OPERAÇÕES UNITÁRIAS II

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1 COLÉGIO META OPERAÇÕES UNITÁRIAS II Prof. ABEL SCUPELITI ARTILHEIRO SÃO PAULO 2012

2 1 OPERAÇÕES UNITÁRIAS II BALANÇO MATERIAL O Balanço Material é utilizado para projetos e análises de equipamentos de novas plantas industriais e otimização dos mesmos. CONCEITOS BÁSICOS Vazão Volumétrica: volume / tempo Vazão mássica: massa / tempo Fração mássica: x i fração de massa no processo O Balanço Material é baseado na Lei da Conservação das massas, ou seja, a massa total que entra no processo é igual à massa total que sai do sistema. Balanço Total: é o balanço material que considera todas as substâncias que entram ou que saem de um sistema. Balanço Parcial ou Individual: é o balanço material que considera apenas uma determinada substância que entra ou que sai do sistema. Balanço Total: A = B + C 1000 = C C = 400 kg Balanço Individual: água 0,4 A = 0,1 B + 0,85 C 400 = ,85C C = 400 kg álcool 0,6 A = 0,9 B + 0,15 C 600 = ,15C C = 400 kg

3 2 EXEMPLO 1: Alimenta-se uma coluna de destilação com 1000 kg/h de uma solução de água e etanol contendo 10% de etanol em peso, obtendo-se 100 kg/h de destilado com 80% em peso de álcool. Determinar: a) a vazão da mistura do resíduo; b) a composição do resíduo; c) a % de álcool perdido no processo. a) Balanço Total: A = B + C 1000 = C C = 900 kg/h b) Balanço Individual: água 0,9 A = 0,2 B + y 900 = 20 + y y = 880 kg/h água C = y + z 900 = z z = 20 kg/h álcool c) 100 kg/h álcool - 100% 20 kg/h álcool - X X = 20% EXEMPLO 2: A soja contém 18% óleo, 12% de umidade e o restante são sólidos. Num processo de prensagem de 100 kg de soja consegue-se extrair 80% do óleo original. Baseando-se nestes dados, determine: a) a fração mássica de óleo na torta; b) a fração mássica de sólidos na torta em base úmida; c) a fração mássica de sólidos na torta em base seca; d) a % de óleo perdido no processo.

4 3 a) Em A têm-se ,18 = 18 kg de óleo, ,12 = 12kg de umidade e ,70 = 70 kg de sólidos. Em B, têm-se 0,8. 18 = 14,4 kg de óleo. Então na torta em C, têm-se: 18 14,4 = 3,6 kg de óleo. Como em B obteve-se apenas a extração do óleo, todos sólidos e umidade do grão em A vai para C. Em C têm-se: 3,6 kg de óleo, 12 kg de umidade e 70 kg de sólidos. Em C, a massa total é: 3, = 85,6 kg. Em C: 85,6 kg - 100% 3,6 kg - X X = 4,2% ou 0,042 de óleo na torta b) Em base úmida, considera-se no cálculo a presença de água. Dessa forma: 85,6 kg - 100% 70 kg - Y Y = 81,8% ou 0,818 de sólidos na torta em base úmida c) Em base seca, desconsidera-se no cálculo a presença de água. Dessa forma: óleo + sólidos = 100%, ou seja, 3, = 73,6 kg = 100% da torta. 73,6 kg - 100% 70 kg - Y Y = 95,1% ou 0,951 de sólidos na torta em base seca d) Para saber a % de óleo perdido no processo é necessário que o balanço individual do óleo seja feito. Dessa forma, em C perdeu-se 3,6 kg de óleo. A quantidade de óleo presente no grão no início do processo é de 18 kg, então: 18 kg - 100% 3,6 kg - Z Z = 20% de óleo perdido no processo EXEMPLO 3: Um fluxograma mostra o processo contínuo de destilação de uma mistura de solventes X e Y. A partir do fluxograma, responda:

5 4 a) Qual é a vazão total de solvente em C e E? b) Qual é a vazão de solvente X e Y em C? c) Qual é a fração mássica de X e Y em D? a) A = B + C 100 = 40 + C C = 60 kg/h A = B + D + E 100 = E E = 30 kg/h b) Cálculo de X em C 0,5 A = 0,9 B + X 50 = 36 + X X = 14 kg/h Cálculo de Y em C X + Y = Y = 60 Y = 46 kg/h c) E = 30 kg/h X = 0,1. 30 = 3 kg/h y = 0,9. 30 = 27 kg/h C = D + E, a partir disso: 14 = 3 + X X = 11 kg/h em D 46 = 27 + Y Y = 19 kg/h em D Em D: 30 kg/h - 100% 11 kg/h - X X = 36,7% ou seja 0,367 Em D: Y = ,7 = 63,3% ou seja 0,633 EXEMPLO 4: Hidróxido de magnésio reage com ácido sulfúrico gerando sulfato de magnésio e água. Quantos mols de ácido sulfúrico podem ser neutralizados por 3,5 g de hidróxido de magnésio? Dados: Massa Molar: Mg = 24 g/mol, O = 16 g/mol, H = 1 g/mol, Cl = 35,5 g/mol. 1 Mg(OH) H 2 SO 4 1 MgSO H 2 O 1 mol de Mg(OH) 2-58 g X - 3,5 g X = 0,06 mols de Mg(OH) 2 1 mol de Mg(OH) 2 neutraliza 1 mol H 2 SO 4 0,06 mols de Mg(OH) 2 - Y Y = 0,06 mols de H 2 SO 4 EXEMPLO 5: Uma da maneiras de impedir que o SO 2 seja liberado para a atmosfera é tratá-lo previamente com óxido de magnésio em presença de oxigênio como mostra a reação a seguir: MgO + SO 2 + O 2 MgSO 4 Dados: Massa Molar: Mg = 24 g/mol, O = 16 g/mol, S = 32 g/mol a) Apresente a equação balanceada; b) Qual é a massa de óxido de magnésio que é consumida no tratamento de 960 kg de SO 2? a) 1 MgO + 1 SO 2 + ½ O 2 1 MgSO 4

6 5 b) 1 mol de SO 2-64 g X g X = mols de SO 2 1 mol de SO 2 reage com 1 mol MgO mols de SO 2 - Y Y = mols de MgO 1 mol de MgO - 40 g mols de MgO - Z Z = g de MgO ou seja 600 kg

7 6 EXERCÍCIOS LISTA 1 1) 1000 kg/h de uma mistura de benzeno e tolueno, que contém 50% de benzeno em peso, são separadas por destilação. A vazão de benzeno no topo da coluna é de 450 kg/h e a de tolueno na base é de 475 kg/h. Considere a operação em regime permanente e determine as vazões e composições das correntes de saída. 2) Uma solução aquosa (20 kg/min) contendo 10% de ácido acético é adicionada a uma solução aquosa contendo 30% de ácido acético. O produto desta mistura sai com uma vazão de 100 kg/min. Calcule todas as variáveis desconhecidas. 3) Uma unidade industrial de verniz tem que entregar kg de uma solução de nitrocelulose a 8%. Eles têm em estoque uma solução a 5,5 %. Quanto de nitrocelulose seca (pura) deve ser dissolvido na solução para atender ao pedido? 4) Para preparar uma solução de 50% de ácido sulfúrico, um rejeito diluído contendo 28% de H 2 SO 4 é reforçado com um ácido comprado contendo 95% de H 2 SO 4. Quantos quilogramas do ácido devem ser comprados para cada 100 kg de ácido diluído? 5) Um material sólido contém 30% de umidade. Após secagem num secador industrial, 3 t de sólido inicial perdeu 400 kg por evaporação da umidade. Calcule: a) a % de umidade em base seca do sólido inicial b) a % de umidade em base úmida do sólido final c) a % de umidade em base seca do sólido final d) a percentagem de remoção de água no secador 6) Uma solução aquosa (A=2.000 kg/h) é alimentada num evaporador, onde é concentrada em regime contínuo. A composição de A é: NaCl=10% e KCl=15%. A vazão da corrente B de vapor de água saindo da chaminé de exaustão é 540 kg/h e a corrente de solução concentrada C é retirada do evaporador pelo fundo do equipamento. Determinar: a) a composição mássica da corrente C b) a percentagem de remoção de água no evaporador c) a quantidade de água na corrente C em lb/h

8 7 EXERCÍCIOS LISTA 2 1) Um fluxograma mostra o processo resumido da fabricação de uma dispersão de pigmento. A partir da análise do fluxograma, calcule: a) O valor de B; b) A quantidade de dispersante, resina e umectante que entram no processo em B; c) A fração mássica de dispersante, resina, umectante, solvente e pigmento que sai do processo em F. d) A massa total da dispersão que sai em D. 2) Um processo de recuperação de acetona pode ser descrito conforme o fluxograma a seguir. Em A, entram no processo, 10 kg de acetona mais ar até que em E consegue-se obter acetona quase pura. A partir disso, calcule: a) o valor da corrente A; b) a quantidade em massa de ar que sai pela corrente C; c) a fração mássica de água e acetona na corrente D. d) a quantidade em massa de água e acetona que saem pela corrente E;

9 8 3) Um fluxograma simplificado para a fabricação de açúcar é apresentado na figura a seguir. A cana de açúcar (em A) alimenta um moinho onde o xarope é extraído e o bagaço resultante contém 80% de polpa. O xarope (C) contém pedaços de polpa finamente divididos e é alimentado numa peneira que remove a polpa e produz um xarope líquido (E) contendo 15% de açúcar e 85% de água. O evaporador prepara um xarope pesado e o cristalizador produz somente 1000 kg de cristais de açúcar. A partir disso, calcule: a) A quantidade de água removida no evaporador; b) A quantidade de cana que entrou no processo; c) As frações mássica de todos os componentes na corrente B; d) A quantidade (em %) de açúcar que é perdido no processo.

10 9 EXERCÍCIOS LISTA 3 1) A corrosão de um metal é a sua destruição ou deterioração, devida à reação com o meio ambiente. O enferrujamento é o nome dado à corrosão do ferro e pode ser representado pela seguinte reação: Fe (s) + O 2(g) Fe 2 O 3(s) ferro. Determine a massa de ferrugem (óxido férrico) que se forma quando é atacado 1 g de 2) Duas das reações que ocorrem na produção do ferro são representadas por: 2C (s) + O 2(g) 2CO (g) Fe 2 O 3(s) + 3CO (g) 2Fe (s) + 3CO 2(g) O monóxido de carbono formado na primeira reação é consumido na segunda. Considerando apenas estas duas etapas do processo, calcule a massa aproximada, em kg, de carvão consumido na produção de 100 kg de ferro. 3) Uma das técnicas da produção de KmnO 4 requer duas reações características. Na primeira, o MnO 2 é convertido a K 2 MnO 4 por reação com KOH fundido na presença de O 2 : MnO 2 + KOH + O 2 K 2 MnO 4 + H 2 O Na segunda, K 2 MnO 4 é convertido a KMnO 4 por reação com o Cl 2 : K 2 MnO 4 + Cl 2 KMnO 4 + KCl Qual a massa de Cl 2 necessária para produzir o KMnO 4, partindo-se de 10,0 g de MnO 2? 4) Queimando-se 30 g de carbono puro, com rendimento de 90%, qual a massa de dióxido de carbono obtida? 5) O carbonato de bário (BaCO 3 ) reage com ácido nítrico (HNO 3 ), produzindo 132,00 g de gás carbônico (CO 2 ). Para esta produção de gás, calcular: a) massa de HNO 3 necessária b) massa de BaCO 3 necessária c) o número de mols de cada reagente. 6) Calcular as massas de alumínio (Al) e de ácido clorídrico (HCl) necessárias para a redução de 500 g de óxido cúprico (CuO) a cobre metálico (Cu). Reações: 2Al+6HCl 2AlCl 3 +3H 2 (1) CuO+H 2 Cu+H 2 O (2)

11 10 7) Certa massa de nitrato de cobre (Cu(NO 3 ) 2 ) foi calcinada, em ambiente aberto, até restar um resíduo sólido, preto e com massa constante. Sabendo-se que restaram 18,4 g de dióxido de nitrogênio (NO 2 ), calcular a massa de nitrato de cobre inicial. 8) Hidróxido de sódio reage com o ácido sulfúrico formando Sulfato de Sódio e água. Sabendo-se que a pureza do NaCl é igual a 90% e que o Sulfato de Sódio apresenta 80% de pureza, calcular a massa de Na 2 SO 4 obtida a partir de 100 kg de NaCl impuro.