Lista 5

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Operações Unitárias II 
 
Lista 5 
 
Questão 1: 
Determinar a umidade, a entalpia, a umidade relativa e a temperatura do ponto de orvalho do ar 
úmido considerando uma temperatura de bulbo seco de 20 ºC e uma temperatura de bulbo úmido de 15 ºC. 
 
Questão 2: 
Ar a 20 ºC e 40% de umidade é aquecido até 32 ºC. Para o ar aquecido, determinar a umidade 
relativa, as temperaturas de bulbo seco, bulbo úmido e a temperatura de orvalho. Determinar também o calor 
necessário por unidade de massa de ar seco para executar o serviço. 
 
Questão 3: 
Em um sistema de refrigeração, uma corrente de ar com vazão de 1000 kg/h (base ar seco) é 
refrigerada de 30 ºC (bulbo úmido 27 ºC) até 20 ºC. Determinar a carga térmica, a vazão de água drenada e a 
umidade relativa do ar na saída do equipamento. 
 
Questão 4 (Adaptado de McCabe e Smith, 1976): 
 Em um processo da indústria microeletrônica, é necessária uma corrente de ar com vazão de 7000 
kg/h a 55 ºC e 20% de umidade. Esta corrente é obtida a partir de um suprimento de ar a 30 ºC e 20% de 
umidade, de acordo com as seguintes etapas: (i) pré-aquecimento, (ii) passagem em uma câmara de spray 
(umidificação adiabática) até a umidade desejada, onde a temperatura de saída da câmara é 2 ºC superior ao 
bulbo úmido e (iii) reaquecimento até a temperatura final. 
 Determinar: a) Temperatura de pré-aquecimento do ar; b) Temperatura da saída da câmara de spray; 
c) Carga térmica do processo de pré-aquecimento; d) Carga térmica do processo de reaquecimento. 
 
Questão 5: 
 Uma corrente de ar úmido com vazão total de 20000 Nm3/h a 40 ºC e 80% de umidade relativa deve 
ser desumidificada até que a percentagem molar da água no ar atinja 2%. Para este serviço, propõe-se a 
utilização de um resfriador utilizando água gelada. Para o dimensionamento preliminar do equipamento, 
determinar a temperatura de saída da corrente de ar, a carga térmica do trocador e a vazão de água 
condensada. Dados: Composição do ar: 79% de N2 e 21% de O2, Massa molar do ar: 29 kg/kmol, Constante 
universal dos gases: 8314 J/kmolK, Volume molar nas CNTP: 22,414 m3/kmol 
 
Questão 6: 
 Uma corrente de ar úmido com vazão 10000 Nm3/h, inicialmente com uma temperatura de bulbo 
seco de 30 ºC e 70% de umidade, deve ser tratada até atingir a mesma temperatura de 30 ºC, porém nas 
condições de saturação. Apresentar um conjunto etapas capaz de atingir a especificação desejada, 
determinando também as taxas de transferência de calor e massa envolvidas, permitindo assim o 
dimensionamento dos equipamentos necessários. 
 
Questão 7: 
 Determinar a vazão máxima de água que pode ser resfriada em uma torre de resfriamento com as 
seguintes características: Temperatura do ar (bulbo seco): 30 ºC, Umidade relativa: 50%, Temperatura da 
água na alimentação: 40 ºC, Temperatura da água na saída: 32 ºC, Altura do recheio: 2 m, Parâmetros da 
função KaV/L: Cun = 0,8 e n = 0,6, Seção reta da torre: 3 m x 3 m, Vazão de ar: 20 m
3/s, Capacidade 
calorífica da água: 4200 J/kgK 
 
Questão 8: 
 Se a torre do problema anterior estiver operando na capacidade máxima e a umidade relativa 
aumentar para 80% devido a um período chuvoso, qual será a temperatura de saída da água? 
 
Questão 9: 
 Determinar o número de torres de resfriamento necessárias para resfriar 3000 m3/h de água de 40 ºC 
até 32 ºC. Condições ambientais: Temperatura do ar (bulbo seco): 30 ºC e Umidade relativa: 50%. 
Especificações de cada torre: Altura do recheio: 2 m, Parâmetros da função KaV/L: Cun = 0,8 e n = 0,6, 
Seção reta de cada célula: 4 m x 4 m, Vazão de ar: 40 m3/s, Capacidade calorífica da água: 4200 J/kgK. 
 
Questão 10: 
No projeto de uma nova planta, há severas restrições ao consumo de água para atendimento às 
necessidades do processo. Desta forma, visando determinar o balanço hídrico da unidade, avaliar o consumo 
de água de reposição (em m3/h) atrelado à evaporação no sistema de água de resfriamento descrito a seguir. 
Sugestão: Desconsiderar a variação da vazão de água de resfriamento ao longo das torres nos cálculos 
referentes ao balanço de energia e assumir que a corrente de ar sai saturada das torres para a atmosfera. 
Dados:  Temperaturas de suprimento e retorno da água de resfriamento: 32 C e 43 C;  Vazão total de 
água alimentada nas torres: 20000 m3/h;  Torres: Contracorrente com tiragem mecânica induzida operando 
com uma razão entre as vazões mássicas de água e ar equivalente a 0,5;  Condições ambientais: 
Temperatura de bulbo seco: 30 C; Umidade relativa: 60 %; Pressão: 1 atm; Velocidade e direção do vento: 
2 m/s NNO.  Propriedades físicas da água: Massa específica: 995 kg/m3, Viscosidade: 0,810-3 Pas, 
Capacidade térmica: 4200 J/kgK, Condutividade térmica: 0,59 W/mK 
 
Questão 11 (Adaptado de Smith, 2005): 
 Para uma corrente de gás natural com composição molar 90% CH4 e 10% C2H6, determinar a 
temperatura adiabática de chama nas seguintes condições com combustível e comburente a 25 ºC: 
a) Queima com ar estequiométrico 
b) Queima com 10% em excesso de ar 
c) Queima com 10% em excesso de ar com 60% de umidade relativa 
 
Questão 12 (Adaptado de Smith, 2005): 
 Desconsiderando as perdas através das paredes do forno e admitindo uma temperatura de chaminé 
igual a 100ºC, determinar a eficiência do forno relativa ao item c da questão anterior. 
 
Questão 13: 
 No projeto de um forno, a vazão de gás natural (composição molar 90% CH4 e 10% C2H6) queimada 
com 10% em excesso de ar é igual a 4000 kg/h. Considerando que a carga térmica absorvida a zona de 
radiação é 70% do total do serviço e uma eficiência do forno como um todo de 90%, determinar: 
 a) Vazão mássica dos gases de combustão 
 b) Temperatura de entrada dos gases de combustão na zona de convecção 
c) Temperatura de chaminé. 
 
Questão 14: 
 Uma corrente de metano com 5000 kg/h deve ser aquecida de 30 ºC até 300 ºC em um forno com 
eficiência total de 90%. Determinar o consumo de gás natural com composição molar 90% CH4 e 10% C2H6 
durante a operação do forno. 
 
Questão 15: 
Determinar a eficiência do forno descrito abaixo (considere que a corrente de gás natural pode ser 
descrita como 90% metano e 10% etano). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Questão 16: 
 Acompanhe abaixo o relatório técnico de um engenheiro sobre um problema operacional em um 
trocador de calor em uma unidade industrial: 
 
“Na nossa unidade, um resfriador contracorrente de gás de síntese (capacidade calorífica: 5300 
J/kgK) de 53 m2 de área utiliza água de resfriamento (capacidade calorífica: 4200 J/kgK) para reduzir a 
temperatura do gás até um valor próximo a 40 ºC. Neste trocador, o coeficiente global de transferência de 
calor é controlado pela corrente de gás de síntese. A tabela a seguir apresenta registros confiáveis da 
operação do equipamento colhidos pela instrumentação do processo em duas datas diferentes. Dados de 
laboratório indicam que a composição do gás de síntese não se alterou entre estas duas datas. 
 
Data msyngas (kg/h) Tsyngas,i (ºC) Tsyngas,o (ºC) TH2O,i (ºC) TH2O,o (ºC) 
11/06/2015 8900 90 50 32 68 
27/09/2013 9000 92 42 32 42 
 
 De acordo com os dados indicados, acredito que o aumento da temperatura de saída do gás de síntese 
ocorreu devido à deposição sobre a área de troca térmica e, por este motivo, recomendo a limpeza do 
equipamento.” 
A análise do engenheiro está correta? Caso você discorde da recomendação proposta, indique o que 
causou o efeito registrado. 
 
Questão 17: 
 Na avaliação de um trocador em operação, deve-se verificar o quanto a sujeira está afetando o 
desempenho do equipamento. Com este objetivo, calcular qual seria a variação na carga térmica do trocador 
após um procedimento de limpeza que fosse capaz de remover totalmente os depósitos presentes. 
 Dados do trocador: Tipo: BEM, Corrente nos tubos: Fluido frio, Número de tubos: 496, Número de 
passes no casco e nos tubos: 1/2, Comprimento, diâmetronominal e espessura dos tubos: 8 ft, 3/4 in e 0,065 
in, Arranjo e passo do feixe: 30º e 15/16 in, Diâmetro do casco: 23 ¼ in, Espaçamento central das chicanas: 
250 mm, Corte da chicana: 25%, Material dos tubos: aço carbono (condutividade térmica: 50 W/mK) 
 Dados operacionais: Vazão, temperatura de entrada e temperatura de saída da corrente quente: 14,0 
kg/s, 278 ºC e 200 ºC, Vazão, temperatura de entrada da corrente fria: 22,4 kg/s e 89,8 ºC. Não há mudança 
de fase em nenhuma das correntes. 
 Propriedades físicas da corrente quente: Massa específica: 750 kg/m3, Capacidade calorífica: 2840 
J/kgK, Viscosidade: 34010-6 Pas, Condutividade térmica: 0,19 W/mK 
 Propriedades físicas da corrente fria: Massa específica: 740 kg/m3, Capacidade calorífica: 2407 
J/kgK, Viscosidade: 49410-6 Pas, Condutividade térmica: 0,11 W/mK 
Vapor 280 C 
7500 kg/h 
Gás natural 30 C 
5000 kg/h 
Gás natural 
210 kg/h 
Ar (10% em excesso) 
450 C 
 
 
Dados: 
 
Capacidade calorífica molar: 33
2
210 TTTCp  para T em K e Cp em kJ/kmolK 
 
Componente 0 110
2 210
5 310
9 
O2 25,467 1,5202 -0,7155 1,3117 
N2 28,9015 -0,1571 0,8081 -2,8726 
H2O 32,2384 0,1923 1,0555 -3,5952 
CO2 22,2570 5,9808 -3,5010 7,4693 
CH4 19,8873 5,0242 1,2686 -11,0113 
C2H6 6,8998 17,2664 -6,4058 7,2850 
 
Entalpia de combustão a 298 K 
 
 CH4 + 2 O2  CO2 + 2 H2O(g) Hcomb = - 802,8 MJ/kmol 
 
 C2H6 + 3,5 O2  2 CO2 + 3 H2O(g) Hcomb = - 1428,7 MJ/kmol