Lista de Exercícios Resolvidos - Equilíbrio Líquido-Vapor - Termodinâmica Química

UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA GNE329 Termodinâmica Química Aplicada II Lista de exercícios Equilíbrio líquidovapor introdução Prof Nathan Sombra Evangelista Atenção problemas ou itens marcados com devem ser resolvidos com o auxílio do Excel 1 Matsoukas p 316 q 1 Um fluido puro é descrito pela equação de Antoine 𝑙𝑜𝑔10𝑃𝑠𝑎𝑡 400266 117153 48784 𝑇 Com P em bar e T em kelvin A massa molar é 78 gmol Quanto calor é necessário para evaporar 1 kg desse líquido a 25 ºC Admita que a equação de ClausiusClapeyron é válida R 411 kJ 2 Koretsky p 235 q 2 O trimetilgálio GaCH33 pode ser usado como um gás de alimentação para o crescimento de filmes de GaAs Calcule a entalpia de vaporização do GaCH33 a partir dos dados de pressão de saturação Psat versus temperatura T fornecidos na tabela a seguir Compare o resultado calculado com o dado experimental ΔHLV 331 kJmol obtido por um calorímetro de combustão de bomba estática Considere válida a equação de ClausiusClapeyron TK Psat kPa 250 204 260 33 270 715 280 1237 290 2045 300 3248 310 4975 R 351 kJmol o que resulta numa diferença de 60 em relação ao dado experimental 3 Matsoukas p 425 q 6 Uma corrente contém uma mistura com 40 de nheptano e 60 de tolueno em base molar Calcule as pressões de bolha e de orvalho desta mistura a 120 ºC As pressões de saturação a 120 ºC são Pnheptano 18 bar e Ptolueno 10 bar R Pbolha 132 bar Porvalho 122 bar 4 Matsoukas p 424 q 1 Uma mistura vapor de acetona 1 e nitrometano 2 com y1 07 inicialmente a P 1 bar e 110 ºC deve ser condensada por compressão a temperatura constante a A que pressão o sistema condensa completamente R 3638 kPa b Calcule a composição da última bolha a condensar R y1 0891 Considere que o sistema se comporta conforme a lei de Raoult As pressões de saturação da acetona e do nitrometano puros a 110ºC são 463 kPa e 1324 kPa respectivamente 5 Koretsky p 380 q 3 Qual é a composição do vapor que está em equilíbrio com uma mistura líquida com a composição vista a seguir a 250 K Qual é a pressão Admita comportamento ideal para as duas fases Propileno 1 Propano 2 nButano 3 Isobutano 4 nPentano 5 01 025 02 035 01 R P 113 bar Composição do vapor y1y2y3y4y5 0243 0483 0070 0197 0007 6 Matsoukas p 425 q 5 Um tanque contendo uma mistura líquida de nheptano 1noctano 2 está disponível A composição da mistura é desconhecida mas o rótulo do tanque informa que a temperatura de bolha da mistura a 1 bar é 103 ºC a Qual é a composição da mistura R x1 0756 b Qual é a temperatura de orvalho de um vapor que está a 1 bar e cuja composição é idêntica à obtida no item a R T 107 ºC As pressões de saturação dos dois componentes são dadas pela equação de Antoine 𝑙𝑛𝑃𝑠𝑎𝑡 𝐴 𝐵𝐶 𝑇 Em que 𝑃𝑠𝑎𝑡está em mmHg 𝑇 está em Kelvin e os parâmetros 𝐴 𝐵 e 𝐶 são A B C noctano 159426 312029 6363 nheptano 158737 291132 5651 7 Koretsky p 380 q 4 Uma mistura líquida contendo 40 de ciclohexano 20 de benzeno 25 de tolueno e 15 de nheptano está em equilíbrio com seu vapor a 1 bar Determine a temperatura e a composição do vapor R 3613 K Composição do vapor y1y2y3y4 0503 0258 0128 0111 8 Koretsky p 380 q 7 Considere que butano 1 e nhexano 2 estão confinados em um vaso rígido na condição de equilíbrio líquidovapor O vaso é mantido na pressão de 05 bar e temperatura de 0ºC De posse destes dados calcule as composições das duas fases em equilíbrio Admita que o líquido forma uma solução ideal R x1 0452 e y1 0934 9 Smith p 276 q 7 Uma separação líquidovapor em um simples estágio para o sistema benzeno1etilbenzeno2 deve produzir fases com as seguintes composições no equilíbrio x1 035 e y1 070 Determine a temperatura e a pressão no separador R 1341 ºC e 20746 kPa 10 Smith p 276 q 2 Supondo que a lei de Raoult seja válida prepare um diagrama Pxy para uma temperatura de 90 ºC e um diagrama Txy a uma pressão de 90 kPa para o sistema 1 clorobutano1clorobenzeno2 R Resposta por conta do a discente 11 Smith p 277 q 13 Uma solução binária concentrada na espécie 2 mas x2 1 está em equilíbrio com uma fase vapor contendo as duas espécies 1 e 2 A pressão desse sistema bifásico é 1 bar e a temperatura é 25 ºC Sabendo que H12 200 bar e P2sat 01 bar determine boas estimativas para x1 e y1 Enuncie e justifique todas as hipóteses feitas R x1 00045 e y1 09 12 Koretsky p 382 q 21 Uma mistura binária de dióxido de carbono e água apresenta equilíbrio líquidovapor a 34315 K e 1 bar A solubilidade do CO2 no líquido foi medida como sendo xCO2 0000255 Qual é a constante da lei de Henry para o CO2 a 34315 K R HCO2H2O 26995 bar 13 Smith p 277 q 15 Cilindros de gás hélio com oxigênio são usados como meio de respiração para mergulhadores em água profundas do mar Por quê A tabela a seguir contém dados úteis Gás i soluto Hij bar Hélio 126600 Nitrogênio 87650 Oxigênio 44380 Solvente j água T 25 ºC R Águas profundas são ambientes de alta pressão O alto valor de HHeH2O dificulta sua dissolução na corrente sanguínea durante o processo de respiração de modo que apenas o gás oxigênio se dissolve Se fossem utilizados cilindros de gás nitrogênio com oxigênio poderia haver uma dissolução excessiva de N2 na corrente sanguínea o que levaria o mergulhador a sintomas como falta de raciocínio desorientação e euforia característicos de uma narcose por nitrogênio 14 Smith p 278 q 17 Para o sistema etanoato de etila 1nheptano 2 a 34315 K 𝑙𝑛𝛾1 095𝑥2 2 𝑙𝑛𝛾2 095𝑥1 2 𝑃1 𝑠𝑎𝑡 798 𝑘𝑃𝑎 𝑃2 𝑠𝑎𝑡 405 𝑘𝑃𝑎 Considerando válida a Lei de Raoult modificada pedese a Faça um cálculo BOL P para T 34315 K e x1 005 R P 4797 kPa y1 0196 b Faça um cálculo ORV P para T 34315 K e y1 005 R P 4219 kPa x1 00104 c A composição e pressão no azeótropo p T 34315 K R x1az y1az 0857 P 8136 kPa 15 Smith p 278 q 18 Uma mistura líquida de cicloexanona1fenol2 na qual x1 06 está em equilíbrio com o seu vapor a 144 ºC Determine a pressão de equilíbrio P e a composição do vapor y1 a partir das seguintes informações 𝑙𝑛𝛾1 𝐴𝑥2 2 𝑙𝑛𝛾2 𝐴𝑥1 2 𝑃1 𝑠𝑎𝑡 752 𝑘𝑃𝑎 𝑃2 𝑠𝑎𝑡 3166 𝑘𝑃𝑎 O sistema forma um azeótropo a 144 ºC no qual 𝑥1 𝑎𝑧 𝑦1 𝑎𝑧 0294 R P 38197 kPa e y1 0844 16 Smith p 278 q 22 Uma corrente de processo contém a espécie leve 1 e a espécie pesada 2 Desejase uma corrente líquida relativamente pura contendo em sua maioria a espécie 2 obtida por uma separação líquidovapor em um simples estágio Especificações sobre a composição no equilíbrio são x1 0002 e y1 0950 A fase líquida é nãoideal sendo válido que 𝑙𝑛𝛾1 093𝑥2 2 𝑙𝑛𝛾2 093𝑥1 2 𝑙𝑛𝑃𝑖 𝑠𝑎𝑡𝑏𝑎𝑟 𝐴𝑖 𝐵𝑖 𝑇 𝐾 sendo 𝐴1 1008 𝐵1 25720 𝐴2 1163 𝐵2 62540 Admitindo que a Lei de Raoult modificada seja válida pedese a Determine a temperatura K e a pressão bar para o separador R 37637 K e 01366 bar b Que tipo de desvios este sistema exibirá em relação ao comportamento predito pela lei de Raoult Justifique R Positivos pois os valores de γ1 e γ2 são maiores do que 1 17 Petrobras 2006 q 54 Considere uma mistura de hidrocarbonetos que contém metano1 e propano2 com composição global z1 030 e z2 070 Na temperatura T e pressão P os valores dos coeficientes de distribuição K são aproximadamente K1 9 e K2 050 Para estas condições determine quais as frações de líquido ℒ e de vapor 𝜐 no sistema Considere que o sistema exibe um flash R ℒ 04875 e 𝜐 05125 18 Smith p 277 q 11 Uma mistura binária de fração molar z1 é flasheada para as condições T e P Para cada uma das seguintes condições determine as frações molares no equilíbrio x1 e y1 das fases líquida e vapor formadas a fração molar 𝜐 do vapor formado e a recuperação percentual ℛ da espécie 1 na fase vapor definida como a razão para a espécie 1 de mols no vapor para mols na alimentação Considere que a lei de Raoult se aplica a Acetona1acetonitrila2 z1 075 T 340 K P 115 kPa R x1 0644 y1 0805 𝜐 0656 ℛ 0705 b Etanol11propanol2 z1 025 T 360 K P 080 atm R x1 0183 y1 0320 𝜐 0487 ℛ 0624 19 Koretsky p 380 q 6 Um fluxo de alimentação contendo uma mistura com 40 de nbutano 30 de npentano e 30 de nhexano escoa para dentro de uma unidade de flash A temperatura de flash é de 290 K e a pressão é de 06 bar Qual é a razão entre a vazão de saída do vapor e a vazão de alimentação Quais são as composições dos fluxos de saída R 𝜐 04822 Composição do líquido x1x2x3 01979 03262 04760 Composição do vapor y1y2y3 06171 02719 01110 20 Koretsky p 380 q 5 Um fluxo de alimentação em forma de um líquido comprimido contendo uma mistura equimolar de nbutano e de isobutano escoa para dentro de uma unidade de flash com uma vazão F Em regime permanente 40 do fluxo de alimentação são vaporizados e deixam o tambor com uma vazão V O restante sai como um líquido com uma vazão L Se a pressão do flash for de 1 bar qual é a sua temperatura Quais são as composições dos fluxos de saída do líquido e do vapor R T 26664 K Composição do líquido x1x2 0543 0457 Composição do vapor y1y2 0435 0565 Referências KORETSKY M D Termodinâmica para Engenharia Química 1 ed Rio de Janeiro LTC 2007 MATOUKAS T M Fundamentos de Termodinâmica para Engenharia Química 1 ed Rio de Janeiro LTC 2016 PETROBRAS SA Prova para o cargo de Engenheiro de Processamento CESGRANRIO 2006 SMITH J M VAN NESS H C ABBOTT M M Introdução à Termodinâmica da Engenharia Química 7 ed Rio de Janeiro LTC 2007