Lista de exercicios balanços de massa (1)

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UFMT 
FACULDADE DE ENGENHARIA 
ENGENHARIA QUÍMICA - PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS I 
PROFº ALFREDO WEBER 
LISTA DE EXERCÍCIOS 3 - BALANÇOS DE MASSA 
 
1. Água alimenta um tanque de 2 litros a uma vazão de 200 g/min e o deixa a uma vazão de 5 
g/s. O tanque está inicialmente com a metade do seu volume em água. 
a)classifique o processo 
b)escreva o balanço de massa para o processo. Identifique os termos presentes na equação do 
balanço de massa total e expresse as razões para omitir os termos que não estão presentes. 
c)calcule o tempo que levará para o tanque esvaziar completamente. 
 
2. Trata-se 10 kg/h de uma mistura de benzeno e ácido acético contendo 20% de ácido em 
peso, com X kg/h de água com o objetivo de se extrair o ácido. Esta operação é efetuada a 25ºC. 
Calcular o valor de X e massa de cada porção obtida, sendo dada as composições mássicas das duas 
camadas formadas no final da extração. 
 
Camada Ácido acético(%) benzeno(%) Água(%) 
Leve 2,5 97,4 0,1 
Pesada 25 0,4 74,6 
 
3. Uma mistura ácida de um processo de nitração contém 23% de HNO3, 57% de H2SO4 e o 
restante em água. Esta deve ser concentrada a 27% de HNO3 e 60% de H2SO4, por adições de 2 
soluções de 90% de ácido nítrico e 93% de ácido sulfúrico. Calcular a vazão mássica da mistura 
ácida a ser concentrada e a vazão mássica de HNO3 concentrado para obter 1000 lbm/h da mistura 
desejada. 
 
 
4. Uma tenda militar de volume fixo rico em oxigênio, possui volume de 40 ft3 e 
contém ar atmosférico a 68ºF e 14,7 psia. Em um instante t=0, uma mistura contendo 35% 
em O2 e o restante em N2 em volume, começa a ser alimentada à tenda a 60 ft
3/min a 68ºF 
e 1,3 psig. E ocorre uma exaustão do gás presente a tenda pressão atmosférica e 68ºF com 
mesma concentração de oxigênio que a presente na tenda. 
a) Calcule a quantidade de ar inicialmente na tenda (em lb-moles) e a vazão em lb-
moles/min) com o qual o gás está sendo admitido. 
b) Calcule a vazão de exaustão do ar, se o número de moles na tenda permanece 
constante. 
c) Escreva a equação do balanço para o O2. 
d) Integre a equação acima para determinar o tempo necessário para que a fração 
molar do O2 na tenda atinja 38%. 
 
5. Uma etapa de um dado processo que funciona em estado estacionário, mistura 
correntes de salmoura com vazões de 10 e 15 ft3/min, com concentrações de sal de 10 e 17 
lbm/ft3, respectivamente. Calcule a concentração de sal na corrente de saída, admitindo-se 
constante. 
6. Uma indústria deve produzir 1000lbm de uma solução de nitrocelulose a 8% em massa. A indústria 
possui uma solução de nitrocelulose 5,5%(m/m) em seu estoque. Determine a quantidade de 
nitrocelulose anidra que deve ser dissolvida na solução de estoque para obter a solução desejada. 
7. Um gás contendo 80% em CH4 e o resto em hélio em massa escoa através de um tubo de 
difusão de quartzo para recuperar o hélio. Vinte por cento da massa original do gás é recuperada e a 
composição do gás de recuperação é de 50% em He. Calcule a composição molar do gás residual se 
100kmoles de gás alimentado são processados por minuto. A pressão inicial do gás é de 120 kPa e 
a final 115kPa. O barômetro lê 740mmHg. Dados: Pesos Moleculares do CH4: 16, do He: 4 
 
 
 
8. Um recipiente completamente agitado contém, no momento em que se introduz uma 
corrente de água pura, 450 galões de uma solução de água com 75 lbm de NaCl. Encontre a 
concentração de sal ao final da uma operação de 60 min, se o fluxo de água que entra no tanque se 
mantém a 7 gal/min e se elimina a salmoura à mesma taxa. 
 
9. Um secador reduz o conteúdo de umidade uma madeira de 20,1% para 8,6%. Você deseja 
determinar a quantidade de água removida em kg por kg da madeira seca que entra no processo. 
Desenhe um esquema do processo, ponha os dados na figura, selecione uma base de cálculo, 
determine o número de variáveis cujos valores são desconhecidos e o número de equações 
independente que podem ser escritas para o processo. Existe somente uma solução possível? 
 
10. Uma indústria de óleo de amendoim necessita secar semente contendo 12% de água até 6% 
(umidade mínima permitida para que não ocorra degradação alimentícia). O processo consiste de 
uma corrente de sementes que é enviado para um secador. Ar é alimentado no mesmo secador 
retirando a umidade das sementes em forma de vapor. O ar que sai do secador é separado em duas 
correntes, uma é despejada para o ambiente e outra é reciclada e adicionada ao ar fresco, e esta 
alimenta o secador. Calcular a quantidade de ar fresco necessário por kg de semente e a razão de 
reciclo. Dados: umidade de ar fresco: 0,01 kg H2O/kg ar seco. Umidade de ar de saída: 0,09kg 
H2O/kg ar seco e umidade de entrada no secador: 0,05 kg H2O/kg ar seco. 
 
11. A extração líquida é operação usada para separar os componentes de uma mistura líquida 
de duas ou mais espécies. No caso mais simples, a mistura contém dois componentes: um soluto A 
e um solvente líquido B. A mistura é posta em contato em um tanque agitado com um segundo 
solvente C, que tem duas propriedades principais: ele dissolve A, e é imiscível ou quase imiscível 
em B. (Por exemplo, B pode ser água, C um óleo mineral e A uma espécie que dissolve tanto na 
água quanto no óleo.) parte do A se transfere de B para C, e, depois, a fase rica em B (o rafinado) e 
a fase rica em C (o extrato) separam-se em um tanque decantador. Se o rafinado é posto em contato 
como novo C em outra etapa, mais A será transferido dele. Este processo pode ser repetido até que 
se essencialmente todo o A tenha sido extraído de B. 
A seguir um fluxograma de um processo no qual o ácido acético (A) é extraído de uma mistura de 
ácido acétido e água (B) com 1-hexanol (C), um líquido que é imiscível com água. 
a) Qual é o número máximo de balanços de massa independentes que podem ser escritos para 
este processo? 
b) Calcule mc, me e mr usando a vazão da mistura de alimentação dada como base. 
c) Calcule a diferença entre a quantidade de ácido acético na mistura de alimentação e na 
mistura de 0,5%, e mostre que é igual à quantidade que sai na mistura de 9,6%. 
 
 
 
12. Na produção de óleo de soja, grãos de soja contendo 13,0% em massa de óleo e 87% de sólidos 
moídos e vertidos em um tanque agitado (o extrator), junto com uma corrente reciclada de n-
hexao líquido. A razão de alimentação é de 3kg hexano/kg de grãos moídos. Os grãos moídos 
são suspensos no líquido, e praticamente todo o óleo nos grãos é extraído pelo hexano. O 
efluente do extrator passa para um filtro. A torta do filtro contém 75% em massa de sólidos e o 
resto é óleo e hexano, na mesma razão em que saem do extrator. A torta de filtro é descartada e 
o filtrado 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 subseqüentemente resfriado e condensado, e o hexano líquido é reciclado para o 
extrator. 
a)calcule o rendimento e de óleo de soja (kg óleo/kg de grãos fornecidos), a alimentação virgem de 
hexado(requerida virgem de hexano requerida (kg C6H14/kg grãos fornecidos). 
 
 
 
 
13. Sólidos encharcados com hexano líquido são secados pondo-os em contato com nitrogênio 
a uma temperatura elevada. A corrente de gás que sai do secador está a 80ºC, 1 atm 
absoluta, e 50% de saturação relativa de hexano. Em seguida para recuperar o hexano da 
corrente de gás, ele é enviado a um condensador e resfriado. A corrente de gás que sai do 
condensador conteria 5% molar de hexano e o hexano condensado seria recuperado com 
uma vazão de 1,5 kmol de hexano/min. O condensador seria operado a uma pressão de 1 
atm absoluta. Determine a vazão de sólidos e a vazão de nitrogênio na alimentação. 
 
 
14. Na fermentação de grãos, a levedura Saccharomyces cerevisae transforma a glicose 
de plantas em etanol e ácido propiônico de acordo com as seguintes reações 
globais? 
a)reação1:𝐶6𝐻12𝑂6 → 2𝐶2𝐻5𝑂𝐻 + 2𝐶𝑂2 
b)reação 2: 𝐶6𝐻12𝑂6 → 2𝐶2𝐻5𝑂𝑂𝐻 + 𝑂2 
 
 Em um processo batelada o tanque é carregado com 4000 kg de uma solução de 
12% em glicose em base mássica. A fermentação produz 120 kg de CO2 sendo que 
90kg de glicose não reagem. Quais são as porcentagens em massa do álcool etílico 
e do ácido propiônico no caldo? Assuma que a bactéria assimila glicose 
exclusivamente para a produção de etanol e de propanóico. 
 
15. No processo Haber-bosch nitrogênio e hidrogênio são alimentados a um reator que 
opera a 800 atm e 500ºC com catalisador adequado. A conversão não é completa e 
é necessário um reciclo para aumentar a conversão global do processo. Junto com o 
nitrogênio admite-se argônio em 1% no processo. Por ser inerte, argônio se 
acumula no processo e pode levar a problemas cinéticos e de equilíbrio, então é 
colocado uma purga para eliminar tal gás. A alimentação fresca consiste em 74% 
de H2, 26,5% de H2 e 0,5% de argônio (Ar) em base molar, que se mistura a 
corrente de reciclo, alimentando o reator com 79,5% de hidrogênio. A corrente de 
reciclo contém 81% de hidrogênio e 0% de amônia. A corrente de produto consiste 
em amônia pura sem gases dissolvidos. Supondo que se processam 1 kmol/h de 
alimentação fresca, calcule: 
a) A quantidade de moles reciclados e purgados 
b) A conversão de hidrogênio, global e do reator. 
 
 
 
16. O gás tricloreto de boro (BCl3) é alimentado num processo e reage com silício 
formando tetracloreto de silício. A reação mais simples, mas não a única é: 
 
4BCl3 + 3Si → 3SiCl4 + 4B 
A conversão por passe é de 87% e 1mol/hora de BCl3 é alimentado ao reator. Se todo o BCl3 não 
reagido for reciclado, qual é a relação molar entre as correntes de reciclo e de produção de SiCl4? 
 
17. Para produção de silício puro que é usado na fabricação de semicondutores consiste 
em deposição química a vapor. Uma câmara contém uma barra de sílicio puro aquecido e 
uma mistura de triclorado de silício combinada com hidrogênio altamente puros passam 
pela barra. O silício puro se deposita na barra como um sólido policristalino. 
A reação é 𝐻2(𝑔) + 𝑆𝑖𝐻𝐶𝑙3(𝑔) → 𝑆𝑖(𝑠) + 3𝐻𝐶𝑙(𝑔) 
Inicialmente a barra tem uma massa de 1460 g e a fração molar de H2 na corrente de saída 
é de 0,223. A alimentação do reator é de 4 kmol/h e apresenta fração molar de H2 igual a 
0,580. Qual será a massa da barra ao final de 60 minutos? 
 
18. Em um tanque agitado de 100 m3, reage-se um componente A em 2B de acordo com a 
seguinte lei cinética 𝑟𝐴 = −𝑘𝐶𝐴
2, em que k é 1 (m3/mol.h). O tanque é alimentado rapidamente e a 
reação só se inicia após o seu enchimento completo. A partir de uma hora de reação o tanque inicia 
o esvaziamento para outro tanque pulmão a uma taxa de 5m3/min. Considere a concentração inicial 
de A em 10 mol/m3. 
a. Modele o problema 
b. Qual é a concentração de A (em kg/m3) após 1 hora de reação? 
c. Qual é a concentração de A (em kg/m3) após o total esvaziamento no tanque pulmão? 
 
19. Um gás natural constituído de metano é queimado com ar enriquecido de oxigênio, 
com composição de 40% e 60% de N2. Análise de Orsat do gás produzido constatou que 
20,2% de CO2, 4,1% de O2 e 75,7% de N2. A análise está correta? Prove através de 
cálculos. 
 
20. Um combustível que apresenta 84% de carbono, 3,2% de enxofre, 4% de 
hidrogênio e o restante em cinzas. Dar a análise de Orsat quando queimado com 30% de ar 
em excesso. 
21. Um gás de síntese com a seguinte composição molar: 6,4% em CO2, 0,2% em O2, 40% em 
CO, 50,8% em H2 e o restante em N2 é queimado com 40% de ar seco. Qual é a composição do gás 
produzido? 
 
22. Um gás natural constituído totalmente de metano é queimado com ar enriquecido de 
oxigênio com composição de 40% em O2 E 60% N2. A análise de Orsat do gás produzido realizada 
pelo laboratório foi a seguinte: CO2 20,2%; O2 4,1%, 75,7% de N2. A análise está correta? Prove 
através dos cálculos. 
 
23. Um gás natural de composição desconhecida é queimado com ar. A uma análise do produto 
gasoso fornece os seguintes resultados: 0,130 moles H2O/mol gás úmido. Análise de Orsat: 6% 
em CO2, 8,2% em O2, 1,5% em CO, 84,3% em N2. Calcule a relação de hidrogênio para carbono e 
indique qual gás deve ser.