BALANÇO DE MASSA E ENERGIA EM PROCESSOS QUÍMICOS LISTA DE EXERCÍCIOS CORRESPONDENTES ÀS AULAS 2 E 3

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1 BALANÇO DE MASSA E ENERGIA EM PROCESSOS QUÍMICOS LISTA DE EXERCÍCIOS CORRESPONDENTES ÀS AULAS 2 E 3

2 Pág. 2/6 4. Trezentos galões americanos de uma mistura contendo 75,0% em massa de etanol e 25% de água (densidade relativa da mistura 0,877) e uma quantidade de uma mistura 40,0% em massa de etanol e 60% de água (densidade relativa 0,952) são misturados para produzir uma mistura 60% em massa de etanol. a) Desenhe e rotule o fluxograma do processo e faça uma análise dos graus de liberdade. b) Calcule o volume requerido da mistura de 40%. (Resposta: 207 gal) 5. (Exercício 2.17, G.V. Reklaitis, 1ª. Ed.) Uma suspensão aquosa contendo CaCO 3 sólido e NaOH dissolvido é lavada com massa igual de uma solução aquosa diluída contendo 5% em massa de NaOH. A corrente lavada retirada da unidade contém 2 lb de solução aquosa por libra de CaCO 3 sólido. Pode-se admitir que a solução clarificada possui a mesma composição de NaOH dissolvido que a solução livre de sólidos retirada com o CaCO 3 na corrente lavada que deixa a unidade (cf. figura a seguir). Se a suspensão alimentada contém frações mássicas idênticas de todos os componentes, calcular a composição da solução clarificada. (Resposta: fração mássica de NaOH na solução clarificada igual a 0,23) 6. Exercício 4.16, R. M. Felder e R. W. Rousseau, 3ª Ed. (Resposta: item b, 2,96 L solução 20%/L solução 60%; item c, 257 L/h) 7. Na figura a seguir aparece um fluxograma rotulado de um processo contínuo no estado estacionário contendo duas unidades. Cada corrente contém dois componentes, A e B, em diferentes proporções. Três correntes cujas vazões e/ou composições não são conhecidas são rotuladas 1,2 e 3. Realize a análise de graus de liberdade completa para o processo e calcule as vazões e composições desconhecidas das correntes 1, 2 e 3. (Resposta: w A,2 =0,255 kg A/kg)

3 Pág. 3/6 8. (Exercício 2.21, G.V. Reklaitis, 1ª. Ed.) Uma suspensão consistindo de TiO 2 sólido em uma solução aquosa salina deve ser lavada em uma unidade composta de três estágios, como apresentado na figura a seguir. São alimentadas à unidade 1000 lb/h de uma suspensão contendo 20% de TiO 2, 30% de sal e o restante água (% mássicas). Calcular a vazão de água de lavagem necessária em cada estágio. Admitir que: (i) (ii) (iii) 80% do sal alimentado a cada estágio saem na solução aquosa descartada. A unidade opera de modo que a suspensão de saída de cada estágio contém 1/3 de sólidos em base mássica. Em cada estágio, a concentração de sal na solução aquosa descartada é igual à concentração de sal na fase aquosa que deixa o estágio, carregada com os sólidos. (Resposta: vazões de água de lavagem: estágio I, 2000,3 lb/h; estágio II, 2400,24 lb/h; estágio III, 2400,24 lb/h) 9. Exercício 4.31, R. M. Felder e R. W. Rousseau, 3ª Ed. (Resposta: item c, fração molar de benzeno na corrente de fundo, 0,1; corrente de topo, 46 mol; corrente de fundo, 54 mol; recuperação de tolueno na corrente de fundo, 97%) 10. Exercício 4.35, R. M. Felder e R. W. Rousseau, 3ª Ed. (Resposta: item d, 0,976 mol CO2 absorvido/mol alimentação, 680,3 mol/h e 0,0478 mol CO2/mol; item e, 8, mol/h)

4 Pág. 4/6 11. No processo apresentado na figura a seguir, uma corrente contendo 30% de ácido acético (HAc), 0,2% H 2 SO 4 (e o restante, água) é tratada para produzir uma corrente de produto final contendo 99% de ácido acético e 1% de água. Todas as composições indicadas na figura são porcentagens em massa. O processo envolve uma etapa de extração do ácido acético empregando éter (E) como solvente. Nessa etapa, são geradas duas fases: uma fase éter rica em ácido acético e uma fase aquosa contendo pequenas quantidades de ácidos residuais e éter dissolvido. A fase rica em éter gerada na extração é destilada para separar o solvente e o ácido acético. A corrente rica em ácido acético resultante dessa destilação é destilada novamente para gerar o produto final; sabe-se que 67,5% do ácido acético alimentado a esta segunda coluna são recuperados na corrente de produto final. Admitir que 2,3 lb de solução aquosa de ácido acético são alimentadas ao processo por lb de solução aquosa de ácido reciclada a partir dessa coluna. O éter residual presente na fase aquosa gerada na extração é recuperado em uma operação de stripping, em uma coluna cuja corrente de fundo contendo 0,1% de éter é disposta como resíduo e destinada a tratamento antes de ser descartada. a) Realizar a análise de graus de liberdade completa para o problema (unidades, processo completo e balanços globais). b) Delinear uma estratégia de solução completa do problema, atualizando a análise de graus de liberdade a cada unidade resolvida. c) Resolver todas as correntes do processo, determinando suas vazões e composições. (Respostas: w HAc,2 =0,3091; w H2O,2 =0,6895; w E,3 =0,5928; w HAc,4 =0,002667; w H2O,4 =0,9247; w E,5 =0,988; w HAc,9 =0,002868; w H2O,9 =0,9933; w HAc,11 =0,33)

5 Pág. 5/6 12. O diagrama de fluxo de um processo em estado estacionário para recuperar cromato de potássio cristalino (K 2 CrO 4 ) de uma solução aquosa deste sal é apresentado na figura a seguir. Quatro mil e quinhentos quilogramas por hora de uma solução com 1/3 de K 2 CrO 4 em massa se juntam com uma corrente de reciclo contendo 36,4% de K 2 CrO 4 e a corrente combinada alimenta um evaporador. A corrente concentrada que deixa o evaporador contém 49,4% de K 2 CrO 4 ; esta corrente entra em um cristalizador, no qual é resfriada, causando a precipitação de cristais do sal, e em seguida, filtrada. A torta de filtro consiste em cristais de K 2 CrO 4 e uma solução que contém 36,4% de K 2 CrO 4 em massa; os cristais constituem 95% da massa total da torta. A solução que passa através do filtro, também contendo 36,4% de K 2 CrO 4, é a corrente de reciclo. a) Calcular a taxa de evaporação, a taxa de produção de K 2 CrO 4 cristalino, as taxas de alimentação para as quais o evaporador e o cristalizador devem ser projetados e a razão de reciclo (=massa de reciclo/massa de alimentação virgem). b) Suponha que o filtrado fosse descartado em vez de ser reciclado. Calcular a taxa de produção de cristais. Quais são os benefícios e os custos da reciclagem? (Resposta: item a: 2950,7 kg H 2 O/h, 1471,8 kg de cristais de K 2 CrO 4 /h, 10151,2 kg/h fornecidos ao evaporador, 7200,5 kg/h fornecidos ao cristalizador, razão de reciclo, 1,26 kg de reciclo/kg alimentação virgem; item b: 621,2 kg de cristais de K 2 CrO 4 /h) 13. (Exercício 2.24, G.V. Reklaitis, 1ª. Ed.) O sistema de purificação com reciclo esquematizado na figura a seguir é usado para recuperar o solvente DMF a partir de uma corrente gasosa contendo 55% de DMF em ar (% em massa). O ar que deixa a unidade de purificação deve conter somente 10% de DMF. Calcular a fração de reciclo (vazão da corrente de reciclo/vazão da corrente de saída da unidade de purificação), admitindo que a unidade remova 2/3 do DMF na corrente combinada alimentada à unidade. (Resposta: fração de reciclo, 0,8)

6 Pág. 6/6 14. (Exercício 2.29, G.V. Reklaitis, 1ª. Ed.) Sementes de algodão são processadas em uma indústria, a fim de produzir óleo e farelo. Uma análise das sementes indica 4% casca, 10% de fibra, 37% de farelo e 49% de óleo (% em massa). A separação do óleo do farelo é realizada geralmente por meio de extração com solvente (cf. figura a seguir). Na etapa de extração, cerca de 2 lb de solvente (hexano) são utilizadas para cada lb de sementes limpas alimentadas ao extrator. Para cada tonelada de sementes processadas, determinar as quantidades de óleo e de farelo livre de óleo produzidos, bem como a quantidade de hexano que deve ser reciclada através da unidade de extração. (Resposta: óleo, 490 kg; farelo, 371,86 kg; reciclo de hexano, 1718,14 kg) 15. Exercício 4.31, R. M. Felder e R. W. Rousseau, 3ª Ed. (Resposta: item c: fração molar de benzeno na corrente de fundo, 0,1; corrente de topo, 46 mol; corrente de fundo, 54 mol; recuperação de tolueno na corrente de fundo, 97%) 16. Exercício 4.24, R. M. Felder e R. W. Rousseau, 3ª Ed. (Resposta item a: 55,6 kgmol/min; item b: 8,33 m/s e 1,08 m) Bibliografia Reklaitis, G.V. Introduction to Material and Energy Balances. J. Wiley, New York, p. Felder, R.M., Rousseau, R.W. Princípios Elementares dos Processos Químicos. Trad. da 3ª. Ed. Editora LTC, Rio de Janeiro, p.