Lista 2 - Balanco de Massa

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<p>Curso de Engenharia Química</p><p>Introdução à Engenharia Química</p><p>Prof. Bruna Pratto</p><p>Lista de exercícios 2</p><p>Exercício 1) Uma corrente gasosa contém 18,0% molar de hexano, e o restante é nitrogênio. A</p><p>corrente flui para um condensador, onde a temperatura é reduzida e parte do hexano condensa. A</p><p>fração molar de hexano na corrente gasosa que deixa o condensador é 0,05. O hexano líquido</p><p>condensado é recuperado com uma taxa de 1,50 L/min. Considere densidade do hexano igual a</p><p>0,659 kg/L.</p><p>(a) Qual é a vazão da corrente gasosa que sai do condensador em moles/min? R: n1 =83,8</p><p>mol/min; n2 = 72,3 mol/min</p><p>(b) Que percentagem do hexano que entra no condensador é recuperada como líquido? R: 76%</p><p>Exercício 2) Uma mistura líquida de benzeno e tolueno contém 55,0% em massa de benzeno.</p><p>Uma parte desta evaporada, gerando um vapor que contém 85,0% de benzeno e um líquido</p><p>residual que contém 10,6% em massa de benzeno. Suponha que o processo é operado de forma</p><p>contínua e em estado estacionário, com uma vazão de tação de 100,0 kg/h da mistura.</p><p>a) Sejam mv (kg/h) e mL (kg/h) as vazões mássicas das correntes de vapor e líquido,</p><p>respectivamente. Desenhe e rotule um fluxograma do processo, e escreva e resolva os balanços</p><p>de massa total e de benzeno para determinar os valores de mv e mL. R: mv = 59,7 kg/h; mL = 40,3</p><p>kg/h</p><p>Exercício 3) A extração líquida é uma operação usada para separar os componentes de uma</p><p>mistura líquida de duas ou mais espécies. No caso mais simples, a mistura contém dois</p><p>componentes: um soluto (A) e um solvente líquido (B).</p><p>A mistura é posta em contato em um tanque agitado com um segundo solvente (C), que tem duas</p><p>propriedades principais: ele dissolve A, e é imiscível ou quase imiscível com B. (Por exemplo, B</p><p>pode ser água, C um óleo mineral e A uma espécie que dissolve tanto na água quanto no óleo.)</p><p>Parte do A se transfere de B para C, e, depois, a fase rica em B (o rafinado) e a fase rica em C (o</p><p>extrato) separam-se em um tanque decantador. Se o rafinado é posto em contato com novo C em</p><p>outra etapa, mais A será transferido dele. Este processo pode ser repetido até que essencialmente</p><p>todo o A tenha sido extraído de B.</p><p>A seguir um fluxograma de um processo no qual o ácido acético (A) é extraído de uma mistura</p><p>de ácido acético e água (B) com 1-hexanol (C), um líquido que é imiscível com água.</p><p>Curso de Engenharia Química</p><p>Introdução à Engenharia Química</p><p>Prof. Bruna Pratto</p><p>Lista de exercícios 2</p><p>(a) Qual é o número máximo de balanços de massa independentes que podem ser escritos para</p><p>este processo? R: 3 equações independentes (um para cada espécie)</p><p>(b) Calcule mc, mE e mR usando a vazão da mistura de alimentação dada como base e escrevendo</p><p>balanços em uma ordem tal que você nunca tenha uma equação que envolva mais do que uma</p><p>incógnita. R: mR = 356 g/min; mE = 461 g/min; mc = 417 g/min</p><p>(c) Calcule a diferença entre a quantidade de ácido acético na mistura de alimentação e na mistura</p><p>de 0,5%, e mostre que é igual à quantidade que sai na mistura de 9,6%. R: 44 g/min=44g/min</p><p>Exercício 4) Destilam-se mil quilogramas por hora de uma mistura contendo partes iguais em massa</p><p>de metanol e água. As correntes de produto saem pelo topo e pelo fundo da coluna de destilação. A</p><p>vazão da corrente de produto do fundo é 673 kg/h, enquanto a corrente de produto do topo contém</p><p>96,0% em massa de metanol.</p><p>a) Desenhe e rotule um fluxograma do processo e faça a análise dos graus de liberdade.</p><p>b) Calcule as frações mássica e molar de metanol e as vazões molares de metanol e água na</p><p>corrente de produto do fundo. R: 0,276 kg CH3OH/kg; 5800 mol CH3OH/h; 27100 mol H2O/h; 0,176</p><p>mol CH3OH/mol</p><p>Exercício 5) Uma mistura líquida contendo 30,0% molar de benzeno (B), 25,0% de tolueno (T) e o</p><p>resto de xileno (X) alimenta uma coluna de destilação. O produto de fundo contém 98,0% molar de X</p><p>e nenhum B, e 96,0% do X na alimentação são recuperados nesta corrente. O produto de topo alimenta</p><p>uma segunda coluna. O produto de topo da segunda coluna contém 97,0% do B contido na alimentação</p><p>desta coluna. A composição desta corrente é 94,0% molar de B e o resto de T.</p><p>a) Desenhe e rotule um diagrama de fluxo para este processo e faça uma análise dos graus de</p><p>liberdade para provar que, para uma base admitida de cálculo, as vazões molares e composições de</p><p>todas as correntes de processo podem ser calculadas com a informação dada. Escreva em ordem as</p><p>equações que você resolveria para calcular as variáveis desconhecidas do processo. Em cada equação</p><p>(ou par de equações simultâneas), marque as variáveis para as quais você as resolveria. Não faça</p><p>nenhum cálculo.</p><p>b) Calcule (i) a porcentagem do benzeno na alimentação do processo (quer dizer, a alimentação</p><p>da primeira coluna) que sai no produto de topo da segunda coluna e (ii) a percentagem do tolueno na</p><p>alimentação do processo que sai no produto de fundo da segunda coluna. R: benzeno: 97%; tolueno:</p><p>89%</p><p>Exercício 6) O suco de laranja integral contém 12,0% em massa de sólidos, sendo o resto de água,</p><p>enquanto o suco de laranja concentrado contém 42,0% em massa de sólidos. Inicialmente, usava-</p><p>se um processo de evaporação simples para a concentração, mas os constituintes voláteis do suco</p><p>escapam com o vapor de água, deixando o concentrado sem gosto. O processo atual resolve o</p><p>Curso de Engenharia Química</p><p>Introdução à Engenharia Química</p><p>Prof. Bruna Pratto</p><p>Lista de exercícios 2</p><p>problema desviando uma fração de suco integral do evaporador. O suco que entra no evaporador</p><p>é concentrado até 58% de sólidos e o produto é depois misturado com o suco integral</p><p>desviado para atingir a concentração de sólidos desejada.</p><p>(a) Desenhe e rotule o fluxograma do processo, desprezando a vaporização de qualquer coisa que</p><p>não seja água. Prove primeiro que o subsistema contendo o ponto onde a corrente de desvio se</p><p>separa da corrente de alimentação tem um grau de liberdade. (Se você acha que tem zero graus</p><p>de liberdade, tente determinar as variáveis associadas com este subsistema.) Faça depois a análise</p><p>dos graus de liberdade para o sistema global, o evaporador e o ponto de mistura do produto do</p><p>evaporador com a corrente desviada, e escreva em ordem as equações que você usaria para</p><p>determinar as incógnitas. Em cada equação, marque a variável para a qual você resolveria.</p><p>(b) Calcule a quantidade de produto (concentrado 42%) produzido por cada 100 kg de suco</p><p>integral que alimentam o processo e a fração da alimentação que é desviada do evaporador. R:28,6</p><p>kg de produto; fração de by-pass: 0,095</p><p>Exercício 7) Na produção de óleo de soja, grãos de soja contendo 13% em massa de óleo e 87,0%</p><p>de sólidos são moídos e vertidos em um tanque agitado (o extrator), junto com uma corrente</p><p>reciclada de n-hexano líquido. A razão de alimentação é de 3 kg de hexano/kg de grãos moídos.</p><p>Os grãos moídos são suspensos no líquido, e praticamente todo o óleo nos grãos é extraído pelo</p><p>hexano. O efluente do extrator passa para um filtro. A torta de filtro contém 75% em massa de</p><p>sólidos e o resto é óleo e hexano, na mesma razão com que saem do extrator. A torta de filtro é</p><p>descartada e o filtrado líquido é vertido em um evaporador, no qual o hexano é vaporizado e o</p><p>óleo permanece como líquido. O óleo é armazenado em tambores e comercializado. O vapor de</p><p>hexano é subseqüentemente esfriado e condensado, e o hexano líquido é reciclado para o extrator.</p><p>a) Calcule o rendimento de óleo de soja (kg óleo/kg grãos fornecidos), a alimentação</p><p>virgem de hexano requerida (kg C6H14/kg grãos fornecidos), e a razão do reciclo para a</p><p>alimentação virgem (kg hexano reciclado/kg alimentação virgem). R: 0,118 kg óleo/kg</p><p>de grãos alimentados; 0,28 kg C6H14/kg de grãos alimentados; 9,71 kg C6H14</p><p>reciclados/kg C6H14 alimentados</p><p>Exercício 8) Na figura seguinte aparece um diagrama do processo de lavagem de camisas usado</p><p>pelo Serviço</p><p>de Lavanderia Enchente de Espuma Ltda. As camisas são mergulhadas em um</p><p>tanque agitado contendo Whizzo, o Detergente Maravilhoso, e depois torcidas e enviadas à etapa</p><p>Curso de Engenharia Química</p><p>Introdução à Engenharia Química</p><p>Prof. Bruna Pratto</p><p>Lista de exercícios 2</p><p>de enxágüe. O Whizzo sujo é enviado a um filtro no qual a maior parte da sujeira é removida; o</p><p>detergente depois de limpo é reciclado de volta e se junta com uma corrente de Whizzo puro; esta</p><p>corrente combinada serve como alimentação para o tanque de lavagem.</p><p>Dados:</p><p>1. Cada 100 lbm de camisas sujas contém 2 lbm de sujeira.</p><p>2. A lavagem remove 95% da sujeira.</p><p>3. Para cada 100 lbm de camisas sujas, 25 lbm de Whizzo saem junto com as camisas limpas,</p><p>dos quais 22 lbm são recuperadas ao torcer as camisas e enviados de volta ao tanque.</p><p>4. O detergente que entra no tanque contém 97% de Whizzo, e o que entra no filtro contém</p><p>87%. A sujeira molhada que sai do filtro contém 8% de Whizzo.</p><p>(a) Quanto Whizzo puro deve ser fornecido por cada 100 lbm de camisas sujas? R: 3,17 lbm</p><p>Whizzo</p><p>(b) Qual é a composição da corrente de reciclo? R: 96% Whizzo, 4% sujeira</p>