Caderno de Exercícios de Processos Químicos Industriais

CADERNO DE EXERCÍCIOS PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS AULAS 16 Prof Dr Marcos Baroncini Proença EXERCÍCIOS AULAS 16 DE PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS CONVERSA INICIAL Neste caderno de exercícios serão apresentados exercícios resolvidos e postados exercícios propostos visando uma maior sedimentação dos conteúdos abordados nas Aulas 1 a 6 da Rota de Estudos Trataremos tanto dos conceitos da Disciplina de forma aplicada quanto de conhecimentos básicos necessários as resoluções dos exercícios conceitos esses que embora não façam parte da disciplina já forma vistos nas disciplinas anteriores do Curso A proposta será sempre de apresentar exercícios resolvidos passo a passo e depois propor a resolução de exercícios de sedimentação de conhecimento Com isso acreditamos estar complementando o Material da Rota de Estudo visando melhorar o desempenho do discente no que concerne ao aprendizado do conteúdo e a aplicação de conceitos AULA 1 FUNDAMENTOS DE PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS E BALANÇO DE MASSA Exercícios resolvidos 1 Um processo químico industrial pode ser representado de três formas representação isométrica representação por fluxograma de processos e representação por diagrama de blocos Abaixo são apresentadas figuras destas representações e as características de cada uma Ligue a representação com a característica Como ficará o resultado Resolução comentada esse exercício trata de uma aplicação direta de conceito e identificação de representação de processos químicos industriais Portanto Como resultado das ligações ficará A3 B1 e C2 2 Para o diagrama de blocos representado abaixo identificar as correntes de entrada e de saída para cada equipamento Resolução comentada esse exercício trata de uma aplicação direta da identificação de correntes de entrada e saída em um diagrama de blocos Portanto Conforme a tabela abaixo as correntes de entrada e saída dos equipamentos serão Equipamentos Correntes de Entrada Correntes de Saída 1 AB CD 2 D EF 3 F GH É interessante observar como no caso das correntes D e F que uma corrente pode ser considerada como de entrada ou como de saída em função do volume de controle 3 Um evaporador de simples efeito operando em regime permanente é usado para concentrar uma solução aquosa ácido acético de 40 até 60 de sólidos por meio da evaporação do solvente Para uma alimentação de 500 Lh de solução e sabendo que no Topo sairá apenas vapor do solvente xV 1 desenvolver o balanço de massa deste evaporador Resolução comentada esse exercício trata de balanço de massa para um volume de controle em regime permanente Este balanço será feito usando o Balanço Global e o Balanço de Massa para os sólidos Portanto primeiro se deve complementar as informações das frações mássicas de líquido e de sólido depois será feito o balanço de massa para identificação da vazão mássica de fundo e por último será feito o balanço global para se determinar a vazão mássica de topo Assim Volume de Controle xL xS Solução Diluída 04 Solução Concentrada 06 Vapor do Solvente 1 00 Balanço de Massa QSD xS QV xS QSC xS 500 04 QV 00 QSC 06 QSC 33333 Lh Balanço Global QSD QV QSC 500 QV 33333 QV 16667 Lh 4 Um misturador recebe duas soluções com concentrações diferentes de sólidos A solução A de vazão mássica 200kgmin entra com concentração de 40 de sólidos e a solução B de vazão mássica 320kgmin entra com concentração de 60 de sólidos Considerando este misturador como sendo de regime permanente determinar a vazão da solução C de saída do misturador e a concentração de sólidos nela Resolução comentada esse exercício trata de balanço de massa para um volume de controle em regime permanente Este balanço será feito usando o Balanço Global e depois o Balanço de Massa para os sólidos Portanto primeiro será obtida a vazão mássica de C pelo Balanço Global Posteriormente será obtida a concentração de sólidos em C pelo Balanço de Massa Assim Balanço Global ṁA ṁB ṁC 200 320 ṁC ṁC 520 kgmin Balanço de Massa ṁA xSA ṁB xSB ṁC xSC 200 04 320 06 520 xSC 𝒙𝑺𝑪 𝟖𝟎 𝟏𝟗𝟐 𝟓𝟐𝟎 𝒙𝑺𝑪 𝟎 𝟓𝟐 O produto C sairá do reator com uma vazão volumétrica de 520 kgmin e uma concentração de sólidos de 52 5 A carga de uma coluna de destilação é uma mistura de benzeno e tolueno com teor em quantidade de matéria de benzeno de 50 Desejase recuperar 80 de benzeno no destilado o que deve corresponder a um teor em quantidade de matéria de benzeno de 822 Para uma produção de 1000 kgmolh de benzeno na corrente de destilado calcule as vazões molares das três correntes de processo Resolução comentada esse exercício trata de balanço de massa para um volume de controle em regime permanente A base de cálculo nesse caso é a vazão molar de benzeno no destilado que corresponde a 925 da corrente D A resolução do problema deve ser iniciada pela corrente de destilado 𝑥𝑏𝐷𝐷 1000 𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙d 𝐷 1000 0925 108108 𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙𝑑 A vazão molar total da corrente D é igual a 1081 kgmold sendo 1000 kgmold de benzeno e 81 kgmold de tolueno O benzeno recuperado no destilado corresponde a 90 do benzeno total presente na carga da coluna de destilação Podese expressar matematicamente essa relação como 𝑥𝑏𝐷𝐷 090 𝑥𝑏𝐹 𝐹 1000 090040 𝐹 𝐹 277778 𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙𝑑 Agora podese escrever o balanço de massa global e o balanço de massa para o benzeno a fim de determinar os valores de vazão molar e composição da corrente W 𝐹 𝐷 𝑊 𝑊 277778 108108 169670 𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙𝑑 𝑥𝑏𝐹 𝐹 𝑥𝑏𝐷𝐷 𝑥𝑏𝑊𝑊 040277778 0925108108 𝑥𝑏𝑊 169670 𝑥𝑏𝑊 0065 𝑥𝑡𝑊 0935 Exercícios propostos 1 Um processo químico industrial pode ser representado de três formas representação isométrica representação por fluxograma de processos e representação por diagrama de blocos Identificar o tipo de representação da figura abaixo e descrever as suas características Resposta Fluxograma de processos Características conforme exercício resolvido 1 2 Um processo químico industrial pode ser representado de três formas representação isométrica representação por fluxograma de processos e representação por diagrama de blocos Identificar o tipo de representação da figura abaixo e descrever as suas características Resposta Diagrama de blocos Características conforme exercício resolvido 1 3 Para o diagrama de blocos representado abaixo identificar as correntes de entrada e de saída para cada equipamento Resposta Equipamentos Correntes de Entrada Correntes de Saída 1 AB C 2 D GH 3 GE I 4 I JK 4 Para o diagrama de blocos representado abaixo identificar as correntes de entrada e de saída para cada equipamento Resposta Equipamentos Correntes de Entrada Correntes de Saída I 16 23 II 4 68 III 5 79 5 Um evaporador de simples efeito operando em regime permanente é usado para concentrar uma solução aquosa de suco de maracujá de 25 até 45 de sólidos por meio da evaporação do solvente Para vazão de fundo de 432 m3h de solução concentrada e sabendo que no Topo sairá apenas vapor do solvente xV 1 desenvolver o balanço de massa deste evaporador Resposta ṁE 7776 m3h e ṁV 3456 m3h 6 Um evaporador de simples efeito operando em regime permanente é usado para concentrar uma solução aquosa de sopa de 30 até 78 de sólidos por meio da evaporação do solvente Para vazão de entrada de 432 m3h de sopa e sabendo que no Topo sairá apenas vapor do solvente xLV 1 desenvolver o balanço de massa deste evaporador Resposta ṁF 16615 m3h e ṁV 26585 m3h 7 Um misturador recebe duas soluções com concentrações diferentes de sólidos A solução A de vazão mássica 231 kgmin entra com concentração de 48 Qual a vazão mássica e concentração que a solução B deve ter para garantir um produto final C com vazão de 498 kgmin e uma concentração de 60 Resposta ṁB 267 kgmin e xB 070 8 Um misturador recebe duas soluções com concentrações diferentes de sólidos A solução A de vazão mássica 97 kgmin entra com concentração de 31 A solução B de vazão mássica 48 kgmin entra com concentração de 25 Qual a vazão mássica e concentração que a solução C de saída do misturador Resposta ṁC 145 kgmin e xC 029 9 A carga de uma coluna de destilação é uma mistura de benzeno e tolueno com teor em quantidade de matéria de benzeno de 50 Desejase recuperar 80 de benzeno no destilado o que deve corresponder a um teor em quantidade de matéria de benzeno de 822 Para uma produção de 1000 kgmolh de benzeno na corrente de destilado calcule as vazões molares das três correntes de processo Resposta D 121654 kgkgmol A 2500 kgmolkg F 128346 kgmolkg xbf 0195 xtf 0805 10 A carga de uma coluna de destilação é uma mistura de etanol e água com teor igual na composição da alimentação Desejase recuperar 75 de etanol no destilado o que deve corresponder a um teor em quantidade de matéria de etanol neste destilado igual a 85 Para uma alimentação de 2200 kgh calcule as vazões do Destilado e do produto de fundo mais a composição deste produto de fundo Resposta ṁEtOH 825kgh D 97059kgh F 122941kgh xEtOH 022 xH2O 078 AULA 2 FUNDAMENTOS DE BALANÇO DE ENERGIA Exercícios resolvidos 1 Na tabela de vapor saturado abaixo quais as condições de temperatura e pressão que levarão o vapor saturado ter um volume específico igual a 43400cm3g Para estas condições que valores de Energia Interna Entalpia e Entropia terá Resolução comentada esse exercício trata da leitura direta da Tabela de Vapor Portanto primeiro procede a identificação da temperatura e a pressão para o volume específico solicitado Posteriormente lê diretamente da tabela os valores de Energia Livre Entalpia e Entropia pedidos Assim para Ѵ 43400 cm3kg As condições de temperatura e pressão serão T 29815K e p 3166kPa Os valores de Energia Interna Entalpia e Entropia serão U 24099kJkg H 25473kJkg e S 85592kJkg K 2 Determinar a pressão e o volume ocupado por 1000 kg de água no estado líquido saturado em um tanque rígido sabendo que a temperatura da água é mantida a 60C Resolução comentada esse exercício trata do uso da Tabela de Vapor para determinação de propriedades físicas da água Portanto primeiro é necessário identificar a temperatura na qual serão obtidas as propriedades da água Depois serão levantados os valores das propriedades nesta temperatura para que a partir deles sejam obtidas as propriedades para a massa de água especificada Assim Para uma temperatura 60C A pressão lida diretamente da tabela é de 02 bar para 1 kg de água Não há volume na tabela Assim deve ser obtido em função de outra propriedade No caso a propriedade será o volume específico pois relaciona o volume com a massa Na tabela o vL x 103 10172 m3kg Então vL 10172 x 103 m3kg Desta forma para 1 kg de água o volume será de 10172 x 103 m3 Para 1000kg teremos o seguinte 1 kg 02 bar 1000 kg p 𝑝 1000 02 1 𝑝 200 𝑏𝑎𝑟 1 kg 10172 x 103 m3 1000 kg vL 𝑣𝐿 1000 10172𝑥103 1 𝑣𝐿 10172 𝑚3 3 Determinar a vazão de vapor necessária em um evaporador para produção de suco concentrado sabendo que nele é alimentada uma solução com 30 de sólidos a 25C com vazão mássica de 6kgs É sabido também que o vapor de aquecimento do evaporador entra como vapor saturado e sai como líquido saturado É condição do processo que saia do evaporador como corrente de topo vapor com 100 de fração líquida e como produto de fundo um suco de com 60 de sólidos Também é condição de processo que a corrente de alimentação se divida 61 no produto de topo e 39 no de fundo Demais dados se encontram no diagrama de bloco do evaporador abaixo Resolução comentada esse exercício trata de um balanço de energia através do qual se obterá a vazão de vapor necessária para a concentração do suco concentrado no evaporador Portanto Será aplicada a expressão que tem como premissa que a energia que entra é igual a energia que sai do equipamento Assim A HA W HW V HV P HP W HL 6 107 W 26856 366 28653 234 10432 W 444 642 W 26856 10487 2441 W 444 W 26856 444 10487 2441 642 W 12286 22416 548 kgs Exercícios propostos 1 Na tabela de vapor saturado abaixo quais as condições de temperatura e pressão que levarão o vapor saturado ter uma entalpia de líquido saturado igual a 1131kJkg Para estas condições que valores de Energia Interna Entalpia e Volume específico de vapor saturado terá Resposta T30015K p3564kPa U1131kJkg H25509kJkg Ѵ 38810cm3kg 2 Determinar a pressão e o volume ocupado por 500 kg de água no estado líquido saturado em um tanque rígido sabendo que a temperatura da água é mantida a 415C Resposta p 40bar V050m3 3 Determinar a vazão de vapor necessária em um evaporador para produção de suco concentrado sabendo que nele é alimentada uma solução com 20 de sólidos a 25C com vazão mássica de 120kgmin É sabido também que o vapor de aquecimento do evaporador entra como vapor saturado e sai como líquido saturado É condição do processo que saia do evaporador como corrente de topo vapor com 100 de fração líquida e como produto de fundo um suco de com 45 de sólidos Demais dados se encontram no diagrama de bloco do evaporador abaixo A temperatura de ebulição é de 120 C Resposta V 6667 kgmin P 3333 kgmin W 8955 kgmin Aula 3 Operações Unitárias Exercícios resolvidos 1 Determinar as vazões em um sistema de evaporadores múltiplos cuja finalidade é concentrar uma solução com 15 de sólidos até 56 de sólidos Também determinar a vazão de vapor da caldeira que será usado para aquecer a solução do primeiro evaporador Os dados são fornecidos no Diagrama de Blocos abaixo Resolução comentada esse exercício trata de um balanço de massa e de energia através do qual se obterá a vazão de vapor necessária na serpentina para a concentração do suco concentrado no evaporador mais as vazões de produtos concentrados e de vapor de água gerados em cada evaporador da planta de evaporação por múltiplos efeitos Portanto No primeiro sistema serão aplicadas as expressões de balanço de massa para determinação das vazões de vapor gerado e produto concentrado bem como será aplicada a expressão de balanço de energia para determinar o fluxo de vapor na serpentina No segundo apenas o balanço de massa Assim Balanço de massa Sistema 1 A V P A xSA V xSV P xSP 250 015 V 0 P 027 P 1389 kgmin 250 V 1389 V 1111 kgmin Balanço de energia Sistema 1 A HA W HW V HV P HP W HL 250 205 W 27144 1111 26972 1389 238 W 5292 51250 W 27144 2996589 330582 W 5292 W 271454 5292 2996589 330582 51250 W 2814671 21853 1288 kgmin Balanço de massa Sistema 2 P V1 P1 P xSP V1 xSV1 P1 xSP1 1389 027 V 0 P1 046 P1 8152 kgmin 1389 V 8153 V1 5737 kgmin 2 Sabendo que um secador é alimentado com 1000 kgh de lodo úmido contendo 20 de água determinar as vazões de vapor e de produto seco sabendo que o produto final conterá 4 de umidade Determinar também a porcentagem de água retirada do lodo Resolução comentada esse exercício trata de um balanço de massa através do qual se obterão as vazões de vapor de vapor e de produto de fundo produzidos Depois bastará fazer a relação entre a quantidade de água retirada como vapor e a quantidade de água presente no sólido úmido para obter a porcentagem de água retirada Portanto Serão aplicadas as expressões de balanço de massa para determinação das vazões de vapor gerado e produto concentrado O quociente entre o vapor gerado e a massa de água de entrada no lodo fornecerá a porcentagem de água retirada do sólido Assim L xsL V xSV P xSP L V P 1000 08 V 0 P 096 P 83333 kgh 1000 V 83333 V 16667 kgh 𝐻2𝑂 𝑉 𝐿𝑥𝐿𝐿 𝐻2𝑂 16667 1000 02 083 83 3 Determinar a alimentação de um secador sabendo que madeira com 18 de umidade é alimentada e a produção deve ser de 3 tonmês de madeira seca O secador tem capacidade média de retirar 75 de água Determinar também a umidade da madeira seca Resolução comentada esse exercício trata de um balanço de massa e a relação entre a quantidade de água retirada como vapor e a quantidade de água presente no sólido úmido para obter através de sistemas de equação a alimentação Depois usaria o balanço de massa em função da fase líquida para obter a umidade na madeira seca Assim me V ms V me 3 𝐻2𝑂 𝑟𝑒𝑡 𝑉 𝑚𝑒 𝑥𝑙𝑒 075 𝑚𝑒 3 𝑚𝑒 018 me 018 075 me 3 me 0135 me 3 me 0135 me 3 me 0135 1 3 me 0865 3 me 3 0865 me 347 ton me V ms 347 V 3 V 047 ton me xLe V xLV ms xLS 347 018 047 1 3 xLs xLS 005 Aula 5 Fundamentos de Instrumentação e Controle Exercícios resolvidos 1 Determinar a pressão absoluta para um manômetro instalado em um vaso de pressão que mede um valor de pressão de 3 bar sabendo que a pressão atmosférica local é 1 atm Resolução comentada esse exercício trata da aplicação direta do conceito de pressão absoluta e sua relação com a pressão manométrica e atmosférica pabs patm pman Portanto basta aplicar a expressão levando em conta que todas as pressões devem estar na mesma unidade e que pressões acima da atmosférica são pressões positivas e pressões abaixo da atmosférica vácuo são negativas Assim pabs patm pman pabs 1 3 102 406 atm 2 Determinar a pressão absoluta para um manômetro instalado em um vaso de pressão que mede um vácuo de 25 x 105 Pa sabendo que a pressão atmosférica local é 1 atm Resolução comentada esse exercício trata da aplicação direta do conceito de pressão absoluta e sua relação com a pressão manométrica e atmosférica pabs patm pman Portanto basta aplicar a expressão levando em conta que todas as pressões devem estar na mesma unidade e que pressões acima da atmosférica são pressões positivas e pressões abaixo da atmosférica vácuo são negativas Assim pabs patm pman pabs 1 25 x 105 102 x 105 155 atm 3 Determinar o ganho para o medidor de temperatura em função do gráfico abaixo sabendo que se trata de um transmissor de 35mA até 35mA e que o 35mA está ajustado para 25C com alcance de 225C Resolução comentada esse exercício da determinação do ganho de sinal em função da temperatura que é obtido pela semelhança de triângulos Portanto por semelhança de triângulos teremos o ganho determinado pela divisão da variação do sinal em mA pela variação de temperatura em C Assim KM 3535 25025 014 mA 𝐶