Faculdade de Engenharia Química (FEQUI) Operações Unitárias 2 2ª Lista de Exercícios (parte B) Profº Carlos Henrique Ataíde (agosto de 2013)
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- Jónatas Canela Pinheiro
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1 Faculdade de Engenharia Química (FEQUI) Operações Unitárias 2 2ª Lista de Exercícios (parte B) Profº Carlos Henrique Ataíde (agosto de 2013) 1) Concurso Petrobras Engenheiro(a) de Processamento Junior (questão 31 de 2001). Com relação às operações unitárias para a separação de fluidos, julgue os itens abaixo: 1. Em uma coluna com cinco estágios de equilíbrio, operando em regime permanente para a separação de uma mistura binária, as composições das correntes de destilado e de produto de fundo estão conectadas por uma linha de amarração. 2. No método simplificado de Fenske-Underwood-Gilliland para o projeto de coluna de destilação, dois componentes-chave são sempre aqueles em maior concentração na corrente de alimentação da coluna (ainda vou ensinar essa parte). 3. Suponha que o produto de topo de uma coluna de destilação seja um composto puro, cuja temperatura de ebulição, na pressão P 1 inicialmente cogitada para a operação do condensador, seja igual a 10 C. Para que se possa utilizar água de resfriamento disponível na instalação industrial a 30 C, como fonte fria no condensador, este deve operar a uma pressão P 2 menor que P O valor da razão de refluxo mínimo de uma coluna de destilação cuja recuperação dos compostos-chave esteja especificada é determinado a partir do numero mínimo de estágios teóricos na coluna. 5. A condição de refluxo mínimo em uma coluna de destilação pode acarretar a existência de mais de uma zona decomposição constante (pinch) na coluna. 2) Concurso Petrobras Engenheiro(a) de Processamento Junior (questão 32 de 2001). Julgue os itens que se seguem, acerca das operações unitárias para a separação de fluidos. 1. Supondo que o comportamento termodinâmico de uma mistura binária de dois hidrocarbonetos seja bem descrito pela lei de Raoult, conclui-se que a pressão no ponto de orvalho de uma mistura equimolar desses dois compostos, em uma temperatura em que suas pressões de vapor são, respectivamente, iguais a 2 bar e 4 bar, é igual a 3 bar. 2. Em uma coluna de destilação de pratos valvulados, adequadamente projetada e operando corretamente, o líquido desce de um estágio a outro da coluna através das válvulas. 3. No método gráfico de McCabe-Thiele, para o projeto de colunas de destilação para a separação de misturas binárias, é necessário supor que as volatilidades relativas dos dois compostos sejam constantes ao longo de toda a coluna. 4. A eficiência de estágios de Murphree é definida como a razão entre o número de estágios teóricos e o número de pratos de uma coluna necessários para realizar uma separação especificada. 3) Concurso Petrobras Engenheiro(a) de Processamento Junior (questão 56 de 2006). É necessário separar uma mistura utilizando uma coluna de destilação onde, no produto 1
2 do 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 co componente Chave Pesado (CP) igual a 0,16. Utilizando a Equação de Fenske na forma abaixo e considerando a volatilidade relativa média igual a 2, o valor do número mínimo de estágios de equilíbrio é: x CL x ln CP x CP xcl = topo fundo N min ln α (A) 1 (b) 2 (C) 3 (D) 4 (E) 5 ( ) Consideração do professor: Nas provas da Petrobras não é permitido o uso de calculadoras (nenhum tipo ou modelo). 4) Concurso Petrobras Engenheiro(a) de Processamento Junior (questão 79 de 2008). Considere uma mistura formada por 10% do composto A, 20% do composto B, 30% com composto C e 40% do composto D, em base molar. Essa mistura entra em uma coluna de destilação na temperatura de 100 C e pressão P. Sabendo que as pressões de vapor para cada composto têm os seguintes valores PA = 5 bar, PB = 2 bar, PC = 0,4 bar e PD = 0,2 bar e que o sistema obedece a lei de Raoult, o valor de P em bar, para que a alimentação esteja no seu ponto de bolha é: (A) 100 (b) 200 (C) 300 (D) 400 (E) 500 5) Concurso Petrobras Engenheiro(a) de Processamento Junior (questão 81 de 2008). Assinale a opção que apresenta a razão de refluxo mínima para uma separação perfeita de uma mistura binária (fração molar do componente mais leve igual a 1, e igual a 0, no produto de fundo) em uma coluna de destilação, considerando a volatilidade relativa constante e igual a 6, e que irá alimentar a coluna de destilação é uma mistura líquida saturada, com fração molar igual a 0,5 para cada composto. (A) 0,1 (b) 0,2 (C) 0,3 (D) 0,4 (E) 0,5 2
3 5) Concurso Petrobras Engenheiro(a) de Processamento Junior (questão 82 de 2008). Considere a seguinte especificação de uma coluna de destilação. Componente Alimentação (kg/h) Produto de topo (kg/h) Produto de Fundo (kg/h) Sabendo que a equação de Fenske é: d b log cl cp d min. cp bcl N = em que cl é a chave leve e cp a chave pesada, N min. é o número log α ( ) mínimo de estágios, b a vazão de um componente na corrente de fundo, d a vazão de um componente na corrente de topo e α é a volatilidade relativa que é igual a 2, então se o componente 2 é a chave leve e o componente 3 a chave pesada, o número mínimo de estágios dessa coluna de destilação é igual a (A) 1 (b) 2 (C) 4 (D) 8 (E) 16 6) Concurso Petrobras Engenheiro(a) de Processamento Junior (questão 43 de 2010). Uma coluna de destilação é alimentada com 100 kg/h de uma mistura a 50% dos compostos A e B. O destilado contém 98% de A e o resíduo de fundo apresenta 94% de B. A corrente de vapor que sai da coluna corresponde a 80% da alimentação e uma parte do destilado retorna à coluna com refluxo. Com base nessas informações conclui-se que o(a) (A) o refluxo pode ser determinado pelo balanço de massa global. (B) refluxo de destilado é aproximadamente 20 kg/h. (C) vazão mássica de destilado que sai da coluna é maior que a vazão mássica de cauda da coluna. (D) a razão de refluxo (R/D) é aproximadamente 0,7. (E) vazão mássica da corrente de fundo da coluna é 48 kg/h. 7) Concurso Petrobras Químico(a) de Petróleo Junior (questões 62 e 63 de 2011). Analise a coluna de destilação a seguir: De acordo com os dados da coluna, a vazão do produto de fundo, em mol/s, e a fração molar de benzeno nesta corrente são, respectivamente, (A) 130 e 0,08 (B) 130 e 0,10 (C) 170 e 0,01 (D) 170 e 0,03 (E) 170 e 0,08 3
4 Considerando todas as hipóteses do método de McCabe-Thiele, a vazão da fase líquida e da fase vapor na secção intermediária, em mol/s, são, respectivamente, (A) 130 e 250 (B) 250 e 130 (C) 260 e 390 (D) 320 e 250 (E) 390 e 260 8) Concurso Petrobras Químico(a) de Petróleo Júnior (questões de 152 a 161 de 2004). 4
5 O programa PROÁLCOOL foi criado no Brasil em 1975, como uma alternativa energética ao petróleo. Nele, o álcool etílico era usado como aditivo à gasolina (álcool anidro) ou diretamente como combustível (álcool hidratado). Esse programa aumentou muito o interesse pelo processo de obtenção desse produto, devido à possibilidade de independência energética para o país. A produção de álcool nas usinas utiliza como matéria-prima uma solução de açúcar, conhecida por melaço, obtida a partir da cana-deaçúcar. Nesse processo, faz-se uma diluição do melaço até atingir uma concentração em açúcar inferior a 17%, passando a ser chamado de mosto. Este é fermentado com leveduras, dando origem ao vinho fermentado, que possui uma concentração em álcool de aproximadamente 10%. O vinho obtido é então destilado, em torres de pratos ou recheadas, sendo o álcool purificado até atingir concentrações que variam de 92% (álcool hidratado) a 99,3% (álcool anidro), conforme o produto desejado. Nesse processo, o vinho pode ser considerado como sendo uma mistura binária de álcool e água. A figura acima representa o diagrama de equilíbrio de fases da mistura binária álcool/água. Notase que esta é uma mistura azeotrópica, sendo a composição em álcool no ponto de azeótropo (c 3 ) de aproximadamente 95,6 %. Julgue os itens a seguir, relativos ao processo de destilação da mistura binária água/álcool, descrito no texto acima. a) Na figura acima, a região delimitada pelas duas curvas do diagrama indica as composições das fases líquida e vapor em equilíbrio, que podem ser quantificadas pela regra da alavanca. b) A mistura de álcool e água apresenta um forte desvio negativo da lei de Raoult, o que é evidenciado pela formação de um ponto azeotrópico na composição c 3. c) No azeótropo, as composições das fases vapor e líquida, apesar de serem diferentes, não se alteram ao longo do tempo. d) Partindo-se de uma mistura com fração molar igual a 0,4, no ponto de orvalho, a composição do condensado será igual a c 1. e) Se fosse utilizada uma destilação a pressão reduzida (flash), o ponto de bolha de uma mistura com composição c 1, inicialmente igual a t 1, seria inferior a essa temperatura. Isso se deve ao fato de que seria necessária uma temperatura inferior para que a pressão de vapor igualasse a pressão na superfície do líquido. f) Se, em determinada usina, obtém-se um vinho com composição c 2, o número de pratos teóricos para uma destilação fracionada que permita obter álcool hidratado é superior a 2. g) A partir de um vinho fermentado, pode-se obter, por destilação fracionada, álcool anidro, sendo necessário apenas determinar o número de pratos teóricos adequado. h) Em uma usina de produção de álcool, as torres de destilação devem estar dimensionadas para operar sempre abaixo da vazão de inundamento, caso contrário, perderse- á eficiência de separação da mistura. i) Se for usada uma torre recheada para a destilação da mistura de álcool e água, a eficiência na separação poderá ser modulada pela relação área superficial/volume do recheio. j) Operando em estado estacionário, a temperatura de um prato em uma torre de pratos é aproximadamente constante, sendo esse estado definido pela temperatura de uma fase 5
6 líquida (temperatura maior) que desce de um prato superior e a temperatura de uma fase vapor (temperatura menor) que sobe de um prato inferior. 9) Concurso Petrobras Químico(a) de Petróleo Júnior (questão 52 de 2006). Uma coluna de destilação equipada com refervedor e condensador total foi projetada para separar uma mistura de 40% de metanol e 60% de água (base molar). A composição desejada do destilado é de 97% de metanol (base molar). Aplicando-se o Método de McCabe-Thiele, foram calculados 10 pratos (estágios) e verificou-se que a reta R.O.S.A. encontra o eixo y no ponto 0,42. A razão de refluxo no topo é, aproximadamente, igual a: (A) 1,3 (B) 1,7 (C) 2,0 (D) 2,3 (E) 3,0 10) Uma mistura benzeno e tolueno com 30% molar de benzeno é submetida à destilação numa unidade batelada simples. Um produto com composição média de 45% molar de benzeno deve ser produzido. Calcular a quantidade ou carga de líquido residual, assumindo que a volatilidade média constante é igual a 2,5 (sistema benzeno + tolueno à pressão de operação da coluna). Adotar como base para os cálculos uma carga inicial de 100 umidades de massa. 11) A carga de uma unidade simples de destilação é constituída de uma mistura binária equimolar de A e B. Para valores de volatilidade constantes de: 2, 5, 10, 100 e 1000 e para a vaporização de 50% do componente A, determinar a porcentagem de B vaporizado e fração molar de B no destilado. 12) Uma unidade de destilação batelada com três (3) estágios (um refervedor e dois pratos perfurados com vertedouro) é carregada com 100 kmoles de um líquido que contém 50% molar de n-hexano e n-octano. Deve-se manter a fração molar de n-hexano no destilado em 0,90, ajustando continuamente (aumentando) a razão de refluxo, enquanto a taxa de destilado é mantida em 20 kmoles/h. Qual a razão e refluxo após 1,0 hora de operação? Negligenciar a retenção ou holdup de líquido na coluna e pode-se assumir as clássicas suposições de fluxos molares constantes na coluna. 13) Uma unidade de destilação batelada, com três estágios ideais (incluindo o reboiler) é carregada com 1,0 kmol de uma mistura equimolar de benzeno e tolueno. A razão de refluxo (líquido saturado) é mantida constante é igual a 4. Qual a composição média e quantidade de líquido no instante/tempo que composição do destilado atingir 55% molar de benzeno? Negligenciar a retenção de líquido na coluna é assumir que a volatilidade relativa média do sistema é 2,5. 14) O efeito da Razão de Refluxo (variável operacional importante) nos custos anuais de uma coluna de destilação encontra-se na tabela a seguir (dados obtidos do livro: Plant 6
7 Design and Economics for Chemical Engineers, autores S. Peters and Klaus D. Timmerhaus 4th edition McGraw-Hill (1991). D ( ) R / R NRe al D min. D ft Q R btu/h Q C btu/h Custo Anualizado, US$/ano Coluna Água Refr. Vapor 1,00 6,7 9, , infinito , ,8 9, , , ,0 10, , , ,1 10, , , ,3 11, , , ,7 11, , , ,0 13, , Na tabela: N Re al = número REAL de pratos, D = diâmetro da coluna, Q R = calor líquido fornecido no reboiler, Q C = calor líquido removido no condensador total Considerando os dados da tabela acima, determinar a Razão de Refluxo Ótima. 7
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