3 Lista - Balanço de massa em unidades multiplias com reciclo, desvio e purga

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Universidade Federal do Amazonas
Faculdade de Tecnologia
Departamento de Engenharia Química
Curso de Engenharia Química
Lista 3.2 - Balanço de massa em unidades múltiplas com reciclo,
desvio e purga
Dados de Identi�cação
Disciplina: Princípios dos Processos Químicos
Professor: Nazareno Braga
Aluno(a):
1. A alimentação fresca contendo 55% em peso de A e 45% em peso B �uindo a 100 kg/h entra em
um separador que remove uma porção do componente A puro apenas como produto de fundo. A
corrente de produto superior do separador contém 10% em peso do componente A e o restante
é B. Uma pequena parte da corrente de produto do separador é reciclada e unida à corrente de
alimentação fresca. A outra parte é purgada. O separador é projetado para remover exatamente
dois terços do componente A alimentado a ele (não a alimentação fresca). O ciclo de reciclagem é
usado para atingir esse objetivo. Calcule todas as taxas de �uxo e composições desconhecidas. Base
de cálculo: 100 kg/h de alimentação
2. A alimentação bruta para um processo de remoção de enxofre contém 15% em peso de CO2, 5%
de H2S e 1,5% de CO, e o restante é CH4. O projeto do absorvedor original estabelecia um limite
máximo de vazão de 80 kg/h. O �uxo de produto de todo o processo contém 1% de H2S, 0,3% de
CO e o restante é dióxido de carbono e metano. Qualquer taxa de �uxo de alimentação superior a
80 kg/h é ignorada. O absorvedor absorve apenas sulfeto de hidrogênio e monóxido de carbono. Se
a alimentação fresca para a unidade for 100 kg/h, faça uma análise de graus de liberdade e encontre
as taxas de produto.
[a] Tomando uma base de 100.000 comprimidos produzidos, desenhe e rotule um �uxograma
de processo, rotulando as massas dos componentes individuais em vez das massas totais e frações
mássicas dos componentes. Não é necessário rotular a corrente entre o misturador e o secador. Faça
uma análise de graus de liberdade do processo (de duas unidades) global;
[b] Calcule as massas e composições das correntes que devem entrar no misturador para fazer
100.000 comprimidos;
[c] Por que não foi necessário rotular a corrente entre o misturador e o secador? Sob que circuns-
tâncias isto teria sido necessário?
[d] Volte ao �uxograma da Parte (a). Sem usar a massas de pó úmido (17,13 kg) ou qualquer dos
resultados da Parte (b) em seus cálculos, determine as frações mássica dos componentes da corrente
na alimentação de pó para o misturador e veri�que se elas concordam com a sua solução da Parte
(b) (dica: Tome uma base de 100 kg de pó úmido).
[e] Suponha que um estudante faça a Parte (d) antes da Parte (b) e re-rotule a alimentação
de pó para o misturador no �uxograma da Parte (a) com uma massa total desconhecida (m1) e as
três agora conhecidas frações molares (esquematize o �uxograma resultante). O estudante faz uma
análise de graus de liberdade, conta quatro incógnitas (as massas de pó, pvp e água alimentadas no
misturador, e a massa de água evaporada no secador) e seis equações (cinco balanços materiais para
cinco espécies e o percentual de evaporação), para um valor �nal de �2 graus de liberdade. Uma vez
que existem mais equações do que incógnitas, não será possível chegar a uma solução única para as
quatro. No entanto, o estudante escreve quatro equações, resolve para as quatro incógnitas e veri�ca
que todas as equações de balanço foram satisfeitas. Deve haver um erro no cálculo dos graus de
liberdade. Qual foi esse erro?
3. Uma mistura líquida contendo 30,0% molar de benzeno (B), 25,0% de tolueno (T) e o resto de xileno
(X) alimenta uma coluna de destilação. O produto de fundo contém 98,0% molar de X e nenhum
B, e 96,0% do X na alimentação são recuperados nesta corrente. O produto de topo alimenta uma
segunda coluna. O produto de topo da segunda coluna contém 97,0% do B contido na alimentação
desta coluna. A composição desta corrente é 94,0% molar de B e o resto de T.
[a] Desenhe e rotule um diagrama de �uxo para este processo e faça uma análise dos graus de
liberdade para provar que, para uma base admitida de cálculo, as vazões molares e composições de
todas as correntes de processo podem ser calculadas com a informação dada. Escreva em ordem as
equações que você resolveria para calcular as variáveis desconhecidas do processo. Em cada equação
(ou par de equações simultâneas), marque as variáveis para as quais você as resolveria. Não faça
nenhum cálculo.
[b] Calcule (i) a porcentagem do benzeno na alimentação do processo (quer dizer, a alimentação
da primeira coluna) que sai no produto de topo da segunda coluna e (ii) a percentagem do tolueno
na alimentação do processo que sai no produto de fundo da segunda coluna.
4. Água de mar contendo 3,50% em massa de sal passa através de uma série de 10 evaporadores.
Quantidades aproximadamente iguais de água são vaporizadas em cada uma destas 10 unidades e
logo condensadas e combinadas para obter uma corrente de produto de água potável. A salmoura
na saída de cada evaporador alimenta o seguinte, exceto a saída do último. A salmoura que sai do
décimo evaporador contém 5,00% em massa de sal.
[a] Desenhe um �uxograma do processo, mostrando o primeiro, quarto e décimo evaporadores.
Rotule todas as correntes que entram e saem destes três evaporadores.
[b] Escreva em ordem o conjunto de equações que você usaria para determinar o rendimento
fracional de água potável do processo (kg H2O recuperados/kg H2O na alimentação do processo) e
a percentagem em massa de sal na solução que sai do quarto evaporador. Cada equação deve conter
apenas uma única incógnita. Em cada equação, indique a variável para a qual você a resolveria. Não
faça nenhum cálculo.
[c] Resolva as equações da Parte (b) para as duas quantidades especi�cadas.
5. E�uentes de plantas de acabamento metálico têm o potencial de descarte de quantidades indesejadas
de metais, tais como cádmio, níquel, chumbo, manganês e cromo, em formas que são deletérias para
a qualidade da água e do ar. Uma planta local de acabamento metálico identi�cou uma corrente de
água residual que contém 5,15% em massa de cromo (Cr) e vislumbra a seguinte abordagem para
reduzir o risco e recuperar o metal valioso. A corrente de água residual alimenta uma unidade de
tratamento que remove 95% do cromo na alimentação e o recicla de volta à planta. A corrente
líquida residual que sai da unidade de tratamento é enviada a uma lagoa de resíduos. A unidade de
tratamento tem uma capacidade máxima de 4500 kg de dejetos/h. Se os dejetos saem da planta com
uma vazão maior do que a capacidade da unidade de tratamento, o excesso (qualquer coisa acima
de 4500 kg/h) é desviado da unidade e se combina com o líquido residual que sai dela; a corrente
combinada é então levada à lagoa.
[a] Sem admitir uma base de cálculo, desenhe e rotule o �uxograma do processo.
[b] Os dejetos saem da planta com uma vazão ṁ1 = 6000 kg/h. Calcule a vazão do líquido
encaminhado à lagoa, ṁ6 (kg/h) e a fração mássica de Cr neste líquido, x6 (kg Cr/kg).
[c] Calcule a vazão de líquido encaminhado à lagoa e a fração de Cr neste líquido para ṁ1
variando entre 1000 kg/h e 10.000 kg/h em incrementos de 1000 kg/h. Gere um grá�co de x6 versus
ṁ1. (Sugestão: Use uma planilha para estes cálculos.)
[d] A companhia contratou você como consultor para ajudar a decidir se vale a pena aumentar
a capacidade da unidade de tratamento para aumentar a recuperação de cromo. O que você precisa
saber para recomendar ou não esta decisão?
[e] Que pontos devem ser considerados com relação à lagoa de resíduos?
6. Na produção de óleo de soja, grãos de soja contendo 13,0% em massa de óleo e 87,0% de sólidos são
moídos e vertidos em um tanque agitado (o extrator), junto com uma corrente reciclada de n-hexano
líquido. A razão de alimentação é de 3 kg de hexano/kg de grãos moídos. Os grãos moídos são
suspensos no líquido, e praticamente todo o óleo nos grãos é extraído pelo hexano. O e�uente do
extrator passa para um �ltro onde os sólidos são coletados e formam uma torta de �ltro. A torta
de �ltro contém 75,0% em massa de sólidose o resto é óleo e hexano, na mesma razão com que
saem do extrator. A torta de �ltro é descartada e o �ltrado líquido é vertido em um evaporador, no
qual o hexano é vaporizado e o óleo permanece como líquido. O óleo é armazenado em tambores e
comercializado. O vapor de hexano é subsequentemente esfriado e condensado, e o hexano líquido é
reciclado para o extrator.
[a] Desenhe e rotule o �uxograma do processo, faça a análise dos graus de liberdade e escreva em
uma ordem e�ciente as equações que você resolveria para determinar todas as incógnitas, indicando
as variáveis para as quais você resolveria as equações.
[b] Calcule o rendimento de óleo de soja (kg óleo/kg grãos fornecidos), a alimentação fresca de
hexano requerida (kg C6H14/kg grãos fornecidos), e a razão do reciclo para a alimentação fresca (kg
hexano reciclado/kg alimentação fresca).
[c] Foi sugerida a adição de um trocador de calor ao processo. Esta unidade consistiria em um
feixe de tubos metálicos paralelos contidos em uma carcaça. O �ltrado líquido passaria do �ltro
para o interior dos tubos e depois para o evaporador. O vapor de hexano quente, no seu caminho
do evaporador para o extrator, passaria pela carcaça e por entre os tubos, aquecendo o �ltrado. De
que forma a inclusão desta unidade levaria a uma redução nos custos operacionais do processo?
[d] Sugira etapas adicionais que possam melhorar a economia deste processo.
7. A popularidade do suco de laranja, especialmente como uma bebida matinal, faz este produto um
importante fator na economia de regiões de plantação de laranjas. A maior parte do suco comer-
cializado é concentrado e congelado e depois reconstituído antes do consumo, sendo alguns �não
de-concentrado�. Apesar dos sucos concentrados serem menos populares nos Estados Unidos do que
eram antes, eles ainda tem um grande segmento do mercado para suco de laranja.
As abordagens para concentração de suco de laranja incluem evaporação, concentração por congela-
mento e osmose reversa. Aqui nós examinamos o processo de evaporação focando somente em dois
constituintes no suco: sólidos e água. Suco de laranja fresco contém aproximadamente 42% em massa
de sólidos. O concentrado congelado é obtido pela evaporação da água do suco de laranja fresco para
produzir uma mistura que contém aproximadamente 65% em massa de sólidos. No entanto, para
que o sabor do concentrado se aproxime mais do sabor do suco fresco, o concentrado do evaporador
é misturado com suco de laranja fresco (e outros aditivos) para produzir um concentrado �nal com
aproximadamente 42% em massa de sólidos.
[a] Desenhe e rotule o �uxograma do processo, desprezando a vaporização de qualquer coisa que
não seja água. Prove primeiro que o subsistema contendo o ponto onde a corrente de desvio se
separa da corrente de alimentação tem um grau de liberdade. (Se você acha que tem zero graus de
liberdade, tente determinar as variáveis associadas com este subsistema.) Faça depois a análise dos
graus de liberdade para o sistema global, o evaporador e o ponto de mistura do produto do evaporador
com a corrente desviada, e escreva em ordem as equações que você usaria para determinar todas as
incógnitas. Em cada equação, marque a variável para a qual você resolveria, mas não faça nenhum
cálculo.
[b] Calcule a quantidade de produto (concentrado 42%) produzido por cada 100 kg de suco
integral que alimentam o processo e a fração da alimentação que é desviada do evaporador.
[c] maior parte dos ingredientes voláteis que dão sabor estão contidos no suco integral que se
desvia do evaporador. Você pode obter mais destes ingredientes evaporando (digamos) até 90% de
sólidos em vez de 65%; você pode então desviar uma fração maior de suco integral e obter assim um
produto de melhor sabor. Sugira possíveis desvantagens desta proposta.
8. Na �gura seguinte aparece um diagrama do processo de lavagem de camisas usado pelo Serviço de
Lavanderia Enchente de Espuma Ltda. As camisas são mergulhadas em um tanque agitado contendo
Whizzo, o Detergente Maravilhoso, e depois torcidas e enviadas à etapa de enxágue. O Whizzo sujo
é enviado a um �ltro no qual a maior parte da sujeira é removida; o detergente depois de limpo é
reciclado de volta e se junta com uma corrente de Whizzo puro; esta corrente combinada serve como
alimentação para o tanque de lavagem.
Dados:
1. Cada 100 lbm de camisas sujas contém 2 lbm de sujeira. 2. A lavagem remove 95% da sujeira.
3. Para cada 100 lbm de camisas sujas, 25 lbm de Whizzo saem junto com as camisas limpas, dos
quais 22 lbm são recuperadas ao torcer as camisas e enviados de volta ao tanque. 4. O detergente
que entra no tanque contém 97% de Whizzo, e o que entra no �ltro contém 87%. A sujeira molhada
que sai do �ltro contém 8% de Whizzo.
[a] Quanto Whizzo puro deve ser fornecido por cada 100 lbm de camisas sujas?
[b] Qual é a composição da corrente de reciclo?
9. Caldeiras são usadas na maioria das plantas química para gerar vapor para vários �ns, tais como
preaquecer correntes de processo alimentadas a reatores e unidades de separação. Em um tal processo,
vapor e um �uido de processo frio são alimentados a um trocador de calor onde energia su�ciente é
transferida do vapor para fazer com que uma grande fração dele condense. O vapor não condensado
é ventilado para a atmosfera e o líquido condensado é reciclado para um desaerador no qual outra
corrente líquida (água de reposição) é alimentada. A água de reposição contém algumas impurezas
dissolvidas e outros produtos químicos que ajudam a prevenir a deposição de sólidos nas paredes
e elementos de aquecimento da caldeira, o que poderia levar à redução da e�ciência operacional e
eventualmente a problemas de segurança, possivelmente incluindo explosões. O líquido deixando
o desaerador é alimentado à caldeira. Nela, a maior parte da água na alimentação evapora para
formar vapor e algumas impurezas na água de alimentação precipitam para formar partículas sólidas
suspensas no líquido (mantidas em suspensão pelos aditivos químicos na água de reposição). O
líquido e os sólidos suspensos são drenados como uma purga da caldeira seja por ações manuais
intermitentes ou por um sistema contínuo.
Um diagrama do sistema é mostrado abaixo. O símbolo I é usado para impurezas combinadas e
aditivos químicos. A água de reposição contém 1, 0kg I/2, 0× 103 kg de água e a razão na purga é
de 1, 0 kg/3, 5× 102 kg de água. Do vapor alimentado ao trocador de calor, 76% é condensado.
[a] Em suas palavras, descreva por que a água de reposição, aditivos químicos para a água de
reposição e purga são necessários neste processo. Especule sobre a provável desvantagem de fazer a
razão I/H2O na purga (i) muito pequena e (ii) muito alta.
[b] Assuma uma base de cálculo e desenhe e rotule completamente um �uxograma do processo
(quando você desenhar o trocador de calor você pode omitir o �uido de processo, que não desempenha
nenhum papel no problema).
[c] Faça uma análise de graus de liberdade e delineie um procedimento de solução (quais equações
você escreveria em qual ordem para calcular todas as incógnitas no �uxograma?).
[d] Calcule a razão (massa de água de reposição/100 kg vapor produzido na caldeira) e a por-
centagem da água de alimentação da caldeira retirada na purga.
[e] Uma proposta foi feita para se usar água altamente puri�cada como reposição. Liste os
benefícios que resultariam de se fazer isso e a razão mais provável para não se fazer.
10. Um processo de evaporação�cristalização é usado para se obter sulfato de potássio sólido de uma
solução aquosa deste sal. A alimentação fresca do processo contém 19,6% em massa de K2SO4.
A torta úmida de �ltro consiste em cristais de K2SO4 sólido e de uma solução 40,0% em massa
de K2SO4, em uma proporção 10 kg cristais/kg solução. O �ltrado, também uma solução 40,0%,
é reciclado para se juntar à alimentação fresca. Da água que alimentou o evaporador, 45,0% são
evaporados. O evaporador tem uma capacidade máxima de 175 kg de água evaporada/s.
[a] Considere que o processo opera com asua capacidade máxima. Desenhe e rotule o diagrama
de �uxo e faça a análise dos graus de liberdade para o sistema global, o ponto de mistura alimentação
fresca-reciclo, o evaporador e o cristalizador. Escreva depois em uma ordem e�ciente (minimizando
as equações simultâneas) as equações que usaria para resolver as incógnitas. Em cada equação,
indique a variável a ser determinada, mas não faça os cálculos ainda.
[b] Calcule a taxa de produção máxima de K2SO4 sólido, a vazão na qual a alimentação fresca
deve ser suprida para garantir esta taxa de produção e a razão kg reciclo/kg alimentação fresca.
[c] Calcule a composição e a vazão da corrente que entra no cristalizador se o processo é escalonado
para 75
[d] A torta úmida de �ltro é submetida a uma outra operação depois de deixar o �ltro. Sugira
qual poderia ser esta operação. Quais você pensa que seriam os principais custos operacionais deste
processo?
[e] Use um programa de solução de equações para resolver as equações derivadas na Parte (a).
Veri�que se são obtidas as mesmas soluções da Parte (b).