Curso: Engenharia Biotecnológica (3 Ano) Disciplina: Engenharia de Bioprocessos II

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1 Docente: Prof. Raúl Barros Curso: Engenharia Biotecnológica ( Ano) Disciplina: Engenharia de Bioprocessos II Ano Lectivo: 00/007 Semestre Notas sobre os trabalhos individuais: A realização de trabalhos individuais distribuídos ao longo do semestre (máximo de quatro trabalhos, dos quais um obrigatório) contribui para a classificação final obtida nesta disciplina. A cada trabalho individual será atribuída uma classificação entre 0 e 5 arredondada às décimas. A nota final da avaliação será obtida pela seguinte fórmula: NF = Te * ( NTr/0) + * MTr * NTr/0 () * Onde: NF = Nota final sem arredondamentos; Te = Classificação no teste (ou exame), numa escala de 0 a 0; NTr = número de trabalhos individuais realizados pelo aluno que contam para avaliação (mínimo ); MTr = média aritmética das classificações dos trabalhos individuais realizados pelo aluno. (* - Esta fórmula implica que um único trabalho contará 0% para a classificação final, dois trabalhos contarão 0%, trabalhos 0% e trabalhos 0%). Os trabalhos individuais cuja classificação, por ser demasiado baixa, faça baixar NF, serão desprezados para o cálculo de NTr e MTr. A elaboração das respostas dadas nestes trabalhos é exclusivamente individual. Apesar de o estudo em conjunto ser encorajado, qualquer evidência de que haja respostas copiadas levará à anulação dos trabalhos (cópia e copiado) para efeitos de avaliação. As respostas podem ser dadas electronicamente para o endereço rbarros@ualg.pt até às :00h das datas limites indicadas. Alternativamente, podem ser entregues em suporte informático (CD ou PEN Drive) ou papel (desaconselhado, impossível para alguns dos trabalhos), devidamente identificados, entregues em mão ao docente ou colocados na sua caixa do correio até às 7:00h da data limite respectiva.

2 Trabalho nº : Cálculo da temperatura de misturas gasosas Data de publicação do enunciado: /0/00 Data limite de entrega: 0//00 Enunciado: Implemente numa folha de cálculo de Microsoft Excel uma ferramenta que permita calcular a temperatura de um gás, ou mistura gasosa, a partir da sua entalpia sensível em relação a uma dada temperatura de referência. Use o método iterativo que foi ensinado nas aulas e que consta do exemplo.5 (página dos apontamentos teóricos). Admita que o gás, ou mistura gasosa, tem uma dependência da capacidade calorífica molar com a temperatura (absoluta em K) que obedece à equação. (página dos apontamentos teóricos). Recomendações: Crie a ferramenta de forma a ficar genérica para qualquer gás, qualquer temperatura de referência, qualquer caudal ou massa, e qualquer valor de entalpia, podendo, por alteração dos parâmetros adequados, resolver qualquer problema deste género. Implemente as primeiras iterações, indicando quando possível o erro máximo da estimativa obtida. Chame a atenção para as unidades em que os parâmetros devem ser introduzidos. Pode copiar para a ferramenta a ser criada partes, ou a totalidade de outras ferramentas que estão presentes no ficheiro Excel acessível aos alunos em Teste a sua ferramenta, por exemplo com os dados do exemplo.5 ou do exercício. alínea c), comparando com os resultados aí obtidos. Acrescente em texto, na própria folha Excel, comentários e discussão que ache pertinentes para a execução deste trabalho. Trabalho nº Optimização de condensação/aquecimento Data de publicação do enunciado: 8//00 Data limite de entrega: 7//00 Enunciado: Recorde o exercício., onde a secagem de cristais de penicilina era feita com um circuito fechado de azoto contendo acetona: Condensador ºC 0ºC 5 Acetona (l) 8ºC Aq. Penicilina Acetona 5% ºC 000 kg/h Secador 75ºC Penicilina Acetona % 5ºC

3 Na resolução desse exercício determinámos as trocas de calor a efectuar no Aquecedor, Secador e Condensador. Uma possível optimização à regeneração da corrente gasosa passa pela troca de calor entre as correntes e antes de seguirem respectivamente para o condensador e o aquecedor: Condensador 8 5 Acetona (l) 8ºC ºC Perm. Calor 7 Aq. 50ºC 75ºC Penicilina Acetona 5% ºC 000 kg/h Secador Penicilina Acetona % 5ºC A folha de cálculo de suporte que pode descarregar da página da disciplina juntamente com este enunciado contém alguns dados e o início dos cálculos (Atenção! Difere da resolução do exercício.). Complete esta folha de cálculo de forma a que permita determinar a potência calorífica a trocar no Condensador, no Permutador de calor e no Aquecedor em função da temperatura da corrente 8. Para isso assuma que: Se aplicam os dados de balanço de massa e de entalpia das correntes a que estão presentes na folha de cálculo de suporte Não há trocas de calor entre o Permutador de calor e o exterior Comece por efectuar os cálculos com t8 = 0,00ºC como indicado. A sequência de cálculos deve ser a seguinte:. Balanço entálpico para achar H7. Determinação da entalpia sensível e da temperatura da corrente 7. Balanços entálpicos para determinar as potências caloríficas a trocar no Condensador, no Permutador de calor e no Aquecedor

4 A folha de cálculo deve ser construída de forma a que as alterações em t8 sejam automaticamente tidas em conta nos cálculos efectuados. Parâmetros a assumir: Para calcular as capacidades caloríficas de gases use as tabelas T9 e T0 e a respectiva ferramenta tal como está já implementada (verifique como foram feitos os cálculos para as correntes e ) Use a ferramenta anexa à folha de cálculo de suporte (calc Tgás) para estimar t7 Use a entalpia de evaporação da acetona estimada no exercício., e que se encontra na folha de cálculo de suporte. Quando tiver construído a folha de cálculo, determine qual o valor mínimo que é fisicamente possível para t8 (arredondado às décimas), justificando porque é que esta temperatura não pode descer mais. Acha que é útil levar a cabo esta alteração? Justifique. Trabalho nº Custos de arrefecimento Data de publicação do enunciado: 0//00 Data limite de entrega: 0//00 Enunciado: Estime o custo envolvido com a tarefa de arrefecimento numa instalação fabril, expresso em /MWh tendo em conta o esquema de funcionamento da máquina de refrigeração abaixo indicado. Calcule ainda se seria mais ou menos vantajoso usar uma alternativa arrefecida a ar (consultar dados). Máquina de refrigeração: Salmoura + 0ºC Máquina de refrigeração Salmoura 0,0ºC Evaporador V = Válvula; C = Compressor NH (g) 9,0ºC NH (g) + NH (l) 0,0ºC C V 5 NH (g) 0,0ºC NH (l),0ºc Condensador H O (l) 0,0ºC 7 H O (l) 0,0ºC 8

5 Dados: A máquina tem uma potência de refrigeração útil de 500 kw e trabalha 8000 h por ano. A infiltração de calor estima-se em 00 KJ/kg de NH na válvula e 50 kj/kg de NH no evaporador. No condensador devem ser desprezadas as trocas de calor com o exterior. Como o compressor radia calor para o exterior, só 88% da energia eléctrica é convertida em energia mecânica. A máquina de refrigeração custa 50000, tem um tempo de vida útil de 0 anos e um custo de manutenção anual de 0000 A electricidade tem um custo de 0,0 /MWh e a água de arrefecimento de 0,5 /ton Outros dados (tabela termodinâmica do NH ) podem ser encontrados no exercício., que pode ser aberto em A máquina alternativa funciona nas mesmas condições, mas é arrefecida a ar, tem um preço de 00000, um custo de manutenção anual de e um gasto de energia eléctrica acrescido de 00 kw para a ventilação do ar. Sugestão: Faça os cálculos de gasto de água, calor retirado à salmoura e energia eléctrica gasta pelo compressor com base em 00 kg de NH, e a partir desses resultados calcule os custos anuais. O preço da máquina deve ser amortizado ao longo da sua vida útil, considerando um valor residual (de venda como sucata) de 0% do inicial (isto significa que anualmente deverá ser imputado um custo correspondente a 9% do preço da máquina). O custo total anual deve ser dividido pela energia retirada ao longo de um ano para estimar o custo de arrefecimento em /MWh ( MWh = 000 kwh). Adapte os cálculos para estudar a alternativa e tire as suas conclusões.

6 Trabalho nº Custos de produção de vapor Data de publicação do enunciado: 07//00 Data limite de entrega: 0/0/007 Enunciado: Estime o custo envolvido com a tarefa de geração de vapor numa instalação fabril, expresso em /MWh tendo em conta o esquema de funcionamento da caldeira abaixo indicado. Faça ainda os cálculos, com base nos dados fornecidos, à optimização do funcionamento do equipamento por recuperação do calor dos gases de combustão conforme também está esquematizado. Caldeira original: Gases de combustão, to Purga Vapor saturado 8 7 5,0 bar Condensado Caldeira 90 ºC Gás natural, 5ºC Água tratada Ar seco, 5ºC 5ºC Dados para os cálculos da caldeira original: A caldeira tem uma capacidade de produção de 5000 kg de vapor a,0 bar por hora, e trabalha 8000 h por ano (as correntes 5 e 8 têm o mesmo caudal). Por cada kg de vapor gerado perdem-se 00 kj na rede. Perde-se na caldeira kj/h. A caldeira tem um custo de 50000, tem um tempo de vida útil de 0 anos e um custo de manutenção anual de Por cada 000 kg de vapor gerado gastam-se 85,0 m (PTS) de gás natural e 5,0 L de água tratada. O gás natural tem um custo de 0,5 /m, e a água tratada de,0 /m. Sugestão: No estudo da caldeira original faça primeiro os cálculos com base numa hora de operação e com esses resultados estime o custo de operação anual. O preço da caldeira deve ser amortizado ao longo da sua vida útil, considerando um valor residual (de venda como sucata) de 0% do inicial (isto significa que anualmente deverá ser imputado um custo correspondente a 9% do preço da caldeira). O custo total anual deve ser dividido pela energia útil fornecida ao longo de um ano para estimar o custo de aquecimento em /MWh ( MWh = 000 kwh).

7 No estudo da caldeira optimizada deve considerar o mesmo consumo de gás natural, mas que a quantidade de vapor produzido vai aumentar por aumento da eficiência da caldeira. Comece por calcular a temperatura dos gases de combustão que saem da caldeira original, to, que será a mesma na caldeira optimizada (o balanço de massas à combustão já se encontra efectuado na folha de cálculo de suporte). Calcule depois para um valor atribuído de temperatura da corrente da caldeira optimizada (dentro do intervalo 90ºC < t < to) quanto seriam:. A massa de vapor a,0 bar produzido (corrente 8). A potência calorífica a trocar no P.C. II. A área e o preço desse permutador de calor, e o custo de manutenção. O custo anual da energia útil fornecida e o seu preço por MWh Construa a sua folha de cálculo de forma automática para poder pesquisar dentro do intervalo o valor de t que minimiza o preço da energia fornecida. Caldeira optimizada: Perm. de calor Gases de combustão Gases de combustão, to Vapor húmido 0ºC Vapor saturado,0 bar Gás natural, 5ºC 8 Caldeira 7 5 Purga Condensado 90 ºC Ar seco, 5ºC Água tratada 5ºC Dados adicionais para os cálculos da caldeira optimizada: O C P da corrente de gases efluentes obedece à equação. da sebenta com os parâmetros indicados na folha de cálculo de suporte. A to deve ser calculada usando a folha calc T0, colocando nela o valor da entalpia calculado para a respectiva corrente. Consulte a entalpia de combustão do metano da tabela T8 As perdas na rede e na caldeira são as já indicadas para a caldeira original. Considere, tal como na caldeira original, que,5% da água que vai ser aquecida entra no sistema pela corrente, e a restante pela corrente 5 (os caudais de 5 e 8 são iguais, e os de e também).

8 A área do Permutador de calor deverá ser calculada recorrendo à seguinte fórmula: A = Q T ( 50. T ) M, onde A é a área em m ; Q T é o calor trocado em kj/h e T M é calculado pela fórmula T M = T E T T ln T E S S, com T E = to (ºC) 0 e T S = t (ºC) 90 O preço do permutador de calor é calculado pela fórmula Preço ( ) = A 0,8 Este preço deve ser amortizado da mesma forma que a caldeira (9% ao ano) O custo de manutenção anual do permutador corresponde a 0% do seu preço Aplicam-se todos os restantes dados indicados para a caldeira original Quando terminar está de parabéns! Acabou de projectar um permutador de calor que minimiza o custo da energia fornecida por esta caldeira.