Faculdade de Engenharia Química (FEQUI) Operações Unitárias 2 2ª Lista de Exercícios (parte A) Profº Carlos Henrique Ataíde (julho de 2013)

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1 Faculdade de Engenharia Química (FEQUI) Operações Unitárias 2 2ª Lista de Exercícios (parte A) Profº Carlos Henrique Ataíde (julho de 2013) 1) Concurso Petrobras: Engenheiro de Processamento Junior (questão 42 de 2011). A figura abaixo representa um flash adiabático de uma mistura líquida que passa por uma válvula de controle de pressão do vaso para garantir vaporização parcial da mistura. Considerando-se que a válvula está muito próxima ao vaso e desprezando-se a perda de carga na tubulação, é INCORRETO afirmar que a(o) (A) temperatura após a válvula será sempre inferior à temperatura antes da válvula. (B) razão V/L após a válvula será igual à razão V/L obtida na saída do vaso. (C) vazão de carga F, se aumentar, mantendo-se a pressão no vaso, mudará a razão V/L obtida anteriormente. (D) vapor será formado por expansão da mistura líquida que sai da válvula, quando essa mistura entra no vaso. (E) balanço de energia no sistema global é dado pela equação: FHF = VHV + LHL, desprezando-se a variação de energia cinética antes e após a válvula. 2) Concurso Petrobras: Químico de Petróleo Junior (questão 67 de 2010). Sobre a coluna de destilação representada na figura abaixo são feitas as afirmativas abaixo. I - O equipamento 2 é um refervedor que aquece e reinjeta parte do produto de cauda na coluna. II - O topo da coluna é o ponto de maior temperatura. III - Ao longo da torre, a mistura líquida se enriquece no componente mais volátil. IV - Os equipamentos 1 e 2 são equipamentos de troca térmica. São corretas APENAS as afirmativas (A) I e II. (B) I e IV. (C) III e IV. (D) I, II e III. (E) II, III e IV. 1

2 3) Uma mistura binária de A (mais volátil) e B é separada continuamente numa coluna de destilação de pratos instalada numa planta petroquímica. Uma estagiária de Engenharia Química andava desconfiada que a Razão de Refluxo oscilava bastante e, ansiosa para demonstrar conhecimento ao supervisor, a inquieta estudante dispara a seguinte pergunta: Qual a razão de refluxo operacional atual? O supervisor, também engenheiro químico, devolve a clássica resposta: bem observado mais eu é que lhe pergunto, como inferir (ou medir indiretamente) a razão de refluxo, considerando que a coluna não dispõe de um medidor de vazão na linha de reciclo? A estagiária, após consulta a literatura, apresenta o seguinte procedimento para avaliar a razão de refluxo: efetuar dois testes de destilação com a autorização do supervisor em condições distintas. Com a alimentação de 40% molar de A, na condição térmica de líquido saturado, retirar amostras das correntes de vapor e líquido de três estágios ideais sucessivos (ou vizinhos), localizados entre a alimentação e o condensador total (secção de enriquecimento), e avaliar a composição das fases via cromatografia. Os resultados das análises (frações molares) das fases (vapor e líquido ) determinados pela estagiária, nas duas condições, estão representados a seguir: (%) molar de A Teste 1 Teste 2 Estágio/prato vapor líquido vapor líquido n-1 79,5 68,0 75,0 68,0 n 74 60,0 68,0 60,5 n+1 67,9 51,0 60,5 53,0 Numeração dos estágios a partir do topo da coluna Qual deve ser o procedimento da estagiária para calcular a razão de refluxo e a composição do destilado para cada teste, assumindo, naturalmente, que a coluna tem mais de três estágios? Explicar a condição de funcionamento da coluna quando da execução do Teste 2? A composição do destilado no Teste 2 será MAIOR que a do Teste 1? Porque? Considerar refluxo saturado e os fluxos molares constantes nas secções da coluna. 4) Uma coluna de pratos deve ser projetada para destilar continuamente 450 lbmoles/h (204 kmoles/h) de uma mistura binária com 60% molar de benzeno e 40% molar de tolueno. O destilado líquido e produto de fundo, também líquido saturado, devem ter 95% molar e 5% molar de benzeno, respectivamente. A corrente de alimentação é pré-aquecida de tal forma que a porcentagem molar de vapor na alimentação é igual a razão entre as taxa molares de destilado (D) e de alimentação (F). Utilizando o método de McCabe-Thiele, assumindo que a coluna opera com uma pressão uniforme de 1,0 atm (101,3 kpa), calcular: a) o número mínimo de estágios de equilíbrio (N min) b) a razão mínima de refluxo ( R D ) min c) o número IDEAL de estágios para uma razão ( R ) = 1,3 ( R ) d) localização ótima do prato de alimentação (numeração a partir do topo) D op. D min 2

3 e) repetir item c dessa questão, para produzir destilado e produto de fundo com pureza de 99,9 e 0,10% molar, respectivamente, utilizando uma razão de refluxo de 1, Fração molar do benzeno no vapor, y A linha de 45 ou y=x Fração molar do benzeno no líquido, x A 5) Uma corrente de 1000 kmoles/h de uma mistura com 30% molar de n-hexano e 70% molar de n-octano é submetida à destilação numa coluna de estágios que dispõe de um estágio de equilíbrio, um refervedor parcial e um condensador parcial, todos esses dispositivos operando a 1,0 atm (101,3 kpa). O n-hexano é o componente mais volátil, a alimentação, à temperatura do ponto de bolha, é feita no reboiler e o refluxo na condição de líquido saturado retorna do condensador parcial para o prato de topo. O vapor destilado que vai para o condensador total, contém 80%, molar de hexano, e a razão de refluxo é igual a 2. Assumir que o reboiler, prato e condensador parcial são estágios de equilíbrio. Se a volatilidade relativa média α for igual a 5,0 (rigorosamente a volatilidade varia de 4,3 no reboiler a 6,0 no condensador), calcular: a. Utilizando o procedimento de McCabe-Thiele, a composição do produto de fundo da coluna e a taxa de destilado produzido em kmoles/h b. Analiticamente a composição do produto de fundo da coluna 6) Uma corrente de 100 kmoles/h de uma mistura líquida saturada (temperatura do ponto de bolha) com 12% molar de álcool etílico em água é destilada continuamente numa coluna que opera com injeção direta de vapor de água à 1,0 atm (abs.). Deseja-se um destilado com 85% molar de álcool, que representa 90% de recuperação do álcool 3

4 presente na alimentação. No topo da coluna tem-se razão de refluxo (líquido saturado) igual a 3,0. A corrente de alimentação é feita na localização ótima ou no estágio ótimo, segundo procedimento proposto por McCabe-Thiele. Os dados de equilíbrio são apresentados a seguir. Calcular: (a) A taxa molar de vapor de água requerida na operação de separação (b) O número teórico de estágios (c) O estágio de alimentação (posição ótima) (d) A razão mínima de refluxo fração molar de álcool etíllico no vapor (y*) fração molar de álcool etíllico no líquido ( x) 7) Uma mistura equimolar (benzeno e tolueno) à temperatura do ponto de bolha é continuamente destilada numa pequena coluna. O equipamento é constituído de uma serpentina de aquecimento instalada no fundo da coluna (utiliza vapor saturado de água como fluido térmico), um estágio ideal (prato perfurado com vertedouro) e um condensador total. A coluna opera à 101 kpa e foi projetada para produzir um destilado com 75% molar de benzeno. Assumir a volatilidade relativa média de 2,5. Para cada procedimento apresentado a seguir calcular se for possível, o número de moles de destilado (D) para 100 moles de alimentação (F). (a) (b) (c) (d) Alimentação do fundo da coluna sem refluxo Alimentação do fundo da coluna e razão de refluxo igual 3 (reciclo é líquido saturado). Alimentação no prato razão de refluxo igual 3 (reciclo é líquido saturado). Alimentação no prato razão de refluxo igual 3 (reciclo é líquido saturado). Neste caso o condensador é parcial. 4

5 (e) (f) Parte (b) usando razão de refluxo mínima. Parte (b) usando razão de refluxo total. 8) Concurso Petrobras: Engenheiro (a) de Processamento Junior (questão 43 de 2011). O gráfico y A versus x A, apresentado abaixo, mostra as retas de operação usadas na montagem do diagrama de McCabe-Thiele, além de alguns pontos característicos. Com base nos dados apresentados no diagrama, conclui-se que a (A) carga é alimentada na torre como vapor saturado (B) razão de refluxo de operação é de 2,5 (C) razão mínima de refluxo é de 2,0 (D) razão L/V na seção de absorção da torre é de 5/3 (E) razão L/V na seção de esgotamento da torre é de 5/3 9) Concurso Petrobras: Engenheiro (a) de Processamento Junior (questão 53 de 2008). Uma mistura, em massa, contendo 40% de benzeno e o resto de tolueno alimenta uma coluna de destilação, com vazão de kg/h. Uma corrente de topo contendo 90% de benzeno é produzida enquanto 10% de benzeno sai na corrente de fundo da coluna. Nessa situação, a vazão da corrente de topo da coluna, em kg/h, é igual a: A) 80 B) 720 C) 800 D) E)

6 10) Concurso Petrobras: Engenheiro (a) de Processamento Junior (questão 80 de 2008). Considere uma corrente de uma mistura composta por 50% do composto A e por 50% de composto B, em base molar, que sofre uma destilação integral (flash), na qual é formada uma fase vapor com uma fração molar de A igual a 0,8 e uma fase líquida com fração molar de A igual a 0,4. Assinale a opção que apresenta a porcentagem da mistura que é vaporizada. A) 25% B) 30% C) 35% D) 40% E) 45% 11) Concurso Petrobras: Engenheiro de Processamento Junior (questão 55 de 2006). É necessário separar uma mistura binária utilizando uma coluna de destilação onde, no produto de topo, o componente 1 possui uma fração molar igual a 0,9 e, no produto de fundo, o componente 1 possui uma fração molar igual a 0,70. Utilizando o Método 2x McCabe-Thiele e sabendo-se que a curva de equilíbrio é dada pela equação y 1 1 =, o 1 + x valor do número mínimo de estágios de equilíbrio é: (A) 1 (B) 2 (C) 3 (D) 4 (E) ) Concurso Petrobras: Engenheiro de Processamento Junior (questão 45 de 2011). Uma mistura de n-butano e n-pentano é obtida como líquido saturado em um vaso de topo de uma coluna de destilação, no qual a temperatura é 44 C e a pressão é 204 kpa. Considerando-se que sejam válidas as leis de Raoult e de Dalton e que as pressões de vapor dos hidrocarbonetos a 44 C sejam: n-butano = 420 kpa e n-pentano = 132 kpa, o percentual molar de n-butano na mistura líquida é: (A) 25% (B) 30% (C) 50% (D) 70% (E) 75% 13) Concurso Petrobras Distribuidora: Profissional Júnior Formação Engenharia Química (questão 31 de 2012). Num processo de destilação, tem-se uma mistura de etano, propano e butano, no qual se consegue um destilado com vazão 180 kmol/h com concentração molar de 70% de etano e 25% de propano (molar). A alimentação da torre 6

7 é de 400 kmol/h, e a composição dessa corrente é de 40% etano e 30% butano (molar).a vazão da base, em kmol/h, e o teor de butano, em valor molar, são, respectivamente, (A) 111 e 60 % (B) 220 e 50% (C) 220 e 60% (D) 580 e 19 % (E) 580 e 50% 14) Concurso Petrobras Distribuidora: Profissional Júnior Formação Engenharia Química (questão 32 de 2012). Numa coluna de destilação para separação de benzeno e tolueno, a alimentação é feita em temperatura no ponto de bolha da mistura do prato de alimentação. Nessa coluna de destilação, a corrente de alimentação que entra no prato (A) vai, em sua totalidade, compor a corrente de líquido descendente do prato, sendo que o equilíbrio líquido-vapor fica inalterado. (B) vai, em sua totalidade, compor a corrente de líquido ascendente do prato, sendo que o equilíbrio líquido-vapor fica inalterado. (C) vai dividir-se em líquido e vapor, sendo que o equilíbrio líquido-vapor fica alterado pela adição de massas nas correntes de líquido e vapor na coluna. (D) condensa parte do vapor da corrente ascendente do prato, logo ocorre um deslocamento do equilíbrio líquido-vapor para formação de líquido. (E) vaporiza parte do líquido da corrente descendente do prato, logo ocorre um deslocamento do equilíbrio líquido-vapor para formação de vapor. 15) Concurso Petrobras Distribuidora: Profissional Júnior Formação Engenharia Química (questão 62 de 2008). Uma coluna de destilação é alimentada com mol/h de uma mistura líquida de 40% de A e 60% de B a 21 C. O produto líquido do topo da coluna contém 99,5% de A, enquanto o produto líquido de fundo contém 1,0% de A. O condensador utiliza água de resfriamento que entra a 15 C e sai a 60 C, enquanto o refervedor usa vapor saturado a 138 C ( Hvap = 924,6 kcal/kg). A temperatura calculada para o condensador é 81 C, somente calor de condensação, e para o refervedor é 131 C. A temperatura de fundo da coluna é de 120 C e o vapor que sai do refervedor contém 3,9% em peso (5,5% mol) de A. (Dados: Razão de refluxo 6:1) Temperatura ( C) H A líquido (kcal/kg) H B líquido (kcal/kg) H A vap (kcal/kg) H B vap (kcal/kg) 21 15,0 11, ,0 47, ,0 71, ,1 79, Com base nos dados acima assinale a opção que representa o valor, em kg/h, respectivamente, de: 7

8 Vazão dos produtos de topo Vazão dos produtos de fundo Vazão de refluxo de topo Consumo de água de resfriamento (A) 15959,4 2040, , ,7 (B) 25900,4 6040, , ,7 (C) 35959,4 2040, , ,2 (D) 35959,4 2040, , ,7 (E) 35959,4 6040, , ,7 16 Concurso Petrobras: Engenheiro(a) de processamento Júnior (questão 56 de 2006) É necessário separar uma mistura utilizando uma coluna de destilação onde, no produto de topo, o componente Chave Leve (CL) tenha uma fração molar igual a 0,8 e o componente Chave Pesado (CP), uma fração molar igual a 0,08. Já no produto de fundo, a fração molar do componente Chave Leve (CL) deve ser igual a 0,10 e a do componente Chave Pesado (CP) igual a 0,16. Utilizando a Equação de Fenske na forma x CL x ln CP x CP x topo CL fundo Nmin = ln α e considerando a volatilidade relativa média igual a 2, o valor do número mínimo de estágios de equilíbrio é: (A) 1 (B) 2 (C) 3 (D) 4 (E) 5 17 O gráfico da figura abaixo refere-se ao método de McCabe-Thiele da separação por destilação da mistura A + B. Para a separação dada, a mínima razão de refluxo externa de topo é: (A) 1,5 (B) 2,0 (C) 3,5 (D) 4,0 (E) 5,5 Obs: Nas provas de Concursos Públicos, geralmente, uma ou outra questão esta furada (ou nenhuma alternativa atende). Favor consultar os gabaritos OFICIAL no site da Fundação CESGRANRIO ( 8