Lista 2 - Princípios dos Processos Químicos 2023-1

105015B - Princ´ıpios dos Processos Qu´ımicos 2alista de exerc´ıcios Prof. Jo˜ao Paulo Silva Queiroz 1. Em um sistema em estado estacion´ario a) A taxa de entrada ´e nula b) A taxa de gera¸c˜ao ´e nula c) A taxa de consumo ´e nula d) A taxa de ac´umulo ´e nula 2. Classifique os seguintes processos como batelada, cont´ınuo ou semi-cont´ınuo, e transiente ou estacion´ario. (a) Um bal˜ao ´e preenchido com ar a uma taxa constante de 2 g/min. (b) Uma garrafa de suco ´e retirada da geladeira e deixada sobre a mesa da cozinha. (c) ´Agua ´e fervida em um recipiente aberto (d) Mon´oxido de carbono e vapor s˜ao alimentados em um reator tubular a uma taxa cons- tante e reagem para formar di´oxido de carbono e hidrogˆenio. Produtos e reagentes n˜ao convertidos s˜ao retirados na sa´ıda. O reator cont´em ar quando o processo ´e iniciado. A temperatura do reator ´e constante, e a composi¸c˜ao e vaz˜ao da corrente de entrada s˜ao tamb´em independentes do tempo. Classifique o processo (1) no in´ıcio e (2) depois de um longo per´ıodo de tempo. 3. Cem quilogramas de a¸c´ucar s˜ao dissolvidos em 500 kg de ´agua em um tanque cil´ındrico aberto de pouca profundidade. Ap´os permanecer por 10 dias no tanque, 300 kg da solu¸c˜ao de a¸c´ucar s˜ao removidos. Vocˆe esperaria que, ap´os a retirada, haja ainda 300 kg de solu¸c˜ao de a¸c´ucar no tanque? 4. O lodo, resultante de sistemas de tratamento de esgoto municipal, ´e basicamente material s´olido ´umido. Esse lodo, antes de ser armazenado ou empregado como aterro sanit´ario, deve ser secado. Se um lodo contendo 70% de ´agua e 30% de s´olidos for alimentado a um secador e se o produto seco contiver 25% de ´agua, qual a quantidade de ´agua evaporada por tonelada de lodo enviado ao secador? (R: 600 kg) 5. Um evaporador de m´ultiplos est´agios concentra uma solu¸c˜ao dilu´ıda de NaOH de 3% para 18% e processa 2 toneladas de solu¸c˜ao de alimenta¸c˜ao por dia. Qual a quantidade gerada do produto? Qual a quantidade de ´agua evaporada por dia? (R: 333, 3 kg e 1666, 7 kg) 6. Morangos contˆem cerca de 15% em massa de s´olidos e 85% de ´agua. Para fazer geleia de morango, morangos amassados e a¸c´ucar s˜ao misturados em uma propor¸c˜ao m´assica 45:55, e a mistura ´e aquecida para evaporar a ´agua, at´e que o res´ıduo contenha um ter¸co de ´agua em massa. Calcule quantas libras de morangos s˜ao necess´arias para fazer uma libra de geleia. (R: 0, 486 lb) 7. Uma mistura l´ıquida contendo 30,0% molar de benzeno (B), 25,0% de tolueno (T) e o resto de xileno (X) alimenta uma coluna de destila¸c˜ao. O produto de fundo cont´em 98,0% molar de X e nenhum de B, e 96,0% do X na alimenta¸c˜ao s˜ao recuperados nesta corrente. O produto de topo alimenta uma segunda coluna. O produto de topo da segunda coluna cont´em 97,0% do B contido na alimenta¸c˜ao desta coluna. A composi¸c˜ao desta corrente ´e 94,0% molar de B e o resto de T. PPQ 2alista de exerc´ıcios, pg 2 de 4 2017 (a) Desenhe e rotule um diagrama de blocos para este processo e fa¸ca uma an´alise dos graus de liberdade para provar que, para uma base admitida de c´alculo, as vaz˜oes molares e as composi¸c˜oes de todas as correntes de processo podem ser calculadas com as informa¸c˜oes dadas. (b) Calcule a percentagem do benzeno alimentado do processo (alimenta¸c˜ao da primeira co- luna) que ´e recuperado no produto de topo da segunda coluna; e a percentagem do tolueno na alimenta¸c˜ao do processo que ´e recuperado no produto de fundo da segunda coluna. (R: 97,4% e 88,3%) 8. O suco de laranja integral cont´em 12,0% em massa de s´olidos, sendo o restante de ´agua, enquanto o suco de laranja concentrado cont´em 42,0% em massa de s´olidos. Inicialmente, usava-se um processo de evapora¸c˜ao simples para a concentra¸c˜ao, mas os constituintes vol´ateis do suco escapam com o vapor de ´agua, deixando o concentrado sem gosto. O processo atual resolve o problema desviando uma fra¸c˜ao de suco integral do evaporador. O suco que entra no evaporador ´e concentrado at´e 58% de s´olidos e o produto ´e depois misturado com o suco integral desviado para atingir a concentra¸c˜ao de s´olidos desejada. (a) Desenhe e rotule o diagrama de blocos do processo. (b) Calcule a quantidade de produto (concentrado de 42%) produzido para cada 100 kg de suco integral que alimentam o processo e a porcentagem da alimenta¸c˜ao que ´e desviada do evaporador. (R: 28, 6 kg e 9,9%) 9. O diagrama de um processo estacion´ario para recuperar cromato de pot´assio cristalino (K2CrO4) a partir de uma solu¸c˜ao aquosa deste sal ´e mostrado abaixo. 4500 kg/h de uma solu¸c˜ao que cont´em um ter¸co de K2CrO4 em massa s˜ao unidos a uma corrente de reciclo contendo 36,4% K2CrO4, e alimentados a um evaporador. A corrente concentrada que deixa o evaporador cont´em 49,9% K2CrO4, ´e alimentada em um cristalizador onde sofre resfriamento (causando a precipita¸c˜ao de cristais de K2CrO4) e ent˜ao filtrada. A torta de filtro ´umida consiste de cristais de K2CrO4 e solu¸c˜ao que cont´em 36,4% K2CrO4 em massa. Os cristais correspondem a 95% da massa total da torta de filtro. A solu¸c˜ao que passa pelo filtro, tamb´em 36,4% K2CrO4, ´e a corrente de reciclo. (a) Calcule a taxa de evapora¸c˜ao, a taxa de produ¸c˜ao de K2CrO4 cristalino, as taxas de alimenta¸c˜ao do evaporador e do cristalizador, e a raz˜ao de reciclo (massa de reciclo/massa de alimenta¸c˜ao fresca). (R: 2.950, 7 kg/h, 1.549, 3 kg/h, 10.139, 6 kg/h, 7.188, 9 kg/h e 1,25) PPQ 2alista de exerc´ıcios, pg 3 de 4 2017 (b) Suponha que o filtrado fosse descartado em lugar de ser reciclado. Calcule a taxa de produ¸c˜ao dos cristais. Quais as vantagens e os custos do reciclo? (R: 652, 7 kg/h) 10. Um componente A puro, em fase gasosa, entra em um reator. Cinquenta por cento (50%) do componente A ´e convertido em B, de acordo com a rea¸c˜ao A → 3B. Qual ´e a fra¸c˜ao molar de A na corrente de sa´ıda do reator? Qual ´e a extens˜ao da rea¸c˜ao? (R: 0,25 e 0,5) 11. A gera¸c˜ao de hidrogˆenio a partir do vapor d’´agua ocorre segundo a rea¸c˜ao que segue: CO + H2O → CO2 + H2 A alimenta¸c˜ao gasosa do reator consiste em 60 mols/h de CO, 24 mols/h de CO2 e 80 mols/h de vapor a 700◦C. Uma vez que s˜ao produzidos 42 mols/h de H2, determine: (a) O reagente limitante. (R: CO) (b) A porcentagem em excesso. (R: 33,3%) (c) O grau de convers˜ao da rea¸c˜ao. (R: 70,0%) (d) A quantidade em kg de H2 produzida por kg de vapor alimentado. (R: 0,058) (e) A quantidade em lbm de CO2 produzida por kg de CO alimentado. (R: 2,43) 12. O metanol ´e produzido pela rea¸c˜ao de mon´oxido de carbono e hidrogˆenio: CO + 2H2 → CH3OH Uma parte do metanol que deixa o reator ´e condensada e retirada como produto. CO e H2 n˜ao consumidos e CH3OH n˜ao condensado s˜ao retornados (reciclados) para a entrada do reator. O efluente do reator flui `a vaz˜aao de 330 mols/min e cont´em 11,7% de H2, 58% de CO e 30,3% de CH3OH em massa. Sabendo que a fra¸c˜ao molar do metanol na corrente de reciclo ´e igual a 0,005, calcule as vaz˜oes molares de CO e H2 na alimenta¸c˜ao fresca e a convers˜ao de H2 no reator. (R: 33, 8 mols/min, 67, 6 mols/min, 23,7%) 13. O processo mostrado na figura ´e a desidrogena¸c˜ao de propano (C3H8) para propileno (C3H6), de acordo com a rea¸c˜ao C3H8 → C3H6 + H2 A convers˜ao de propano a propileno, baseando-se na alimenta¸c˜ao total de propano no reator em F2, ´e 40%. A taxa de escoamento do produto ´e 50 kg mols/h. PPQ 2alista de exerc´ıcios, pg 4 de 4 2017 (a) Calcule todas as seis taxas, de F1 a F6, em kg mol/h. (R: 50; 143,8; 193,8; 50; 50; 93,8) (b) Qual ´e a convers˜ao percentual de propano no reator, baseando-se no propano fresco ali- mentado no processo (F1)? (R: 100%) 14. Di´oxido e enxofre pode ser convertido a SO3, que tem muitos usos, incluindo a produ¸c˜ao de H2SO4 e a sulfona¸c˜ao de detergente. Uma corrente de g´as, tendo a composi¸c˜ao mostrada na figura, passa atrav´es do conversor de duplo est´agio. A fra¸c˜ao de convers˜ao do SO2 a SO3 (uma ´unica passagem) no primeiro est´agio ´e 0,75 e no segundo est´agio ´e 0,65. Para refor¸car a convers˜ao global para 0,95, parte da corrente gasosa de exaust˜ao do est´agio 2 ´e reciclada de volta `a entrada do est´agio 2. Quanto tem de ser reciclado por 100 mols de g´as de entrada (corrente F)? (R: 122, 7 mols)