Lista 2 - Operações Unitárias 2 2021-2

Escola de Química/UFRJ Departamento de Engenharia Química Operações Unitárias II/EQA Data: 10/01/2022 2ª Lista De Exercícios 1) Uma coluna de destilação recebe uma carga com 40% molar de pentano e 60% molar de hexano. A vazão molar da carga 2500 lbmoles/h e temperatura de 30 °C. A coluna opera a 1 atm. Um destilado com 99,9% molar de C5 é desejado. Um condensador total é usado. O refluxo é líquido saturado e a razão de refluxo externa de topo é igual a 3,0. O produto de fundo deixa o refervedor com 99,8 % molar de n-hexano. Determine: D, B, qr e qc. Dados: Espécie λ (BTU/lbmol) CPL (constante) (BTU/°F lbmol) CPV (BTU/°F lbmol) C5 11,369 13,572 24,75 + 0,08148T - 4,538x10-5T2 + 10-9T3 C6 13,572 51,7 32,85 + 0,09763T - 5,716x105T2 + 13,78x10-9T3 2) A coluna de destilação que fará a separação de uma mistura de benzeno – tolueno com 60% em massa de tolueno operará a 101,3 kPa. O produto de topo deve conter 97% em massa de benzeno, o produto de fundo 98% em massa de tolueno e a razão de refluxo externa no topo usada será de 3,5. A carga e o refluxo no topo são líquidos saturados e a carga deverá entrar no seu prato ótimo com uma vazão de 30 kg/h. Determine: a) As vazões dos produtos de topo e de fundo. b) O número de estágios de equilíbrio necessários. c) O prato ótimo de carga. d) A razão de refluxo mínima. e) A razão de refluxo total. Dados de equilíbrio do sistema benzeno – tolueno a 101,3 kPa: X 0,21 0,37 0,51 0,64 0,72 0,79 0,86 0,91 0,96 0,98 Y 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,95 3. A corrente líquida saturada contendo 40% molar de n-hexano e 60% molar de n-heptano alimenta continuamente uma coluna de destilação de pratos com borbulhadores. A razão de refluxo externa de topo igual a 2 é mantida. A coluna deverá produzir um produto de topo com 95% molar de nC6 e um produto de fundo com 95% molar de nC7 que deixa o refervedor. Essa coluna possui um dispositivo de resfriamento no segundo prato, que remove calor suficiente para condensar 50% do vapor que chega a esse prato. A coluna opera a 1 atm. Determine o número de pratos teóricos, o número de estágios teóricos e o prato ótimo de carga. 4. Determine o número de estágios teóricos e os estágios ótimos de carga necessários para a separação mostrada no esquema abaixo, usando os dados de equilíbrio fornecidos em fração molares. Dados de equilíbrio do sistema água (w) – ácido acético (a) a 1 atm: xw 0,0055 0,053 0,125 0,206 0,297 0,51 0,649 0,803 0,9594 yw 0,0032 0,133 0,24 0,338 0,437 0,63 0,751 0,866 0,9725 5. Dispomos da seguinte mistura de benzeno e tolueno: Vazão (lbmol/h) Composição (fração molar de benzeno) Condição Térmica S 200 0,70 Vapor saturado F1 1000 0,55 80% vaporizada Desejamos separar esta mistura em uma coluna de destilação que opera a 10 atm, para obtermos um produto de topo vaporizado rico em benzeno 90% molar, um produto lateral com 70% de benzeno e um resíduo contendo 5% molar em benzeno que deixa o último prato da coluna. Determinar o número de pratos teóricos necessários à separação, os pratos teóricos ótimos de carga e retirada, sabendo-se que nas condições operacionais a volatilidade relativa do benzeno/tolueno é igual a 2,5 e a razão de refluxo operacional é igual 1,5 a razão de refluxo mínima. 6. A coluna de destilação com condensador total e refervedor parcial deve separar uma mistura de acetona e etanol. A carga contém 70% molar de acetona, uma vazão de 1000 kgmoles/h e é vapor superaquecido a qual vaporiza um mol de líquido no prato de carga para que 4 moles da carga se resfriem a vapor saturado. Deseja-se um produto de fundo com 5% molar de acetona e um produto de topo com 90% molar de acetona. O refluxo é líquido saturado. A pressão de operação é 1 atm. Determine: a) O número de estágios mínimos para esta separação. F2=200 moles/h, =1, zw=0,4 xBw=0,07 xDw=0,95 Rop= 2xRmin F1=100 moles/h, =0,6, zw=0,65 Zw=0,7 b) A mínima razão de refluxo externa. c) Se a razão de refluxo externa é 2 vezes a razão de refluxo mínima, o prato ótimo de carga e o número de estágios para uma eficiência de Murphree na fase vapor igual a 75%. Dados de equilíbrio do sistema acetona – etanol a 1 atm: xa 0,1 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 ya 0,262 0,348 0,417 0,478 0,524 0,566 0,605 0,674 0,739 0,802 0,865 0,929 7. A unidade de separação foi projetada para separar, a 1 atm, uma solução aquosa de etanol com 32% molar de etanol. A vazão da carga é de 1000 kgmoles/h, líquida subresfriada condensando 1 mol de vapor para cada 4 moles de carga no prato de alimentação. Esta coluna está equipada com condensador parcial e usa vapor de arraste. O produto de topo deve ter 75% molar de etanol e o produto de fundo 10% molar. Vazões molares constantes é válido. O vapor é vapor d’água puro saturado. Determine: a) A razão mínima de refluxo externo de topo. b) Usando uma razão de refluxo externa igual a 2 vezes a razão de refluxo mínima, quantos estágios reais serão necessários se a eficiência de Murphree da fase vapor é 60%. c) A localização ótima do estágio de carga. 8. Uma coluna deve fazer a separação de uma solução aquosa de metanol. A coluna deve usar vapor de arraste ao invés de refervedor e um total de 5 estágios de equilíbrio. É feita uma retirada de líquido saturado no segundo prato a partir do fundo da coluna e o prato de carga é o quarto prato a partir do fundo da coluna. A carga contém 30% molar de metanol e é um líquido subresfriado onde 1 mol de vapor é condensado para cada 2 mol de carga alcançar a temperatura de líquido saturado. A vazão da carga é 1000 moles/h. A concentração do produto de fundo desejada é 1,5% molar. O vapor utilizado é vapor d'água saturado com uma vazão ajustada tal que: 𝑉𝑎𝑧ã𝑜 𝑑𝑜 𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑟𝑟𝑎𝑠𝑡𝑒/𝑉𝑎𝑧ã𝑜 do Produto de fundo = 0,833 A corrente lateral é removida como o líquido saturado e sua vazão é ajustada de tal maneira que: Vazão da Retirada lateral/Vazão do Produto de fundo = 0,400 Um condensador total é usado o refluxo é líquido saturado e as vazões molares constantes são válidas. Determinar a composição da retirada lateral e do destilado. Dados de equilíbrio do sistema metanol – água a 1 atm (% molar de metanol): x 0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 15,0 20,0 30,0 40,0 y 0 13,4 23,0 30,4 36,5 41,8 51,7 57,9 66,5 72,9 T (°C) 100 96,4 93,5 91,2 89,3 87,7 84,4 81,7 78,0 75,3 x 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 95,0 100,0 y 77,9 82,5 87,0 91,5 95,8 97,9 100,0 T (°C) 73,1 71,2 69,3 67,6 66,0 65,0 64,5 Exercício 9 deverá ser entregue no dia 24/01/21 - Resolução McCabe Thiele (gráfico e analítico): 9. Deseja-se projetar uma coluna de destilação para separar o metanol da água a uma pressão de 1 atm. Na tabela abaixo estão os dados disponíveis para o projeto. Corrente Tipo Vazão (moles/s) % molar do metanol Alimentação 1  = 10% 400 0,50 Alimentação 2 Líquido saturado 500 0,30 Produto de topo Líquido saturado 150 0,96 Produto de fundo Líquido saturado 0,04 Retirada lateral Líquido saturado 200 0,40 Retirada lateral Líquido saturado 0,70 A coluna deverá ter um condensador total e um refervedor parcial. A suposição de (L/V) constante é satisfatória. Se a vazão do refluxo no topo é 400 moles/s, determinar: • (3,0 pontos) O número de estágios de equilíbrio. • (2,0 pontos) Os estágios ótimos de carga e retirada. • (3,0 pontos) A vazão de vapor que deixa o refervedor. • (2,0 pontos) O número de pratos teóricos.