PQI Lista de Exercicios 02 Balanço de Massa e Energia

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PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS 
 
Profa Dra Silvania Maria NETTO 
 
LISTA DE EXERCÍCIOS 2 
 
1. Observando-se a figura abaixo, identifique os locais onde se situam as fronteiras do sistema que 
estabelecem interações com a vizinhança. 
 
 
 
2. Conforme ilustrado na figura abaixo, a água circula entre um tanque de estocagem e um coletor solar. A 
água aquecida no tanque é utilizada para fins domésticos. Considerando o coletor solar como um sistema, 
identifique as posições nas fronteiras onde este interage com as vizinhanças e descreva o que acontece no 
interior do sistema. Repita a análise para um sistema que inclua o tanque de estocagem e toda a tubulação. 
 
 
3. Conforme ilustrado na figura abaixo, o vapor escoa por uma válvula conectada em série a uma turbina. A 
turbina aciona um gerador elétrico. Considerando a válvula e a turbina como um sistema, identifique as 
posições nas fronteiras onde o sistema interage com suas vizinhanças e descreve o que acontece no interior 
do mesmo. Repita a análise para um sistema que inclua o gerador. 
 
4. Conforme ilustrado na figura abaixo, a água para uma mangueira de incêndio é extraída de uma lagoa por 
uma bomba movida a motor a gasolina. Considerando a bomba movida pelo motor como um sistema, 
identifique locais no limite do sistema onde este interage com seu ambiente e descreva os eventos que 
ocorrem dentro do sistema. Repita para um sistema que inclui a mangueira e o bico. 
 
 
 
 
5. Um separador ciclônico, figura abaixo, é utilizado para remover partículas sólidas finas, tais como cinzas 
volantes, que estão suspensas numa corrente de gás. No sistema de gases de combustão de uma central 
elétrica, a fracção em peso de cinzas volantes nos gases de escape é de aproximadamente 0,001. Determine 
os fluxos de massa nas duas saídas (gás de combustão e cinzas volantes) quando 10 kg/s de gás de 
combustão e mistura de cinzas entram nesta unidade. Também determinar a quantidade de cinzas 
transportadas por ano. 
 
 
 
6. 1000 kg/h de uma mistura de benzeno e tolueno, que contém 50% de benzeno em massa, são separados 
por destilação em 2 frações. A vazão mássica na corrente de topo contém 450 kg/h de benzeno e na 
corrente de fundo há 475 kg/h de tolueno. Calcule as vazões dos componentes, as vazões totais de cada 
corrente e as frações mássicas e molares dos componentes nas correntes. 
 
 
 
 
7. O vapor entra num bico convergente-divergente que opera em estado estacionário com p1 = 40 bar, 
T1=400 °C e uma velocidade de 10 m/s. O vapor flui através do bocal com transferência de calor 
insignificante e nenhuma mudança significativa na energia potencial. Na saída, p2 = 15 bar, e a velocidade 
é de 665 m/s. A taxa de fluxo de massa é de 2 kg/s. Determine a área de saída do bocal, em m2. 
 (Dica: Para os valores de h1ne v2 consulte a Tabela A4) 
 
8. O vapor entra uma turbina, que funciona em estado estacionário, apresenta uma taxa de fluxo em massa 
de 4600 kg/h. A turbina desenvolve uma potência de 1000 kW. Na entrada, a pressão é de 60 bar, a 
temperatura 400 ° C, e a velocidade é de 10 m/s. Na saída, a pressão é de 0,1 bar, a qualidade é de 0,9 
(90%), e a velocidade é de 50 m/s. Calcule a taxa de transferência de calor entre a turbina e o ambiente, 
em kW. 
 (Dica: Para os valores de h1 consulte a Tabela A4 e para o valor de hf,2 a Tabela A3) 
 
 
9. O ar entra num compressor, que opera em estado estacionário, a uma pressão de 1 bar, ,a temperatura de 
290 K e velocidade de 6 m/s através de uma entrada com uma área de 0,1 m2. Na saída, a pressão é 7 bar, 
temperatura de 450 K e a velocidade de 2 m/s. A transferência de calor, do compressor para o ambiente, 
ocorre a uma taxa de 180 kJ/min. Utilizando o modelo de gás ideal, calcule a potência de entrada para o 
compressor, em kW. 
 (Dica: Para os valores de h1 e h2 consulte a Tabela A22) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
10. Uma máquina de lavar está sendo usada para limpar o tapume de uma casa. A água entra a 20 °C, 1 atm, 
com um fluxo volumétrico de 0,1 L/s através de uma mangueira de 2,5 cm de diâmetro. Um jato de água 
sai a 23 °C, 1 atm, com uma velocidade de 50 m/s a uma elevação de 5 m. No estado estacionário, a 
magnitude da taxa de transferência de calor, da unidade de potência para o ambiente, é de 10% da entrada 
de energia. A água pode ser considerada incompressível, e g=9,81 m/s2. Determine a potência de entrada 
para o motor, em kW. 
 (Dica: Para os valores de v consultar a Tabela A-2 e de c a Tabela A-19) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
11. O vapor entra no condensador de uma usina a vapor a 0,1 bar com eficiência de 95% e o condensado sai a 
0,1 bar e 45 °C. A água de arrefecimento entra no condensador numa corrente separada como um líquido 
a 20 °C e sai como um líquido a 35 °C sem alteração na pressão. A transferência de calor do exterior do 
condensador e as mudanças nas energias cinética e potencial das correntes que fluem podem ser ignoradas. 
Para operação em estado estacionário, pede-se determinar: 
a) A razão entre a taxa de fluxo de massa da água de arrefecimento e a taxa de fluxo de massa de 
condensação. 
b) A taxa de transferência de energia do vapor de condensação para a água de arrefecimento, em kJ/kg 
de vapor que passa através do condensador. 
(Dica: Para os valores de h1, hf e hg consultar a Tabela A-3) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
12. Os componentes eletrônicos de um computador são refrigerados pelo ar que flui através de uma 
ventoinha montada na entrada da caixa do computador. O ar, em estado estacionário, entra no sistema 
a 20 °C e 1 atm. Para o controle do ruído, a velocidade do ar de entrada não pode exceder 1,3 m/s. Para 
o controle de temperatura, a temperatura do ar na saída não pode exceder 32 °C. Os componentes 
eletrônicos e ventilador recebem, respectivamente, 80 W e 18 W de energia elétrica. Determine o menor 
diâmetro de entrada do ventilador, em cm, para o qual os limites na velocidade de entrada de ar e 
temperatura do ar de saída são atendidos. 
 (Dado: ar se comporta como um gás ideal com cp = 1,005kJ/Kg.K) 
 
 
 
 
13. Uma linha de abastecimento transporta uma mistura de vapor líquido a duas fases de 20 bar. Uma 
pequena fração do fluxo na linha é desviada através de um calorímetro de estrangulamento e esgotada 
para a atmosfera a 1 bar. A temperatura do vapor de escape é medida como 120 °C. Determine a 
qualidade do vapor na linha de suprimento. 
(Dica: Para os valores de hf1 e hg1 consultar a Tabela A-3 e para h2 consultar a Tabela A-4) 
 
 
14. Um tanque com um volume de 0,85 m3 inicialmente contém água como uma mistura de líquido-vapor de 
duas fases a 260 °C e uma qualidade de 0,7. O vapor de água saturado a 260 ° C é retirado lentamente 
através de uma válvula reguladora de pressão na parte superior do tanque à medida que a energia é 
transferida pelo calor para manter a pressão constante no tanque. Isto continua até que o tanque é 
enchido com vapor saturado a 260 ° C. Determine a quantidade de transferência de calor, em kJ. 
Desconsiderar todos os efeitos de energia cinética e potencial. 
 (Dica: Para hg, u1 e u2 consultar a Tabela A2) 
 
 
 
 
 
15. Vapor a uma pressão de 15 bar e temperatura de 320 °C está contido num recipiente. Ligado a este, 
através de uma válvula, encontra-se uma turbina seguida de um pequeno tanque inicialmente vazio com 
um volume de 0,6 m3. Quando a válvula é aberta o tanque enche com vapor, a uma pressão de 15 bar e, 
a temperatura no tanque é entãode 400 °C. O processo de enchimento ocorre de forma adiabática e os 
efeitos de energia cinética e potencial são insignificantes. Determine a quantidade de trabalho 
desenvolvido pela turbina, em kJ. 
 (Dica: Para h1,  e u2 consultar a Tabela A4)