Lista 2 de Conservação de massa e energia

Prévia do material em texto

1 
ZMM 
GNE328 – Conservação de Massa e Energia 
Profa. Zuy Maria Magriotis 
Lista de Exercícios – 2 
 
Balanços de massa 
 
1. Na etapa de secagem, polpa de papel com 71,0% de água é seca até a remoção de 60,0% da água 
original. Calcule: 
a) A composição da polpa seca. 
b) A massa de água removida por quilograma de polpa úmida. 
 
2. Uma coluna de destilação é alimentada com uma solução alcoólica a 10,0% em peso e está produzindo 
um destilado com 60,0% de etanol em peso. Calcule a composição do produto de fundo e a massa de 
etanol perdida para 1000,0 kg de alimentação, sabendo que o produto de topo corresponde a 10% da 
alimentação. 
 
3. Uma amostra de pirolusita (minério de manganês) bruta é submetida à secagem, perdendo neste 
processo 8% de seu peso. É depois analisada, obtendo-se o seguinte resultado: umidade 5,0%, MnO2 
71,0%, sílica e insolúveis 24,0%. Admitindo que a perda de peso durante a secagem tenha sido devido 
exclusivamente à perda de umidade, calcular a composição do minério original, antes da secagem. 
 
4. Deseja-se produzir 8000,0 kg/h de uma mistura concentrada de ácido nítrico e ácido sulfúrico numa 
unidade de concentração, utilizando ácido sulfúrico (2350,0 kg/h) e ácido nítrico diluídos. O ajuste final é 
feito com ácido sulfúrico concentrado, de acordo com o esquema mostrado na figura abaixo. Determinar 
as quantidades de ácido nítrico e ácido sulfúrico necessárias, a vazão de água (efluente) e as demais 
frações mássicas não indicadas na Tabela de correntes abaixo: 
 
 
 
2 
ZMM 
Tabela de correntes 
 1 2 3 4 5 
 kg/h %peso kg/h %peso kg/h %peso kg/h %peso kg/h %peso 
H2SO4 98,0 60,0 0 0 49,5 
HNO3 0 0 61,2 0 49,5 
H2O 
TOTAL 2350,0 8000,0 
 
5. Refazer os balanços correspondentes ao problema anterior considerando que o efluente aquoso 
contém 15,0% (peso) de ácido sulfúrico e 10,0% de ácido nítrico. Os outros valores dados são os mesmos. 
 
Balanços de massa com reação 
 
6. Uma mistura de H2 e CH4 é queimada gerando gás CO2 e H2O. Os gases de combustão encerram: 
83,4% N2, 11,3% O2 e 5,3% CO2. 
Reações: CH4 + 2 O2 → CO + 2 H2O2 
 2H2 + O2 → 2 H2O 
Determine: 
a) Relação H2/metano na alimentação 
b) Relação H2+metano/ar 
 
7. Uma barita com 70,0% de pureza é reduzida em temperatura elevada com coque encerrando 90% de 
carbono, de modo a fornecer sulfeto de bário. Este é, a seguir, aquecido num reator tubular por onde 
passa uma corrente de anidrido carbônico úmido, obtendo-se assim carbonato de bário que é finalmente 
submetido à ação de vapor d’água superaquecido, do qual resulta hidróxido de bário. O coque é 
empregado na primeira reação com 40% de excesso e a conversão global da barita em hidróxido 
complementa-se com 72,0%. Calcule os consumos de barita e de coque por tonelada de hidróxido de 
bário produzido. 
Reações: BaSO4 + 4 C → BaS + 4 CO 
 BaS + CO2 + H2O → BaCO3 + H2S 
 BaCO3 +H 2O → Ba(OH )2 +CO2 
 
MM (BaSO4) = 233,0 g/mol, MM (C) = 12,0 g/mol, MM (Ba(OH)2) = 171,0 g/mol 
 
8. Num processo de obtenção de fenol, clorobenzeno reage com hidróxido de sódio, segundo a reação: 
C6H5Cl + NaOH→ C6H5OH + NaCl 
Por tonelada de fenol obtido, 1200 kg de soda e 1320 kg de clorobenzeno são empregados. Calcule: 
a) a porcentagem do reagente em excesso. 
3 
ZMM 
b) o rendimento na obtenção de fenol pelo processo descrito. 
MM (C6H5Cl) = 112,5 g/mol, MM (NaOH) = 40,0 g/mol, MM (C6H5OH) = 94,0 g/mol 
 
9. Determinar: 
a) A quantidade de ar necessário para queimar completamente 87,28 kgmol/h de metano puro usando 
um excesso de ar tal que a concentração molar de O2 nos gases de combustão seja 2%. 
b) A concentração dos demais componentes dos gases de combustão. 
Dados: composição do ar: O2 = 20,35% mol, Ar = 0,90% mol, H2O = 2,91 % mol, N2 = balanço. 
 
10. Etano é queimado com 50,0% de excesso de ar. A porcentagem de conversão de etano é 90,0%. Do 
etano queimado, 25,0% reage para formar CO e o balanço para formar CO2. Calcule a composição dos 
gases que saem do reator e a razão água/gás seco nessa corrente gasosa. 
 
11. Num processo de produção de anidrido ftálico, a alimentação ao reator é formada por uma mistura 
gasosa de o-xileno e ar, estando o o-xileno na concentração de 1% em volume. A conversão de o-xileno 
a produtos é: 
-anidrido ftálico: 80,0 mol%; 
-anidrido maleico: 10,0 mol%; 
-combustão completa: 10,0 mol% 
Determine a composição da corrente gasosa na saída do reator, após separação dos anidridos ftálico e 
maleico dos produtos do reator. 
 
Reações: C8H10 + 3O2 → anidrido ftálico + 3 H2O 
 C8H10 + 7,5 O2 → anidrido maleico + 4 CO2 + 4 H2O 
 C8H10 + 10,5 O2 →8CO2+ 5 H2O 
 
12. Para otimizar a composição do catalisador para produção de anidrido ftálico, é possível eliminar a 
produção de anidrido maleico em operações do tipo Sherwin-Wilians Badger. Nesse tipo de processo, 
naftaleno é convertido a anidrido ftálico com perdas de naftaleno, na produção de CO2 por combustão 
completa. Durante um teste de processo, naftaleno e ar são alimentados ao reator e os produtos do reator 
vão para condensadores, onde são separados em uma fase líquida, composta de anidrido ftálico e água 
e uma fase gasosa, composta por 80,9% de N2, 15,7% de O2 e 3,27% de CO2, em base seca. Que fração 
do naftaleno é convertido a anidrido ftálico e que fração é convertida a CO2? 
Reações: 
C10H 8 + 4,5O 2 → C8H4O3 + 2CO2 + 2H2O (1) 
C10H8 +12 O2→10CO2 + 4 H2O (2) 
 
 
4 
ZMM 
Respostas: 
 
1. a) 50,52% papel e 49,18% de água; b) 0,426 kg H2O/kg poupa úmida 
2. Composição do produto de fundo (xetanol,B = 0,044 e xH2O,B = 0,956) 
 Massa de etanol perdida = 40 kg. 
3. xH2O = 12,6% e xMnO2 = 65,32% e xinsoluveis = 22,08% 
4. 
 1 2 3 4 5 
 kg/h %peso kg/h %peso kg/h %peso kg/h %peso kg/h %peso 
H2SO4 2550,0 98,0 1410,0 60,0 --- 0 --- 0 3960,0 49,5 
HNO3 --- 0 --- 0 3960,0 61,2 --- 0 3960,0 49,5 
H2O 52,04 2,0 940,0 40,0 2510,59 38,8 3422,63 100 80 1 
TOTAL 2602,04 100 2350,0 100,0 6470,59 100,0 3422,63 100 8000,0 100,0 
 5. 
 1 2 3 4 5 
 kg/h %peso kg/h %peso kg/h %peso kg/h %peso kg/h %peso 
H2SO4 3301,08 98,0 1410,0 60,0 --- 0 751,08 15,0 3960,0 49,5 
HNO3 --- 0 --- 0 4460,72 61,2 500,72 10,0 3960,0 49,5 
H2O 67,37 2,0 940,0 40,0 2828,04 38,8 3755,41 75,0 80,0 1 
TOTAL 3368,45 100 2350 100 7288,76 100 5007,21 100 8000,0 100 
 
6. a) Relação H2/metano na alimentação = 0,113 
 b) H2+metano/ar = 0,056 
7. Barita = 2705,13 kg, 
 Coque = 436,8 kg 
8. a) Porcentagem do reagente em excesso = 182% 
b) Rendimento = 90,7% 
9. Quantidade de ar necessário para queimar = 960,79 kgmol/h. 
Concentração dos gases de combustão: O2 = 2%, Ar = 0,825%, H2O = 19,32%, N2 = 69,52%, CO2 = 
8,33%. 
10. C2H6 = 10 mol, O2 = 232,5 mol, N2 = 1975, CO2 = 135 mol, CO = 45 mol, H2O = 270 mol razão 
água/gás seco= 270/2397,5 = 0,1126. 
11. Anidrido ftálico: 0,8%; anidrido maleico: 0,1%, água: 3,29%, CO2: 1,2%, N2: 78,05%, O2: 16,56%. 
12. Para 7 mol de C10H8, 6 mol reage pela reação (1) e 1 mol reage pela reação (2).