-se uma alimentação de um evaporador de 1000,0 kg/h de suco integral de fruta com 12,0% de sólidos solúveis, quanto se produz de suco concentrado com 40,0% de sólidos solúveis? Quanto de água será evaporada?
Questão 6-
Deseja-se produzir H2SO4 a 18,63% a partir de 200,0 kg de H2SO4 a 77,7% e uma solução de ácido a 12,43%. Qual a quantidade de solução a 18,63% obtida? Desenhe o fluxograma do processo. Questão 7 -
- Uma solução de celulose contém 5,2% em peso de celulose em água. Quantos kg de solução 1,2% são necessários para diluir 100,0 kg de solução 5,2% para 4,2%?
Questão 8
Grãos de soja (12,0% de umidade em base úmida) contém 18,0% de óleo. Em um processo de prensagem, consegue-se extrair 80,0% de óleo original. Qual a concentração de óleo e a umidade da torta? Desenhe o fluxograma indicando todas as correntes e composições. Questão 9 -
Questão 10 – Um
determinado sólido contendo 20,0% em massa de água necessita ser secado para produzir um sólido que contenha 4,0% em massa de água. Calcule a % de remoção de água do sólido original.
PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ - CCET Professor Emerson Martim Fundamentos de Processos - Alimenta-se uma coluna de destilação com 1000,0 kg/h de uma solução contendo 10,0% em massa de álcool, obtendo-se 100,0kg/h de destilado com 80,0% em massa de álcool. Desenhe o fluxograma, determinando a vazão de vinhaça (produto de fundo), sua composição, e a quantidade percentual de álcool perdido no processo de recuperação do álcool. Questão 11
Questão 12 – Deseja-se separar por destilação uma mistura F cuja composição (xF%) é:
a = 50,0%; b = 30,0%; c = 20,0% O destilado (ou produto de topo) deve ter uma razão em quantidade de matéria destilado/carga (D/F) = 0,60 e uma composição (xD %) igual a: a=80,0%; b = 18,0%; c=2,0%. Determine: 1) a razão de quantidade de matéria resíduo/carga (B/F); 2) a composição xB % do resíduo B; 3) a recuperação do componente a no destilado (D) e a do c no resíduo (B) Questão 13 – Uma
torre de absorção deverá ser dimensionada para absorver 95,0% da acetona presente em uma mistura gasosa, cuja composição (xi%) é: ar = 80,0%; acetona = 20,0%. A acetona será absorvida por contato em contracorrente com água pura, gerando uma solução aquosa com vazão mássica de 100,0 kg/h, contendo 10,0% de acetona em massa. Calcule: a) a vazão mássica da mistura gasosa a ser alimentada na torre; b) a composição do gás efluente da torre. Observação: desprezar a solubilidade da acetona no ar e na água. - 1300,0 kg/h de uma mistura de benzeno (C6H6) e tolueno (C7H8) que contém 40,0% em massa de benzeno são separados em uma coluna de destilação em duas frações. A vazão mássica de benzeno na corrente de saída do topo é 465 kg B / h e para o tolueno na corrente de saída do fundo é 485 kg T / h. A operação se desenvolve em regime permanente. a) desenhe o fluxograma do processo; b) calcule a composição molar da alimentação; c) Monte os balanços de massa global e para cada componente; d) Calcular as vazões e composições não conhecidas e) Qual destes componentes apresenta maior ponto de ebulição? f) Qual a porcentagem de remoção de benzeno no topo? Questão 14
Questão 15 – Uma
mistura binária de etano e propano de 100,0 kg/h, com 40,0% de etano em massa, deve ser destilada com o objetivo de recuperar 95,0% do etano no destilado e 90,0% do propano no resíduo. a) Qual a composição molar da corrente de entrada? b) Desenhe o fluxograma de processo; c) Classifique o processo; d) Qual deverá ser a composição (xi %) do destilado e do resíduo.
PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ - CCET Professor Emerson Martim Fundamentos de Processos Um tanque cristalizador contém 10000,0 kg de uma solução saturada de sacarose a 60°C. A esta temperatura, a solubilidade de sacarose é de 287,6 kg / 100 kg água. Deseja-se cristalizar 2000 kg desta solução. Qual a solubilidade da solução após a cristalização? Qual a composição da solução de saída do cristalizador? Questão 16 -
Questão 17 -
A solubilidade de Ba(NO3)2 a 100°C é 34g/100g de H2O e a 0°C é 5g/100g
de H2O. a) Se você partir de 100,0g de Ba (NO3)2 e formar uma solução saturada em água a 100°C, qual será a quantidade de água necessária? b) Se esta solução for arrefecida (resfriada) a 0°C, qual será a quantidade de Ba(NO3)2 que será precipitada da solução? a) Qual a composição da solução retirada do processo? b) Desenhe o fluxograma do processo com todos as informações disponíveis.
– Em um extrator de cana-de-açúcar entra cana triturada e água e sai bagaço lavado e uma solução rica em açúcares (15,0% de sólidos solúveis). O extrator tem capacidade para processar 1000,0 kg/h de cana e dispõe de alguns dados sobre a composição das correntes de entrada e saída. Considerando que se consegue extrair 90,0% dos sólidos solúveis de cana e que toda fibra sai no bagaço, calcule a vazão de água necessária para a extração. Questão 18
Cana triturada 70% água 15% sólidos solúveis 15% fibras
Bagaço úmido 93% umidade 10% dos sólidos originais 100% das fibras originais
Questão 19 – Deseja-se
secar 100,0 kg/h de um vegetal que contém 85,0% de umidade em um secador, no qual entra ar quente com umidade de 0,010 kg de água / kg ar seco, e saindo do secador com umidade 0,040 kg H2O / kg ar seco. A vazão do ar seco é 2500,0 kg/h. Calcule: a) a produção horária de produto seco; b) a umidade do produto seco. Questão 20 – 1000,0
lbm de cenoura picada é desidratada em um secador de fluxo paralelo, de 85,0 a 25,0% de umidade. Ar com umidade de 0,013 lbm de água / lbm de ar seco entra no secador, com uma razão de 400,0 lbm de ar seco / lbm de sólido seco. Qual a umidade do ar que deixa o secador? Desenhe o fluxograma do processo. – Represente num fluxograma um by-pass, um reciclo, uma carga combinada, uma purga e duas unidades de processo. Apresente os volumes de controle no fluxograma. Questão 21
O fluxograma de um processo de destilação contínua em estado estacionário é mostrado abaixo. Cada corrente contém 2 componentes, chamados de A e B em diferentes proporções. Questão 22 -
PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ - CCET Professor Emerson Martim Fundamentos de Processos a) Quantos volumes de controle e unidades de processo temos no processo? b) Apresente no fluxograma as correntes desconhecidas. c) Calcule as vazões e composições das correntes desconhecidas. 40,0 kg / h 20,0kg / h 0,86 kg A / kg 0,40kgA / kg 0,14 kg B / kg 0,60kgB / kg 100,0 kg / h 0,70 kg A / kg 30,0 kg / h 0,30 kg B / kg 0,31 kg A / kg 0,69 kg B / kg
Para produzir leite condensado açucarado (composição abaixo) faz-se a concentração do leite (composição abaixo) em um evaporador, adicionando-se em seguida um xarope com 65,0% de sacarose em um misturador. Para a produção de 10,00 kg/h de leite condensado. Questão 23 -
a) Desenhe o fluxograma do processo, com todas correntes e composições e volumes de controle; b) Classifique o processo, em relação às variáveis de entrada e em relação ao tempo; c) Calcule a quantidade de leite utilizado; d) Calcule a quantidade de xarope; e) Calcule a quantidade de água evaporada; Composição do leite (% em massa) -água 87% -sólidos Proteínas 3,3% Gordura 3,8% Lactose 4,8% Sais minerais 0,8% Outros 0,3% Total 100% Questão 24 :
Composição do leite condensado (% em massa) -água 35% -sacarose 41% -sólidos no leite 24%
Total
100%
O fluxograma de um processo para recuperação de cromato de potássio (K 2CrO4) a partir de uma solução aquosa deste sal é mostrada no fluxograma a seguir. 3200,0 kg/h de uma solução com 30,0% de K 2CrO4 em massa é combinada com uma corrente de reciclo contendo 36,36% de K 2CrO4 em massa. A corrente formada pela junção das duas correntes anteriores é alimentada ao evaporador. A corrente concentrada que deixa o evaporador contém 47,0% de K 2CrO4 em massa. Esta corrente é alimentada ao cristalizador, na qual é resfriada (formando cristais de K 2CrO4) e então filtrada. A torta de
PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ - CCET Professor Emerson Martim Fundamentos de Processos filtro contém cristais de K 2CrO4 e uma solução (que umedece a torta) que contém 36,36% de K 2CrO4 em massa; os cristais são responsáveis por 95% da massa total da torta. A solução que passa através do filtro também tem 36,36% K 2CrO4 em massa e constitui-se na corrente de reciclo. Calcular todas as vazões e composições com que o evaporador e o cristalizador devem ser projetados. H2O evaporador 3200,0 kg/h 30,0% K 2CrO4
47,0% K 2CrO4
Cristalizador torta cristais sólidos(95,0% massa) e filtro sol. K 2CrO4 36,36% (5% massa)
filtrado 36,36% K 2CrO4 solução
- Desenhe um único fluxograma de processo em que estejam apresentados claramente os seguintes itens: a) 2 unidades de processos; b) 12 volumes de controle; c) 1 alimentação combinada d) 2 alimentações novas; e) 1 by-pass; f) 1 reciclo; g) 1 purga. Questão 25
– Alimenta-se um processo numa corrente 1, a uma vazão Q1, temperatura T1, contendo 3 componentes: A, B e inerte, com frações mássicas xA1, xB1 e xI1’, respectivamente. Esta corrente é unida a uma corrente de reciclo, formando uma corrente 2. Esta corrente 2 entra num reator químico, onde ocorre uma reação A + B → C. A taxa de reação medida experimentalmente apresenta a seguinte forma: r A = - k 1 CA CB1,5. A corrente que sai do reator (corrente 3), é enviada a um evaporador, onde o produto C da reação, por ser mais volátil sai pelo topo do evaporador, em uma corrente 4. Os demais componentes, saem pelo fundo do evaporador, na corrente 5. Nesta corrente 5, há uma purga que separa o inerte, e 20% de cada reagente que não reagiu. Esta purga forma a corrente 6, que é retirada do processo. Os demais 80% de cada reagente não reagido formam a corrente de reciclo, que se une à corrente 1, formando a corrente 2. Questão 26
Desenhe o fluxograma de processo, mostrando claramente todas as variáveis de processo. Em todas as correntes, deve-se apresentar as variáveis de processo. Exemplo: na corrente de entrada 1, apresentar Q1, T1 e as frações mássicas dos componentes desta a)
PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ - CCET Professor Emerson Martim Fundamentos de Processos corrente. Isso deve ser feito para todas as correntes. Não se esqueça da forma correta de representação das variáveis de processo em um fluxograma. c) Mostre claramente no fluxograma as unidades de processo, a alimentação nova, a alimentação combinada, a purga e o reciclo. d) Quantos são os volumes de controle? Mostre claramente cada um deles no fluxograma. Questão 27-
3500,0 kg/h de uma solução com 30,0% de K 2CrO4 em massa alimenta um evaporador. A corrente concentrada que deixa o evaporador contém 47,0% de K 2CrO4 em massa. Esta corrente é alimentada ao cristalizador, na qual é resfriada, formando cristais de K 2CrO4. A torta de filtro contém cristais de K 2CrO4 e uma solução (que umedece a torta) que contém 36,36% de K 2CrO4 em massa; os cristais são responsáveis por 95% da massa total da torta. A solução que passa através do filtro também tem 36,36% K 2CrO4 em massa alimenta um tanque de armazenamento desta solução. a)Desenhar o fluxograma do processo com todas as informações disponíveis; b) Calcular todas as vazões e composições com que o evaporador e o cristalizador devem ser projetados. – Em um processo para a produção de NaNO3, um reator produz 100,0 ton/h de uma solução do sal a 40,0% em massa e água. A solução inicialmente é concentrada por evaporação até a saturação a 100°C. É então resfriada a 20°C para a cristalização. Os cristais são separados da solução-mãe por filtração e deixam o filtro com umidade de 20% em essa de solução. Os cristais são secos em um secador rotativo até 1,0% de umidade e vendidos. Desenhar o fluxograma e calcular todas as vazões e composições. Questão 28
Dados de solubilidade do NaNO3: 100°C: 1,76 kg NaNO3 / kg água 20°C 0,88 kg NaNO3 / kg água
Balanço de massa com reação química
PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ - CCET Professor Emerson Martim Fundamentos de Processos Questão 1 – Uma
fábrica de fertilizantes produz o fertilizante superfosfatado, tratando fosfato de cálcio com 92% de pureza pelo H2SO4 concentrado, pela reação: Ca3(PO4)2 + H2SO4 → CaSO4 + CaH4(PO4)2 Em um teste realizado, foram misturados 500,0 kg de fosfato de cálcio com 260,0 kg de H2SO4, obtendo 280,0 kg de superfosfato CaH4(PO4)2 . Calcule: a) o reagente limitante; b) a porcentagem em excesso do reagente; c) a conversão da reação; d) a porcentagem de conversão de fosfato em superfosfato. - Hexano (C6H14) sofre combustão total. 1500 kg-mols/h de uma corrente de alimentação composta de 25% de C6H14, 45% de O2, 20% de CO2 e o restante de N2 são alimentadas ao reator, no qual se obtém uma conversão de 87%. a) Apresente o fluxograma do processo, justificando a presença de cada componente em cada corrente. b) Determine o reagente limitante. c) Determine a porcentagem de excesso do reagente em excesso. d) Calcule a vazão molar da corrente de produto. e) Calcule a composição molar da corrente de produto. Questão 2
Questão 3: Acrilonitrila (C3H3 N)
é produzida pela reação de propileno, amônia e oxigênio: C3H6 + NH3 + O2 → C3H3 N + H2O A alimentação mássica contém 18% de propileno, 24% de amônia e o restante de ar. a) construa o fluxograma do processo, justificando a presença de cada componente em cada corrente. b) Calcule a composição molar da corrente de entrada do reator. e) Qual é o reagente limitante? f) Quais os reagentes em excesso? Qual a porcentagem em excesso de cada um deles? g) Calcule os kg-moles de C3H3 N produzidos por kg-mol de NH3 alimentado para uma conversão de 30,0% do reagente limitante. – SO2 é queimado a SO3 com 100% de excesso de ar e conversão de 65%. Para uma vazão de 100,0 kg/h de SO3 produzidos, calcular as vazões dos reagentes e dos produtos em kg-mol/h e kg/h. Questão 4
Questão 5 – Formaldeído é produzido pela oxidação parcial do metanol:
CH3OH + ½ O2
→
CH2O + H2O
O reator opera com ar atmosférico. O metanol é completamente convertido a formaldeído no reator catalítico utilizando-se um excesso de 80% de O2. Desenvolver um balanço na unidade para uma produção de 100,0 ton/h de produto, com 70% de água e 30% de formaldeído em massa. Considerar 100% de eficiência na absorção e que não há evaporação de água na coluna de absorção.
PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ - CCET Professor Emerson Martim Fundamentos de Processos Questão 6 – 150,0 kg/h de C8H18 reage com 55,0% de ar em excesso, numa reação de
combustão total, com conversão de 68,5%. a) Determine o O2 teórico; b) Determine o ar teórico; c) Determine a vazão e composição molar da corrente de entrada do reator. d) Calcule a composição molar da corrente de saída do reator. Questão 7-
Diferencie conversão global de conversão por passe. Diferencie combustão completa de combustão parcial. Diferencie base seca de base úmida. Qual o procedimento para transformar uma base úmida em base seca? - Na produção de óxido de etileno a partir de etileno (C2H4 + O2→ C2H4O) uma mistura de etileno e ar constituem a alimentação nova do processo. O efluente do reator passa por um absorvedor e entra em contato com um solvente líquido. Todo o óxido de etileno é absorvido pelo solvente. A corrente de gás de saída do absorvedor, que contém o inerte e o oxigênio e etileno não reagido, é reciclado ao reator. Há uma purga nesta corrente de saída do absorvedor, que retira todo inerte que entrou no processo, além de 20,0% da vazão molar de C2H4 e 20,0% da vazão de O2 que saíram do absorvedor. A conversão global da reação é de 50,0%. Na alimentação nova têm-se 60,0 moles C2H4/s e 530,0 mols ar / s. Questão 8
Q5
Q6 Q4
Q1
Q2
Q3 Reator
Q7 Absorvedor Q8
Montar os balanços de massa para este processo contínuo em regime permanente, calculando todas as correntes e suas respectivas composições molares. - Metanol pode ser produzido a partir da seguinte reação: CO2 + H2 → CH3OH+ H2O. A alimentação nova (Q1) do processo contém CO2, H2 e inerte. O efluente do reator passa por um condensador que remove essencialmente todo o metanol e água formada e nenhum dos reagentes ou inertes. Estas substâncias são recicladas ao reator. Uma purga é realizada de forma a evitar que o inerte volte a alimentação. A alimentação do reator (Q2) contém 28% molar de CO2, 70,0 % molar de H2; 2,00 molar % de inertes. A conversão por passe de H2 no reator é de 60,0%. Tomar como base de cálculo 100 mol/s para a alimentação combinada(Q2). Questão 9
PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ - CCET Professor Emerson Martim Fundamentos de Processos Montar os balanços de massa para este processo contínuo em regime permanente, calculando todas as correntes e suas respectivas composições. O fluxograma do processo está representado a seguir. Q5 Q6 Q4 Q1
Q2
Q3 Reator
Q7 Condensador Q8
- Pentano (C5H12) é desidrogenado para formar penteno (C5H10) em um reator catalítico C5H12 → C5H10 + H2. A alimentação é composta por 90,5% de pentano e o restante de inerte (N2) em massa. O processo é projetado para uma conversão global de 97,5% do pentano. Os produtos de reação são separados em duas correntes: a primeira contém o inerte, H2, C5H10 e 0,43% do pentano que deixa o reator, e é assumida como produto. A segunda corrente, que contém o restante do pentano não reagido e 5,0% de penteno que sai na corrente de produto, é reciclada no reator. Questão 10
a) b) c) d) e)
Desenhe o fluxograma de processo; Calcule a composição molar da corrente de entrada; Calcule a composição do produto; calcule a relação mols reciclado / mols da alimentação nova; calcule a conversão por passe.
Questão 11 – As reações :
C2H6 → C2H4 + H2 C2H6 + H2 → 2 CH4 desenvolvem-se em um reator contínuo em estado estacionário. A vazão molar de alimentação é 124,0 kg-moles/h. A composição dos gases é dada pela tabela a seguir: Alimentação (% molar) Produto (% molar)
C2H6 75,6 20,3
C2H4
H2
CH4
29,6
19,8
9,6
inertes 24,4 Restante
Construa o fluxograma do processo. Calcule a conversão do etano, os rendimentos do eteno, baseados na alimentação e no consumo de reagente. Calcule também a seletividade a eteno relativa ao metano e relativa a todos os produtos. Questão 12
– Propano é desidrogenado para formar propeno em um reator catalítico:
PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ - CCET Professor Emerson Martim Fundamentos de Processos C3H8 → C3H6 + H2. O processo é projetado para uma conversão global de 89% do propano. Os produtos de reação são separados em duas correntes: a primeira contém H2, C3H6 e 0,378% do propano que deixa o reator é assumida como produto; a segunda, que contém o restante do propano não reagido e 7% de propeno que sai na corrente de produto, é reciclado no reator. Calcule a composição do produto, a relação (moles reciclado/moles da alimentação nova), e a conversão por passe. Questão 13-
Uma análise de Orsat (técnica comum para analisar os gases de combustão) fornece a seguinte composição em base seca: N2 = 55,0%; CO2 = 34,0%; CO = 10,0% e restante O2. Um medidor de umidade indica que a fração molar de água nos gases é de 0,05. Calcule a composição do ar em base úmida. – Uma mistura gasosa contém 60,0% de N2; 15,0% de CO2; 10,0% de O2 e o restante água. Calcule a composição deste gás em base seca. Questão 14
