Coletânea de Exercícios Operações Unitárias V FAT 04-07959 Prof. Alexandre Rodrigues Tôrres artorres.uerj@gmail.com

Universidade do Estado do Rio de Janeiro Faculdade de Tecnologia - DEQA Curso de Engenharia de Produção Coletânea de Exercícios Operações Unitárias V FAT 04-07959 Prof. Alexandre Rodrigues Tôrres artorres.uerj@gmail.com Sumário dos exercícios Exercício 1 Princípios Fundamentais...2 Exercício 2 Princípios Fundamentais...3 Exercício 3 Princípios Fundamentais...4 Exercício 4 Princípios Fundamentais...5 Exercício 5 Princípios Fundamentais...6 Exercício 6 - Destilação...7 Exercício 7 - Destilação...9 Exercício 8 - Destilação...10 Exercício 9 - Destilação...11 Exercício 10 - Destilação...12 Exercício 11 - Destilação...15 Exercício 12 - Destilação...16 Exercício 13 - Destilação...20 Exercício 14 - Destilação...21 Exercício 15 - Destilação...22 Exercício 16 - Destilação...23 Exercício 17 - Destilação...24 Exercício 18 - Destilação...25 Exercício 19 - Destilação...26 Exercício 20 - Destilação...27 Exercício 21 - Destilação...28 Exercício 22 - Destilação...29 Exercício 23 - Absorção...30 Exercício 24 - Absorção...31 Exercício 25 - Absorção...32 Exercício 26 - Absorção...33 Exercício 27 - Absorção...35 Exercício 28 - Extração...36 Exercício 29 - Extração...37 Exercício 30 - Extração...38 Exercício 31 - Extração...39 Exercício 32 - Extração...40 Exercício 33 - Adsorção...41 Exercício 34 - Adsorção...42 Exercício 35 - Adsorção...43 C:\Documents and Settings\Alexandre\Meus documentos\documentos\operacoesunitarias5\exercicios\coletaneas\coletanea_exercicios.doc

Exercício 1 Princípios Fundamentais Determine os valores da correntes 7, 9 e 10 no seguinte sistema de moinhos e classificadores, sendo m 1 = 150 kg/h, m 3 = 85 kg/h, m 5 = 75 kg/h e m 11 = 10 kg/h e estabelecendo que m 10 = ¼ m 4. 8 10 12 Moinho 1 Moinho 2 Moinho 3 1 2 3 4 5 6 7 9 11 Página 2 de 43

Exercício 2 Princípios Fundamentais Uma corrente é composta de 50 kg/h de benzeno e 50 kg/h de tolueno. Determine: (a) a vazão molar de cada componente; (b) a fração molar de cada componente; (c) a vazão molar da corrente. Página 3 de 43

Exercício 3 Princípios Fundamentais Para a mesma corrente do EX02, determine a entalpia molar para aquela composição a 115 C, sabendo que a capacidade térmica a pressão constante para seus componentes é dada por uma equação do tipo c p = a + b.t + c.t 2 + d.t 3 (T ref = 298.2 K), para c p em J/(mol. K), com os coeficientes da tabela abaixo: Líquido Vapor Coeficiente Benzeno Tolueno Benzeno Tolueno a 155.6259 147.0419-43.78138-43.64749 b -0.2710512-0.01140537 0.5232929 0.603542 c 6.750819 x10-4 4.896709x10-4 -3.76271x10-4 -3.994507x10-4 d 0 0 1.066125x10-7 1.043824x10-7 Página 4 de 43

Exercício 4 Princípios Fundamentais No processo representado pelo fluxograma abaixo, é realizada no reator a seguinte reação: P, T 8 18 2 4 4 10 CH + 4H 4CH + CH Considerando a reação e o fluxograma de processo complete os campos marcados na tabela de controle do processo. F H B J E Tambor de Flash 2 A C G Reator Tambor de Flash 1 D Correntes (Frações Molares) Comp. Subst. A B C D E F G H J 1 CH 4 0 0.01 0.05 0 0 4 C 4 H 10 0 0,199 025 0 0 8 C 8 H 18 1 0.85 0.005 0.7 0 0 0 H 2 0 0 0 0 0 0 1 1 Vazões Molares [kmol/h] n1 n4 n8 1000 20 n0 4000 Total nt 90 4523.5 V.Mássica mt PM Página 5 de 43

Exercício 5 Princípios Fundamentais No processo de extração supercrítica é utilizado o CO 2, em altíssima pressão, para extrair componentes sensíveis à temperatura elevada. Este processo é utilizado para a extração de óleos a partir da casca de frutos cítricos. A vantagem clara deste processo é que a pressão e temperatura normais o CO 2 é um gás praticamente inerte. Analise o processo descrito pelo fluxograma abaixo e, tendo como base os princípios das operações unitárias, responda as questões abaixo. S-105 S-102 (Sólidos) S-104 (Extrato) V-101 S-106 Tambor de Flash S-101 (CO2) ESC-101 Extrator Supercrítico S-101 (Resíduo) (a) Por qual corrente sai o CO 2 após a extração? E o óleo de interesse? Qual sua pureza? (b) Quais os possíveis arranjos no fluxograma que podem melhorar o desempenho econômico do processo? Página 6 de 43

Exercício 6 - Destilação Para resolver, de preferência, com a ajuda do MathCAD. (a) Deduzir as Equações 13-12, 13-13 e 13-14 do Perry s Chemical Engineers Handbook; (b) Calcular a Pressão de Vapor segundo a equação de Wagner para o Benzeno e o Tolueno puros, comparando com os dados experimentais fornecidos. (c) Calcular o ELV para o sistema binário Benzeno e Tolueno, a várias temperaturas, e comparar com os dados experimentais fornecidos. (d) Usando o simulador de Flash, levantar a Curva VEB para o sistema binário Benzeno/Tolueno @ P=1,033 bar, tendo a carga a composição z benz =0,65. (e) Propor uma estratégia / algoritmo para otimização das condições de separação em um tambor de FLASH para o sistema binário Benzeno/Tolueno nas condições do item d. Realizar os cálculos, apresentando os resultados acompanhados de breve discussão. Página 7 de 43

Tabela de dados experimentais do ELV - Benzeno (1) e Tolueno (2) (Fonte:DANNER): P pressão [bar]; T temperatura [K]; x fração molar na fase líquida ; y fração molar na fase vapor P T x1 y1 1.013 383.76 0 0 1.013 381.51 0.05 0.108 1.013 379.37 0.1 0.206 1.013 375.39 0.2 0.372 1.013 371.76 0.3 0.508 1.013 368.45 0.4 0.621 1.013 365.4 0.5 0.714 1.013 362.59 0.6 0.792 1.013 359.99 0.7 0.857 1.013 357.58 0.8 0.913 1.013 355.34 0.9 0.96 1.013 354.27 0.95 0.981 1.013 353.25 1 1 Tabela de dados de Pressão de Vapor - Benzeno e Tolueno Dados de: Stull,D.R.; "Vapor Pressure of Pure Substances"; Ed. The DOW Chemical Company, Midland, Michigan, 1947. Coluna 1: Pressão de vapor [mmhg]; Coluna 2: Temperatura [ C] para o Benzeno (C6H6) Coluna 3: Temperatura C para o Tolueno (C7H8) 1 36.7 26.7 5 19.6 4.4 10 11.5 6.4 20 2.6 18.4 D 40 60 7.6 15.4 31.8 40.3 100 26.1 51.9 200 42.2 69.5 400 60.6 89.5 760 80.1 110.6 Dados do REID - Temperatura (coluna 1) [K] e Pressão Crítica (coluna 2) [bar] (linha 1 - Benzeno; linha 2 Tolueno) 562.2 48.9 PROPC 591.8 41.0 - Coeficientes da Equação de Wagner por coluna - a, b, c, d): (linha 1 - Benzeno; linha 2 Tolueno) 6.98273 1.33213 2.62863 3.33399 CW 7.28607 1.38091 2.83433 2.79168 - Equação de Wagner: PVAP pressão de vapor[bar] ; T temperatura [K]; TC - temperatura crítica [K]; PC - pressão crítica {bar] PVAP( abcdtpctc,,,,,, ) PC. TC exp. T. a 1 T TC. b 1 T TC 1.5. c 1 T TC 3. d 1 T TC 6 Página 8 de 43

Exercício 7 - Destilação Em uma indústria química é feita uma reação na qual emprega-se um solvente C volátil. Sabendo que a reação tem rendimento de 70% e pode ser representada pela equação química: A Indique um esquema de separação do produto final B. As substâncias A e B são líquidas. Faça considerações sobre suas volatilidades. B Página 9 de 43

Exercício 8 - Destilação Para realizar uma modificação no processo necessita-se de uma corrente de Benzeno com pureza melhor que 95% molar, vazão de 100 kmol/h @ 70 C. Dispõe-se na planta de uma corrente composta da mistura de Benzeno e Tolueno, com 25% molar de Tolueno, vazão de 250 kmol/h, @ 60 C. Em uma reunião foi sugerido utilizar um tambor de flash para purificar esta corrente. Faça um esboço de uma avaliação técnica da sugestão incluindo um estudo de custos / benefícios. Página 10 de 43

Exercício 9 - Destilação Faça um estudo da curva de vaporização em função da temperatura, para uma alimentação correspondente a 30 % molar em tolueno, de uma corrente de mistura benzeno e tolueno de 150 kmol/min. Utilize o digrama de fase T-x-y para os cálculos necessários. A partir deste estudo identifique: (a) a temperatura na qual a fração vaporizada é de 0.2; (b) a temperatura correspondente ao ponto de bolha; (c) a temperatura correspondente ao ponto de orvalho. Página 11 de 43

Exercício 10 - Destilação A partir de um processo de separação por membranas um componente tóxico e retirado de um produto de aplicação farmacêutica. O solvente responsável pela separação deve ser purificado para retornar ao processo. A volatilidade do solvente é bem mais elevada do que a do componente tóxico. Faça um esboço de um processo de separação. Considere todas as correntes do processo proposto. Comente sua decisão procurando justificá-la. Página 12 de 43

Diagrama de Fases (T-x-y) Sistema Binário: Benzeno(1) e Tolueno(2) @ P=1.0133 bar 385 380 375 Temperatura [K] 370 365 360 355 350 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Fração molar - Benzeno (1) Página 13 de 43

Curva de Equilíbrio (y-x) Sistema Binário: Benzeno(1) e Tolueno(2) @ P = 1.0133 bar 1.0 0.9 0.8 Fração molar do benzeno no vapor y1 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Fração molar do benzeno no líquido x1 Página 14 de 43

Exercício 11 - Destilação Um tambor de flash recebe uma alimentação de 50 kg/h de benzeno e 50 kg/h de tolueno. As condições para o flash isotérmico são: T F = 366 K e P F = 1.0133 bar. Responda aos itens abaixo. V F V-101 L Tambor de Flash (a) Com o auxílio do diagrama de fases (T-x-y) resolva o flash descrito calculando V, L e as composições das fases; (b) Marque na Curva de Equilíbrio (x-y) a reta de operação do flash em questão; (c) Compare os valores de concentração dos componentes, em ambas as fases, obtidos nos tópicos (a) e (b); (d) Utilizando como modelo para a variação da pressão de vapor com a temperatura a Equação de Antoine, dada abaixo, monte um sistema de equações algébricas que respondem pelo flash acima, no equilíbrio estacionário e termodinâmico; (e) Resolva o sistema determinando as concentrações de ambos os componentes nas duas fases (x 1, x 2, y 1 e y 2 ) mais L e V. b T + c Equação de Antoine: P vap = exp a [P]= bar; [T]= K Coeficientes da Eq. de Antoine Benzeno Tolueno a 8.59192 9.43967 b 2414.70 3122.72 c -71.7989-52.4912 Página 15 de 43

Exercício 12 - Destilação Considere uma mistura de ácido benzóico(1) e ciclohexeno(2). A vazão disponível, da mistura que contém 20% molar de ácido benzóico, é de 9014,16 kg h 1. Existe um trocador de calor na planta que pode aquecer esta mistura até 400 K e depois será possível levá-la a tambor de flash. Responda em ordem o que é solicitado abaixo: (a) Qual a vazão molar total? Massas molares: (b) Quais as vazões molares de cada componente? M 122.124 82.146 (c) Analisando o gráfico da Figura 1, qual é o componente mais volátil? (d) Qual a temperatura de ebulição dos dois componentes? (e) Com os recursos disponibilizados na planta, o que pode ser feito? Por quê? (f) Qual a concentração de ácido benzóico nas correntes de vapor e de líquido? (g) Quais as vazões molares de vapor e líquido na saída do flash? (h) Qual seria a temperatura necessária para um flash onde a fração vaporizada fosse de f V = 0,76? (i) Como relacionar a volatilidade relativa e a curva de equilíbrio? (j) Existe muita diferença em considerar o modelo de equilíbrio com a volatilidade relativa média ou a real (função da temperatura)? (k) Quais as diferenças entre realizar este processo de forma isotérmica e adiabática? A troca de isotérmico para adiabático acarretaria em conseqüências em sua operação? Página 16 de 43

2 356.1 523 Pressão de Vapor [bar] 1.5 1 0.5 1.013 0 250 300 350 400 450 500 550 600 ácido benzóico ciclohexeno Temperaura [K] Figura 1 2500 ART 2000 alpha(t) 1500 1000 500 αm 0 350 400 450 500 550 Temperatura [K] Figura 2 Página 17 de 43

ART 540 P = 1.013 bar 530 z1 F 520 510 500 490 480 470 Temperatura [K] vtpb i 1 vtpo i 1 460 450 440 430 420 410 T F 400 390 380 370 360 350 340 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 xg i 1 Fração Molar de Ácido benzóico Figura 3 Página 18 de 43

ART 1.2 P = 1.013 bar 1.1 1 0.9 0.8 0.7 y 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 Eq. Modelo alpha médio y=x Eq. Modelo alpha=f(t) x Figura 4 Página 19 de 43

Exercício 13 - Destilação Uma torre de destilação foi projetada para a separação de benzeno e tolueno a uma pressão de 1 atm. A carga da torre, cuja vazão é de 8057 kg/h e composição de 82.5 % molar de benzeno, é introduzida na torre a 45 C e o vapor de topo sai a 84 C, que é condensado totalmente no condensador de topo, produzindo líquido no ponto de bolha. A razão de refluxo de projeto é de 1,5:1. O líquido sai da torre, no seu último estágio, a 105 C e é vaporizado parcialmente no refervedor, cuja a temperatura de equilíbrio é de 107 C. Calcular: (a) vazões molares das correntes: D, B, L 0, V 1, L N e V N+1 ; (b) carga térmica do condensador de topo; (c) carga térmica do refervedor; (d) considerando a carga (F) com f v = -2.9 ( x 1 = 0.825, T F = 313 K) ) calcule o número de estágios teóricos necessários, utilizando o método gráfico McCabe - Thiele.(f v é fração vaporizada no flash da corrente de alimentação F) Página 20 de 43

Exercício 14 - Destilação Uma torre de destilação fracionada deve ser projetada para separar a mistura benzeno / tolueno à pressão de 1 atm. As condições de carga são: composição 60% molar de benzeno, à temperatura de 92,6 C. A razão de refluxo é de 2,0. O vapor de topo da torre fracionada é parcialmente condensado, no condensador de topo, sendo o tambor de topo mantido a 82,2 C. O destilado é retirado na fase de vapor. A vazão de carga é 100 lb mol/h. A razão de benzeno no resíduo não deve ser maior que 6% de benzeno que entra na torre. Considerando uma eficiência global de 70%, determinar, o n de pratos reais necessários para se conseguir a separação, e qual deve ser o prato de carga.. Qual é a temperatura do topo da torre? Página 21 de 43

Exercício 15 - Destilação Um efluente industrial pode ser considerado uma mistura binária. O componente mais volátil desta mistura está em menor proporção (aproximadamente 5% molar) e tem alto valor comercial. Existe uma chance deste componente ser recuperado por um processo de destilação fracionada. Faça um esboço do fluxograma do processo. Faça comentários sobre as seções de enriquecimento e esgotamento de sua coluna de destilação. Considere a corrente de efluente em questão sendo alimentada na torre como vapor saturado e faça um esboço no diagrama y-x da aplicação do Método McCabe-Thiele. Comente a questão da razão de refluxo. Página 22 de 43

Exercício 16 - Destilação Uma destilação em batelada de benzeno e tolueno foi realizada a partir de uma mistura contendo 60% molar de benzeno. Foram retiradas em momentos diferentes e subseqüentes as correntes S-102, S-103 e S-104. Partindo da informação que no início da destilação foram adicionados 100 kmol da mistura, responda as questões: S-102 S-103 S-104 S-101 C-101 S-105 Destilador (a) Como os componentes estarão distribuídos nas correntes? (b) Escreva a expressão para a quantidade final de benzeno no resíduo? (c) Quais dados no gráfico abaixo pertencem ao tolueno? 1.0 0.9 Fração molar no Refervedor 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0 20 40 60 80 % Destilada Página 23 de 43

Exercício 17 - Destilação Um engenheiro estudava a destilação fracionada de benzeno e tolueno. Este profissional teve que fazer uma viagem de emergência e encontra-se em local de difícil comunicação. O único registro é o gráfico encontrado abaixo. Deduz-se que a retirada de topo é somente de vapor. Responda as questões abaixo: (a) Qual o sistema analisado? Faça um esboço do sistema (b) Qual a condição da carga? (f V e z A ) (c) Quais as concentrações nas saídas e a razão de refluxo? (G, B e R D ) (d) Quais as vazões molares de saída G e B? (e) Qual o número de pratos teóricos na coluna? Página 24 de 43

Exercício 18 - Destilação Uma mistura líquida de benzeno e tolueno é destilada em uma torre de destilação fracionada @ 101.3 kpa. A alimentação contém 45 % molar de benzeno e entra na torre a 373.3 K, constituindo 100 kmol/h. O destilado obtido corresponde a uma temperatura no topo da torre de 355.8 K e a temperatura de equilíbrio do refervedor é de 375.3 K. No topo está instalado um condensador total e a razão de refluxo é de 4:1. Calcule as vazões de destilado e retirada de fundo líquida. Pelo método gráfico determine o n.º de estágios teóricos necessários na coluna. Determine o n.º de estágios mínimo do sistema. Página 25 de 43

Exercício 19 - Destilação Analisando o diagrama de equilíbrio para a mistura etilbenzeno e octano, comente as principais dificuldades que ocorreriam na tentativa de separá-los, com a mesma concentração na corrente de alimentação, em uma coluna projetada para a mistura benzeno e tolueno. Utilize um dos problemas resolvidos para comparação. Curva de Equilíbrio Octano & Etilbenzeno @ 1.0133 bar 410 405 Temperatura [K] 400 395 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Fração molar - Benzeno (1) Página 26 de 43

Exercício 20 - Destilação Considere um processo onde se pretende retirar ácido acético escolhendo um dos seguintes compostos como solvente: a água (Sistema I - SI) ou o benzeno (Sistema II - SII). Com base nos diagramas de equilíbrio T-x-y anexos, responda as seguintes questões, sempre justificando. (a) Qual o sistema mais apropriado considerando a posterior separação das misturas formadas por destilação? (b) Se fosse possível optar pelo flash, qual dos dois sistemas daria o melhor resultado? (c) No caso do processo escolhido ser o de destilação, qual sistema, formado pela torre de destilação, condensador e refervedor, teria o melhor desempenho para a mesma pureza de ácido acético recuperado? (d) Faça uma análise global do problema, considerando também os aspectos ambientais, e faça a sua escolha: qual o sistema mais apropriado? Curva de Equilíbrio Benzeno (1) Ácido Acético (2) @ 1.0133 bar Curva de Equilíbrio Água (1) Ácido Acético (2) @ 1.0133 bar 395 395 390 385 390 380 Temperatura [K] 375 370 Temperatura [K] 385 380 365 360 375 355 350 370 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1. 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Fração molar - Benzeno (1) Fração molar - Água (1) Página 27 de 43

Exercício 21 - Destilação Uma torre de destilação foi projetada para a separação de benzeno e tolueno a uma pressão de 1 atm. A carga da torre, cuja vazão é de 500 kmol/h (F) e composição de 60% molar de benzeno, é introduzida na torre a 89.3 C (362.5 K). O vapor do topo da torre (V 1 ) sai a 82 C, que é condensado totalmente no condensador de topo, produzindo líquido no ponto de bolha (D). A razão de refluxo de projeto é de 2:1. O líquido sai da torre, no seu último estágio, a 108 C e é vaporizado parcialmente no refervedor, cuja a temperatura de equilíbrio é de 109 C (B). Pede-se: (a) A temperatura do destilado de topo (D), se a concentração de benzeno nesta corrente é 96.6%molar; (b) A concentração de benzeno na corrente de resíduo de fundo (B); (c) Quais os valores de B e D em kmol/h; (d) Sabendo que a carga térmica do refervedor é de 1.54x10 9 J/h, a entalpia das correntes do sistema estão na tabela abaixo, calcule a carga térmica do condensador; (e) O número de estágios teóricos do sistema de destilação fracionada; (f). O número de estágios teóricos na coluna de destilação; (g) A relação entre a razão de refluxo e a razão de refluxo mínima. Correntes Temperatura [ ºC ] Composição [% molar de benzeno] Entalpia [ J / mol ] D T D 96.6 7.923E+3 B 109? 1.667E+4 F 89.3 60 1.049E+4 Observações: 1E+4 = 1 x 10 4, verifique as unidades utilizadas. Página 28 de 43

Exercício 22 - Destilação Um sistema de destilação fracionada separa benzeno e tolueno a partir de uma corrente que totaliza 100 kmol/h. No diagrama y-x, fornecido em anexo, foi construído o gráfico segundo o método McCabe - Thiele que corresponde a este sistema. Baseando-se neste gráfico e, quando necessário, no diagrama T-x-y, responda: (a) Qual a fração molar do tolueno na alimentação (carga) da coluna? (b) Qual a fração molar do benzeno no destilado de fundo (refervedor)? (c) Em qual estágio da coluna ocorre a alimentação do sistema? (d) Qual é o número de estágios teóricos necessários na coluna? (e) Qual a razão de refluxo? (f) Qual a vazão de destilado no topo em kmol/h? (g) Qual a Temperatura de equilíbrio do 3º (terceiro) estágio da coluna? (h) Qual a condição (em termos de equilíbrio de fases) da corrente de alimentação? Página 29 de 43

Exercício 23 - Absorção Através de uma coluna de pratos absorve-se a acetona, contida em uma mistura com ar, com óleo não volátil. O gás que entra na coluna contém 25% molar de acetona, e o óleo que entra está isento de acetona. Absorve-se 90% da acetona contida no ar e o licor concentrado, no fundo da torre, contém 20% molar de acetona. A massa molecular média do óleo pode ser considerada 220 g /mol. A relação de equilíbrio é dada pela equação: y( x) = 1,9 x (a) Faça um estudo da vazão mínima de solvente necessária para tratar 1000 kg/h da mistura gasosa; (b).construa a linha de operação, pela equação já definida, e determine o número de estágios ideais. Página 30 de 43

Exercício 24 - Absorção Em uma coluna de absorção recheada de anéis cerâmicos de Rasching de 1/2, deseja-se recuperar, com água, 98% do gás amoníaco, NH 3, contido em uma mistura gasosa binária com ar. A concentração de NH 3 medida na corrente a ser tratada foi de 6% v.v.. A absorção se dará @ 26 C e 760 mmhg, e a vazão da corrente a ser tratada é de 1000 kg/h. O ar nestas condições é considerado inerte. Calcular: (a) A quantidade mínima de solvente necessária, considerando a água pura; (b) A concentração do líquido na saída da coluna se a quantidade de água empregada for 10 vezes a vazão mínima; (c) O diâmetro da torre, sendo o fator de projeto igual a 0.6; (d) O número de estágios necessários para realizar esta operação, caso a coluna empregada seja de pratos ; (e) A altura do recheio se a altura da unidade de transferência é igual a H OG = 0,40 m ; Observações: Considerar que a curva de equilíbrio seja expressa pela equação de uma reta (solução diluída), e igual a: µ H2O = 1 cpoise ρ H2O = 1 g/cm 3 = 62.4 lb/ft 3. yx ( ) = 0185. x R = 1.987 cal / ( mol. K) = 82.06 atm.cm 3 / (mol. K) = 0.7302 atm.ft 3 / (lbmol. R) Página 31 de 43

Exercício 25 - Absorção Uma coluna de absorção de uma planta química recupera 99% da amônia contida em uma corrente de ar. A coluna foi projetada para trabalhar a 25ºC e 760 mmhg. A corrente de gás que entra na coluna tem 3% molar de amônia e uma vazão de 1000 kg/h (35,12 kmol/h). A coluna está recheada com anéis cerâmicos de Rasching de 1/2. Está sendo operada utilizando água pura como solvente para absorção da amônia. Sabendo que a torre tem 0,352 m de diâmetro, responda: (a) Qual a vazão mínima de solvente? (b) Qual a concentração de amônia na saída de fundo de solvente se for utilizada uma vazão de solvente 15 vezes maior que a vazão mínima de solvente? (c) Para a vazão de solvente de 15 vezes a vazão mínima de solvente, qual será a condição da torre em termos de afastamento da condição de inundação? (Anéis de Rasching de ½ tem um c f = 580 e a = 400 m 2 / m 3 ) (d) Haveria alteração desta condição se fosse substituído o recheio? Página 32 de 43

Exercício 26 - Absorção Uma coluna de absorção recupera 80 % da amônia contida em uma corrente com ar. A concentração de NH 3 nesta corrente é de 8 moles para cada 100 moles de ar. Utiliza-se para absorver uma corrente de água que não contém NH 3. A corrente de entrada do gás corresponde a 108 kmol/h e a equação de equilíbrio a y 0.3 (a) Qual a concentração, em razão molar, de NH 3 no gás de saída? (b) Qual a vazão mínima de solvente? (c) Qual a relação L op S L = x. min se for considerada a reta de operação correspondente ao gráfico abaixo? S op (d) Qual a concentração, em razão molar, de NH 3 no líquido que sai da coluna para L S? Página 33 de 43

0.15 0.14 0.13 0.12 0.11 0.1 0.09 YXg ( ) 0.08 Yop( Xg) Ymin( Xg) 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0 Xg 0.4 Página 34 de 43

Exercício 27 - Absorção Deseja-se reter 98 % de todo o SO 2 contido em uma corrente de ar em uma torre de absorção. A concentração de SO 2 na corrente a 30 C é de 10 % molar. A solubilidade do SO 2 em água, a 30 C, é dada pela expressão: y = 4. 05 x para a pressão total igual a 1,0133 bar. Deseja-se inicialmente utilizar água como solvente de absorção na coluna construída. A corrente total de saída corresponde a 200 kmol/h. (a) Qual a vazão mínima de solvente, se a água utilizada como solvente tiver 0,1 % molar de SO 2? (b) Quais os efeitos esperados da solubilização do SO 2 na água? (c) O que poderia ser adicionado à água para melhorar o desempenho do sistema de absorção (d) Na tabela abaixo, escolha um dos recheios disponíveis, justifique a sua escolha listando as características do recheio escolhido e seu impacto no sistema Recheio Material a [m 2 /m 3 ] cf R$/m 3 sela Berl 1 cerâmica 250 110 820 anel de Pall 1 cerâmica 220 52 710 anel de Pall 1 polipropileno 206 52 380 anel de Raschig 1 aço 203 115 350 Página 35 de 43

Exercício 28 - Extração Uma unidade de extração em contra corrente é utilizada para separar acetona (A) de uma mistura com água (C), através da extração com MIBK (B) a uma temperatura de 25 C. A alimentação consiste de uma mistura de 15% de acetona e 85% de água em massa. É utilizada uma massa igual de solvente puro na alimentação da corrente de extração. (a) Como determinar as concentrações no extrato e rafinado finais? (b) Quantos estágios ideais são necessários para se extrair 95% da acetona presente na corrente de alimentação? (c) Qual a composição do extrato na saída da bateria de misturadores decantadores? Página 36 de 43

Exercício 29 - Extração Uma corrente de 30% de acetona em água, com uma vazão de 1000 kg/h é tratada em corrente cruzada com MIK (ou MIBK - metil isobutilcetona). Utiliza-se para calcular o ELL o diagrama de equilíbrio que define o sistema de solventes parcialmente miscíveis para água - acetona - MIK. Em todos os estágios é utilizado solvente de extração puro, no caso o MIK. Determine: (a) o número de estágios necessários para que, com uma vazão de solvente de 500 kg/h, seja possível recuperar no mínimo 90% da acetona que entra no sistema; (b) a vazão de solvente que garante uma recuperação de 98% no mesmo número de estágios do item anterior. Página 37 de 43

Exercício 30 - Extração Uma corrente de 100 kg/h de uma solução de acetaldeído em tolueno, com composição de 5% em peso de acetaldeído, é submetida a um processo de extração em corrente cruzada. Emprega-se como co-solvente a água com uma vazão de 30kg/h em cada estágio de separação. Considere que: a água e o tolueno são completamente imiscíveis; a relação de equilíbrio, expressa em razões mássicas, é dada pela expressão: Y' = 220. X ' onde Y é a razão mássica entre o soluto (acetaldeído) e o solvente (tolueno) e X a razão mássica entre o soluto e o cosolvente (água); a água empregada é pura. Pede-se então para calcular: (a) a razão de recuperação de acetaldeído em um estágio; (b) compare o resultado com a operação em dois estágio utilizando em cada 15 kg/h de água; Página 38 de 43

Exercício 31 - Extração Estão disponíveis 1000 kg/h de uma solução aquosa de ácido benzóico, com concentração igual a 0.3% em peso de ácido. Para separar o ácido benzóico submete-se esta solução a um processo de extração a 20 C, utilizando como solvente o benzeno. Os dados de equilíbrio disponíveis para o sistema ácido benzóico (A), benzeno (B) e água (C), a 20 C, são: X' Y' 0.000915 0.001025 0.001135 0.0016 0.001525 0.00291 0.00204 0.00533 0.00256 0.00794 0.00399 0.0201 0.00523 0.036 - X e Y são as razões mássicas de ácido benzóico nas fases aquosa e orgânica respectivamente. 2 Y' = 145514. *( X') 0. 901851* X' + 0. 000793586 C.C.= 0.999769 (a) Calcule a recuperação em um processo de extração com corrente cruzada, com 3 estágios de equilíbrio, utilizando como solvente em cada estágio 600 kg/h de benzeno puro; (b) Calcule a recuperação em um processo de extração em contra corrente, com 3 estágios de equilíbrio, utilizando como solvente 1800 kg/h de benzeno puro; (c) Compare e comente os resultados para os dois processos. Página 39 de 43

Exercício 32 - Extração Deseja-se concentrar o soluto A em uma fase aquosa composta principalmente pela água e denominada co-solvente C. O soluto A encontra-se inicialmente solubilizado no solvente orgânico. A partir da análise dos diagramas dos Sistemas I e II que são caracterizados pelos solventes orgânicos B1 e B2, responda as seguintes questões: (a) Qual a relação de solubilidade entre A, C e B1 ou B2? (b) Qual sistema é o mais adequado para utilização como desejado? (c) Considerando a densidade de B1 como 0,83, a de B2 como 0,86 e a da água 1,00, faça um diagrama indicando a distribuição das fases para o sistema selecionado. Página 40 de 43

Exercício 33 - Adsorção Foi montada uma coluna de adsorção com carvão ativo de alta porosidade. A coluna tem 5 m de altura e 50 cm de diâmetro, sendo que 3/4 deste volume está preenchido com o adsorvente. Pretende-se tratar uma corrente que contém fenol por adsorção neste equipamento. Os dados de equilíbrio correspondente a este sistema estão relacionados na tabela abaixo: C [kg/m 3 ] X 0,322 0,150 0,117 0,122 0,039 0,094 0,0061 0,059 0,0011 0,045 Onde: C é a concentração de fenol ma fase líquida e X é a razão mássica do fenol na fase sólida em relação à massa de carvão ativo. Se a concentração de fenol na corrente a ser tratada for de 0,08 kg de fenol por m 3, calcule: (a) A capacidade total de retenção de fenol na coluna construída, considerando a massa específica aparente do carvão ativo igual a 0,25 g/cm3. Página 41 de 43

Exercício 34 - Adsorção Em uma coluna de adsorção com carvão ativo de alta porosidade e com massa específica aparente igual a 0,25 g/cm 3. A coluna tem 5 m de altura e 112,83 cm de diâmetro, sendo que 4/5 deste volume está preenchido com o adsorvente. Pretende-se tratar por adsorção uma corrente que contém fenol e água neste equipamento, sendo a concentração de fenol na corrente a ser tratada de 0,05 kg de fenol por m 3. Os dados de equilíbrio correspondente a este sistema estão relacionados na tabela abaixo: C o [kg/m 3 ] X 0,322 0,150 0,117 0,122 0,039 0,094 0,0061 0,059 0,0011 0,045 Onde: C o é a concentração inicial de fenol na fase líquida e X é a razão mássica do fenol na fase sólida em relação à massa de carvão ativo. Sabendo que o sistema é alimentado com uma vazão de 0,5 m3/h, responda: (a) Qual a capacidade total de retenção de fenol na coluna, em kg de fenol como adsorbato? (b) Qual o tempo de operação em dias? Página 42 de 43