pqi 3103 - lista de exercícios IV

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PQI 3103 – LISTA DE EXERCÍCIOS IV 
 
Exercícios para apoio ao estudo – não é necessário entregar a solução da lista 
 
BALANÇO ENERGÉTICO EM ESTADO ESTACIONÁRIO 
 
1. A energia interna específica do gás hélio a 300 K e 1 atm é 3800 J/mol e o volume 
molar específico à mesma temperatura e pressão é 24,63 L/mol. Calcule a entalpia 
específica do hélio nestas condições de pressão e temperatura, bem como a taxa à qual a 
entalpia é transportada por uma corrente de hélio a 300 K e 1 atm à vazão molar de 250 
kmol/h. (Resposta: 6295 J/mol; 1,57×109 J/h) 
 
2. Exercício 8.2, R. M. Felder e R. W. Rousseau, 3ª Ed. (Resposta: item b, 2784 
J/mol; item c, 2160 J/mol) 
 
3. Exercício 7.7, R. M. Felder e R. W. Rousseau, 3ª Ed. (Resposta: item b, 0,0659 W 
e −44,1 W, respectivamente) 
 
4. Considere as seguintes informações para o cloreto de metila saturado: 
 
Estado T (oF) P (psia) V̂ (ft3/lb) Ĥ (Btu/lb) 
Líquido −40 6,878 0,01553 0,000 
Vapor 0 18,90 4,969 196,23 
Vapor 50 51,99 1,920 202,28 
 
a) Qual é o estado de referência usado para gerar as entalpias dadas? 
b) Calcule Ĥ e Û para a transição do vapor saturado de cloreto de metila a 50 oF 
para 0 oF. (Resposta: −6,05 Btu/lb; −4,96 Btu/lb) 
c) Que suposição você fez para resolver o item (b) considerando o efeito da pressão 
sobre a entalpia específica? 
 
5. (Exercício 7.19, G.V. Reklaitis, 1ª. Ed.) Vapor entra a 1000 oF em um bocal 
supersônico com uma velocidade de 10 ft/s e pressão de 500 psia. A descarga ocorre à 
pressão atmosférica e temperatura de 300 oF. 
 
(a) Listar as hipóteses envolvidas na solução do problema. 
(b) Admitindo que o bocal opere adiabaticamente, calcular a velocidade de descarga 
do bocal. (Resposta: 1236 m/s) 
 
6. Exercício 7.11, R. M. Felder e R. W. Rousseau, 3ª Ed. (Resposta: item a, 0,677 L; 
item c, 47 J) 
 
7. Exercício 7.35, R. M. Felder e R. W. Rousseau, 3ª Ed. (Resposta: item a, 
2,25×104 kJ/h; item b, 506 kg/h) 
 
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8. Exercício 8.15, R. M. Felder e R. W. Rousseau, 3ª Ed. (Resposta: item a-i, −1,278 
kW; item a-ii, −1,274 kW; item a-iii, −1,276 kW) 
 
9. Admitindo comportamento de gás ideal, calcular o calor que deve ser transferido 
em cada um dos seguintes casos: 
 
(a) Uma corrente de nitrogênio fluindo com uma vazão de 100 mol/min é aquecida de 
20 oC a 100 oC. (Resposta: 233,3 kJ/min) 
(b) Nitrogênio contido em um recipiente de 5 L à pressão inicial de 3 bar é resfriado 
de 90 oC para 30 oC. (Resposta: −0,622 kJ) 
 
10. Exercício 8.24, R. M. Felder e R. W. Rousseau, 3ª Ed. (Resposta: item b, 640,1 kJ/kg; 
item c, 0,798 kg e 0,4 m3 vapor/m3 C3H8; item d, 1860 kJ/m3 C3H8 alimentado) 
 
11. Exercício 8.38, R. M. Felder e R. W. Rousseau, 3ª Ed. (Resposta: −1,90×104 kW) 
 
12. Calcular o calor necessário para aquecer 150 mol/h de uma corrente de gás de 
processo contendo 60% de etano e 40% de propano (% em volume) de 0 oC até 400 oC. 
(Resposta: 5222 kJ/h) 
 
13. Duas correntes de água se misturam para formar a alimentação de uma caldeira 
em uma planta industrial localizada em Cubatão (SP). Os dados de processo são os 
seguintes: corrente 1, 120 kg/min e 30 oC; corrente 2, 175 kg/min e 65 oC; pressão na 
caldeira (indicada por um manômetro), 16 bar. O vapor sai da caldeira através de uma 
tubulação de 6 cm de diâmetro interno. Calcular a taxa de aquecimento requerida nessa 
caldeira em kJ/min, se o vapor produzido está saturado à pressão de operação da mesma. 
Desprezar as energias cinéticas das correntes de entrada. (Resposta: 7,6×105 kJ/min) 
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14. Uma corrente gasosa contendo 8% de CO e 92% de CO2 (base molar) a 500 oC 
alimenta uma caldeira recuperadora de calor perdido, como mostra a figura a seguir. 
Trata-se de um grande casco de metal contendo em seu interior um feixe de tubos de 
pequeno diâmetro. O gás quente escoa sobre a superfície externa dos tubos. Água líquida 
a 25 oC alimenta a caldeira à razão de 0,2 mol de água alimentada por mol de gás, e escoa 
pelo interior dos tubos. Calor é transferido do gás quente para a água fria através das 
paredes dos tubos, provocando resfriamento do gás e aquecimento da água até seu ponto 
de ebulição, seguido da evaporação desta para formar vapor saturado a 5 bar. O vapor 
pode ser usado para aquecimento ou para geração de energia dentro da planta ou mesmo 
para alimentar outra unidade de processo. O gás que sai da caldeira é queimado e 
descarregado para a atmosfera. A caldeira opera sem perdas de calor para o ambiente 
externo, isto é, todo o calor transferido do gás vai para a água. Qual a temperatura de 
saída do gás? (Resposta: 299,4 oC) 
 
 
 
15. Exercício 8.45, R. M. Felder e R. W. Rousseau, 3ª Ed. (Resposta: item a, 49,3 oC; 
item b, −1,16×103 kW) 
 
16. Exercício 7.40, R. M. Felder e R. W. Rousseau, 3ª Ed. (Resposta: 587 kJ/h) 
 
17. Exercício 8.31, R. M. Felder e R. W. Rousseau, 3ª Ed. (Resposta: 691 oC) 
 
18. Metanol a 675 °C e 1 bar é alimentado a um reator adiabático, no qual 25% desse 
reagente são desidrogenados a formaldeído, conforme a reação: 
 
CH3OH(g) → HCHO(g) + H2(g) 
 
(a) Realizar a análise de graus de liberdade para o problema, analisando primeiro 
somente o balanço material e, em seguida, o balanço material e energético juntos. 
(b) Calcular a temperatura dos gases à saída do reator, admitindo que as capacidades 
caloríficas médias do CH3OH, HCHO e H2 (iguais a 17, 12 e 7 cal/gmol.°C, 
respectivamente) sejam válidas no intervalo de temperatura de operação do reator. 
(Resposta: 365,3 °C) 
 
19. A desidrogenação do etanol a acetaldeído, dada pela reação C2H5OH(g) → CH3CHO(g) 
+ H2(g), é realizada em um reator adiabático contínuo. O vapor de etanol alimenta o reator 
a 400 °C e se obtém conversão de 30% desse reagente. Calcular a temperatura do 
produto. (Resposta: 193 °C) 
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20. Amônia é produzida por meio da reação N2(g) + 3H2(g)  2NH3(g) segundo o 
processo simplificado apresentado no fluxograma a seguir. A reação ocorre em um reator 
adiabático em dois estágios. A conversão do nitrogênio no primeiro reator é igual a 10%, 
e os produtos deste são resfriados a 425 °C por meio de mistura com a corrente de 
alimentação de gás de síntese, disponível a 50 °C. Os produtos deixam o segundo estágio 
de reação a 535 °C e são em seguida resfriados por meio de troca térmica com a corrente 
de alimentação do primeiro estágio de reação. Na sequência, a corrente dos produtos é 
refrigerada em um separador para condensação de NH3 juntamente com traços de N2 e 
H2. As perdas de calor para o ambiente no trocador de calor podem ser desprezadas e a 
mistura das correntes no misturador pode ser feita de forma adiabática. 
(a) Realizar a análise do número de graus de liberdade (GL) para cada unidade, para 
o processo e para os balanços globais, considerando, em cada caso, o balanço 
material em separado e os balanços material e energético juntos. 
(b) Calcular todas as correntes do processo e atualizar a contagem de GL passo a 
passo. 
(c) Calcular a carga térmica no vaso separador por mol de NH3 produzida. (Resposta: 
18 kcal/mol NH3) 
 
Utilizar os dados simplificados a seguir: capacidades caloríficas molares médias, 
admitidas constantes: NH3(g), 9,5 cal/mol.oC; NH3(l), 30 cal/mol.oC; N2(g), 7,0 
cal/mol.oC; H2(g), 7,0 cal/mol.oC; calor de vaporização da NH3: 5,581 kcal/mol a 
33,4oC (ponto de ebulição normal).