BME-Balancos_de_Energia-Lista_Suplementar

Prévia do material em texto

BME - Balanços de Energia – Lista Suplementar 
 1
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA 
 
10.511-2 – BALANÇOS DE MASSA E ENERGIA 
 
Balanços de Energia – Exercícios Suplementares 
 
1. Um cilindro com pistão móvel contém 5 L de um gás a 50ºC e 4 
atm. O pistão é movimentado vagarosamente, comprimindo o gás a 
7 atm. 
a) Considerando o gás no cilindro como sendo o sistema, escreva a 
equação do balanço de energia e a simplifique desprezando os 
termos necessários; 
b) Supondo o processo isotérmico e que o trabalho de compressão 
realizado sobre o gás seja igual a 9 L.atm, calcule a quantidade de 
calor (em joules) trocado com as vizinhanças. 
c) Supondo agora que o processo se desenvolva adiabaticamente e 
que Û aumenta quando T aumenta, pergunta-se: a temperatura 
final será maior, igual ou menor que 50ºC? 
2. Obtenha a potência de uma turbina a vapor (em HP) operando em 
regime permanente, sabendo-se que na entrada a entalpia 
específica do vapor é 1430 BTU/lbm e a sua velocidade é 60 m/s. 
Na saída a entalpia específica vale 830 BTU/lbm e a velocidade do 
vapor é 120 m/s. Sabe-se que a vazão do vapor é 380 lbm/min. 
3. Ar é aquecido através da passagem por um tubo horizontal no qual 
encontra-se instalada uma resistência. O ar entra no tubo a 20ºC e 
60ft/s e o deixa a 200ºC e 100ft/s. Sabendo-se que o tubo é 
alimentado com 15 kg/s de ar, obtenha a potência dissipada pela 
resistência em watts. 
 
4. Uma câmara isolada possui dois compartimentos A e B. O 
compartimento A contém 3,0 kg de vapor de água saturado a 2 
bars e o compartimento B contém vapor a 5 bars e 300ºC. A parede 
que separa os compartimentos é removida e um novo equilíbrio é 
estabelecido. Calcule a massa de vapor que estava inicialmente no 
compartimento B, sabendo-se que o sistema final tem energia 
interna de 2670 kJ/kg. 
5. Vapor saturado a 270ºC é usado para aquecer uma corrente de 
vapor de ciclohexano de 85ºC a 220ºC num trocador de calor 
adiabático. A vazão do ciclohexano é de 75 L/min nas CNTP. O 
vapor condensa e deixa o trocador de calor no estado líquido a 
80ºC. Calcule a vazão necessária de vapor em kg/h. 
6. Oitocentos gramas de água à 90ºC são misturados com 400 g de 
uma substância de desconhecida que se encontra a 20ºC num 
vaso fechado e bem isolado. Quando o sistema entra em equilíbrio, 
a temperatura alcança o valor de 58ºC. Desprezando-se o calor de 
mistura, obtenha a capacidade calorífica da substância. 
7. Um óleo combustível é queimado numa caldeira liberando 6⋅104 
BTU/min de calor, 92% do qual transforma água líquida a 20ºC em 
vapor saturado a 20 bars. Obtenha a vazão mássica (kg/h) de 
produção de vapor. 
8. Três correntes líquidas contendo respectivamente 200 kg/min de 
água, 350 kg/min de etanol e 450 kg/min de metanol a 10ºC são 
alimentadas e aquecidas num misturador à Pressão constante. 
Calcule o requerimento de calor do processo (em kW) para que a 
corrente de mistura saia a 64ºC. 
9. Um motor de automóvel funcionando em regime permanente libera 
uma potência de 120 HP. Solicita-se calcular o consumo horário de 
octano (combustível) em litros, com base nas informações do 
funcionamento do sistema de refrigeração à água do motor: 
- temperatura de entrada da água: 45ºC 
- temperatura de saída da água: 70ºC 
- vazão da bomba d'água: 36,0 L/min 
BME - Balanços de Energia – Lista Suplementar 
 2
A temperatura de entrada do ar na câmara de combustão é 25ºC. 
Sabe-se que a relação entre os consumos de ar e de combustível é 
igual a 20 kgar/kgcombustível. 
DADOS: =Hˆar 2 kcal/kg 
=Hˆ otanoc 8100 kcal/kg 
=Hˆ combustão de gases 15 kcal/kg 
DRoctano=0,730 
 
10. Uma reação endotérmica é realizada num reator em batelada. A 
reação absorve 3200 kJ/kg de carga reacional. Os reagentes são 
introduzidos no reator a 20ºC e ao final da reação o meio reacional 
encontra-se a 90ºC. Para aquecer o reator é utilizada água que é 
alimentada à camisa do reator como vapor saturado a 250ºC sem 
contato com os reagentes e sai completamente condensado. O 
calor dissipado pela camisa de vapor para o ambiente é de 2,0 kW. 
A carga do reator consiste de 200 kg de material e tanto os 
reagentes como os produtos têm uma capacidade calorífica média 
(Cp) igual a 2,9 J/(g.K). Sabendo-se que o tempo de reação é igual 
a 2,5 h, calcule a relação entre as massas de vapor d’água e de 
carga reacional. 
 
11. Quinze toneladas por hora de um vinho fermentado e centrifugado 
(mistura etanol/água) com 8,1% de etanol em massa é alimentado 
numa coluna de destilação à 25ºC. Como fase de topo é obtida 
uma corrente de vapor contendo 38% de etanol em massa e como 
fase de fundo uma corrente de líquido isenta de etanol. Sabendo-se 
que as correntes encontram-se à 88ºC, obtenha o calor fornecido à 
coluna em kcal/h.