LISTA DE EXERCÍCIOS 4

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LISTA DE EXERCÍCIOS 4 
Disciplina: Operações Unitárias III -Presencial 
 
Prof. Henrique 
 
 
1) Um sistema de destilação fracionada separa benzeno e tolueno a partir de uma corrente 
que totaliza 100 kmol/h. No diagrama y-x, fornecido abaixo, foi construído o gráfico 
segundo o método McCabe - Thiele que corresponde a este sistema. Baseando-se neste 
gráfico e, quando necessário, no diagrama T-x-y, responda: 
(a) Qual a fração molar do tolueno na alimentação (carga) da coluna? 
(b) Qual a fração molar do benzeno no destilado de fundo (refervedor)? 
(c) Em qual estágio da coluna ocorre a alimentação do sistema? 
(d) Qual é o número de estágios teóricos necessários na coluna? 
(e) Qual a razão de refluxo? 
(f) Qual a vazão de destilado no topo em kmol/h? 
(g) Qual a Temperatura de equilíbrio do 3º (terceiro) estágio da coluna? 
(h) Qual a condição (em termos de equilíbrio de fases) da corrente de alimentação? 
 
 
2) Se deseja destilar uma mistura etanol-água que contém 60% em massa de etanol a 101,32 
kPa, para obter um destilado que contenha 85% em massa de etanol e um produto de 
fundo que contenha no máximo 2 % em massa de etanol. A vazão de alimentação, que se 
encontra no estado de líquido saturado, é de 10000 kg/h e a coluna opera com um 
condensador total. Calcule: 
 
a. As quantidades de destilado e produto de fundo; 
b. A razão de refluxo mínima a partir dos dados de entalpia-concentração do sistema; 
c. O número aproximado de estágios teóricos para o caso onde a razão de refluxo 
empregada é de 2 vezes a mínima. 
 
 
3) Um traço de álcool etílico deve ser separado da água numa coluna de fracionamento que 
trabalha numa pressão de 1 bar. A alimentação contendo 0,8 moles % de etanol, entra na 
parte superior da coluna como um líquido em ebulição, não havendo refluxo. A água 
purificada é retirada do calefator, e o vapor rico em álcool sai pela parte superior da 
coluna. Verifica-se que quando 8460 kJ são fornecidos ao calefator para cada kmol de 
alimentação, a concentração do álcool na água purificada é de 0,16 moles%. A 
composição do vapor de equilíbrio para soluções diluídas de álcool etílico em seus pontos 
de ebulição sob uma pressão de um bar é dada por y=6x, onde x e y são frações molares. 
O calor latente da água é de 40 650 kJ/kmol. Determine o número de etágios teóricos aos 
quais a coluna equivale. 
 
4) Uma mistura molar de 60% de benzeno e 40% de tolueno deve ser separada por destilação 
contínua, para produzir um destilado que contenha 95% em moles de benzeno e um 
produto de base contendo 90 % em moles de tolueno. A alimentação entra como vapor 
saturado, e a coluna é equipada com um condensador total que retorna o líquido a seu 
ponto de ebulição como refluxo para a coluna. Plote o número mínimo de pratos teóricos 
necessários para essa separação em função da razão de refluxo, supondo calores latentes 
molares iguais. 
 
5) Uma coluna de fracionamento operando a 50 psia é alimentada, no ponto ótimo, com uma 
mistura 32,1% molar em n-butano e 67,9% molar em n-pentano, na forma de líquido 
saturado. A vazão da alimentação é de 100 lb-mol/h e um destilado 88,5% molar em n-
butano é removido a uma vazão de 30 lb-mol/h. O condensador no topo da coluna remove 
1 milhão Btu/h de calor e produz as correntes de produto e de refluxo na forma de líquido 
saturado. Admitindo vazão molar constante, calcular: 
a) a razão de refluxo 
b) as vazões ( em lb-mol) de vapor e de líquido, acima e abaixo do prato de alimentação; 
c) o número de estágios teóricos necessários para produzir a separação; 
d) a composição do produto de fundo; 
São conhecidos os seguintes dados de equilíbrio, na forma de fração molar de n-butano. 
X 1 0,725 0,568 0,439 0,321 0,207 0,108 0 
Y 1 0,885 0,785 0,681 0,553 0,397 0,232 0 
 
 
6) Uma coluna de retificação contendo 16 pratos reais (eficiência global de 50%) é 
alimentada com um vapor saturado 38% molar em A e 62% molar em B. O destilado é 
um líquido saturado 80% molar em A e o produto de fundo é 30% molar em A; é também 
retirada uma corrente lateral. Sendo a razão de refluxo externo Lr/D igual a 10,9 e estando 
a coluna nessas condições conseguindo a máxima separação, calcular: 
a) a composição da corrente lateral; 
b) a razão de refluxo interno acima da corrente lateral 
c) a razão de refluxo interno abaixo da corrente lateral; 
d) o prato real do qual é retirada a corrente lateral 
A relação de equilíbrio líquido-vapor de misturas de A e B pode ser satisfatóriamente 
representada por uma volatilidade relativa de 1,50. Admitir vazão molar constante. 
 
7) Uma mistura líquida saturada contendo 60 mol% de benzeno e 40 mol % de tolueno dever 
ser destilada continuamente produzindo um produto de topo com 90 mol% de benzeno e 
um produto de fundo contendo 5 mol% de benzeno. A coluna de destilação operará a 
pressão constante de aproximadamente 1 atm. A Razão de refluxo utilizada será igual a 
1,5*Rmin, utilizando um condensador total e refervedor parcial. Qual a razão de refluxo 
mínimo? Qual o número de pratos teóricos para realizar a separação desejada? Qual o 
prato de alimentação ideal? Qual o número mínimo de pratos para realizar esta 
separação? Qual a correspondente vazão de vapor na seção de esgotamento para 100 
moles de alimentação? 
 
8) Deseja-se projetar uma coluna de destilação contínua para processar 216 kmol/h de uma 
mistura clorofórmio/benzeno, consistindo em 35 % em mol de clorofórmio, obtendo um 
destilado contendo 95 % em mol de clorofórmio e uma corrente de fundo contendo 90 % 
em mol de benzeno. A coluna deve operar a pressão atmosférica e a alimentação entra na 
coluna a 16°C. A coluna opera com um condensador total e um refervedor parcial. 
Obtenha: 
a. As vazões de destilado (D) e da corrente de fundo (B); b. A equação da reta q; c. A 
razão de refluxo mínima (L/D)min; d. O número de estágios teóricos se a razão de refluxo 
operacional é 50% superior a mínima; e. A localização do prato de alimentação. 
Dentro do intervalo de temperaturas de operação da coluna podemos tomar os seguintes 
valores médios para os calores específicos e latentes dos compostos que compõem a 
alimentação: 
Clorofórmio: cp = 27,5 kcal/kmol.°C e λ = 6800 kcal/kmol 
Benzeno: cp = 34,4 kcal/kmol.°C e λ = 7420 kcal/kmol 
A temperatura de saturação correspondente a composição da alimentação na pressão 
de operação da coluna é de 76,8 °C. 
 
9) Uma mistura líquida de benzeno e tolueno deve ser destilada em uma torre de 
fracionamento a uma pressão total de 101,3 kPa. A corrente de alimentação com uma 
vazão de 100 kmol/h é uma mistura liquida contendo 45 %(molar) de benzeno e 55 % 
(molar) de tolueno entra a uma temperatura de 327,6 K. Deve-se obter um destilado 
contendo 95 % (molar) de benzeno e um produto de fundo com 10 % (molar) de benzeno. 
A razão de refluxo utilizada é de 4:1. A capacidade calorífica média da corrente de 
alimentação é de 159 kJ/Kmol K e o calor latente médio é de 32099 kJ/kmol. Os dados 
de equilíbrio deste sistema estão apresentados nas figuras em anexo. Calcule as vazões 
das correntes de topo e de fundo; os números de pratos teóricos necessários, o número 
mínimo de estágios para o. caso de refluxo total e a razão de refluxo mínima. 
 
 
10) Para a coluna de retificação do exercício 9, onde uma mistura de alimentação líquida de 
benzeno e tolueno está sendo tratada para fornecer um destilado de composição xD = 0,95 
e uma composição de fundo xB = 0,10, calcule 
a) A razão de refluxo mínima 
b) O número mínimo de pratos teóricos, Nmin, em condições de refluxo total. 
 
11) Uma alimentação líquida de 400 kmol/h no seu ponto de ebulição contendo 70 % mol de 
benzeno (A) e 30 % mol de tolueno (B) é alimentada a uma torre de esgotamento a 101,3 
kPa pressão. O produto de fundo deve ser de 60 kmol/h contendo apenas 10 % mol de A. 
Calcule a vazão do vapor de topo, sua composição e o número de estágios teóricosnecessárias. 
 
12) Projete uma coluna de destilação fracionada contínua para separar 3,78 kg/s de uma 
mistura com 40%(m) de benzeno e 60%(m) de tolueno em um produto de topo contendo 
97% em massa de benzeno e um produto de fundo contendo 98% em massa de tolueno. 
Use uma razão de refluxo de 3,5 mols para 1 mol do produto. O calor molar latente de 
benzeno e tolueno é de cerca de 357,1 kJ/kg. 
Encontre as quantidades do produto superior e inferior; considere também os seguintes 
casos para o projeto: 
1. Alimentação líquida em seu ponto de ebulição. 
2. Alimentação líquida a 20°C (Cliquid = 1,75 kJ/kg "C). 
3. A alimentação é de dois terços do vapor. 
 
13) Um sistema a ser destilado tem o diagrama de equilíbrio mostrado na Figura abaixo. 
Encontre taxas de refluxo mínimas para X´D s de 0,8 e 0,7. A alimentação (50% de vapor) 
tem um XF de 0,40. 
 
 
 
14) 200 mol/h de uma alimentação líquida saturada no seu ponto de ebulição contendo 42 
mol % de heptano e 58 mol % de etil benzeno deve ser fracionada a uma pressão de 
101,32 kPa fornecendo um destilado contendo 97% mol% de heptano e um produto de 
fundo contendo 1.1 mol% de heptano. A razão de refluxo usada é de 2.5:1. Calcule a 
vazão de destilado em mol/h, o número de pratos teóricos e o prato ótimo de alimentação. 
Os dados de equilíbrio a 101,32 kPa são fornecidos na tabela abaixo para a fração molar 
de n-heptano xH e yH. 
 
Temperatura xH yH 
136,1 0,000 0,000 
129,4 0,080 0,230 
119,4 0,250 0,514 
110,6 0,485 0,730 
102,8 0,790 0,904 
98,3 1,000 1,000 
 
 
15) Uma coluna de retificação é alimentada com uma mistura de 50 mol% de benzeno e 
50 mol% de tolueno a uma vazão de 100 kmol/h a uma pressão de 101,32 kPa. A 
alimentação líquida se encontra no seu ponto de ebulição. O destilado contém 90 
%(mol) de benzeno e o produto de fundo 10 % (mol) de benzeno. A razão de refluxo 
é de 4,25:1. Calcule a vazão de destilado e de produto de fundo em kmol/h, o número 
de pratos teóricos, a razão de refluxo mínima e o número mínimo de pratos na 
condição de refluxo total. 
 
 
 
Diagrama de equilíbrio xy para o sistema benzeno/tolueno a 1 atm.