PQI Lista de Exercicios 03 Balanço de Massa e Energia (ENTREGAR)

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INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS 
 
Profa Dra Silvania Maria Netto – 1º Semestre 2017 
 
Matricula: Nome: 
 
 
1. A quantidade inicial de sumo de limão prensado contém 10% de sólidos totais. É desejável, por evaporação, 
aumentar o valor para 20% de sólidos totais. O sumo concentrado resultante consiste em 20% de sólidos 
totais. Calcule a quantidade de água que deverá ser removida. (Resposta: 50 kg) 
 
 
 
 
2. Uma mistura contendo 10% de etanol (E) e 90% de H2O (W), em peso, é introduzida numa coluna de 
destilação à razão de 100 kg/h. O destilado contém 60% de etanol e o destilado é produzido a uma taxa de 
um décimo do da alimentação. Calcular todas as taxas de fluxo e composições desconhecidas. (Respostas: 
D=10 kg/h; B=90 kg/h; xE,3=0,044) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3. Uma corrente de alimentação está fluindo a uma taxa de fluxo de massa de 100 kg/min. A corrente contém 
20 kg/min de NaOH e 80 kg/min de água. O destilado flui a 40 kg/min e contém 5 kg/min de NaOH. 
Determinar a taxa de fluxo de massa do fluxo de fundo e composição. (Respostas: m2=35 kg/min H2O; 
m3=60 Kg/min; mNaOH,3=15 kg/min; m3=45 kg/min H2O) 
 
 
 
 
4. Uma mistura de 100 kg/h de benzeno (B) e tolueno (T) contendo 50% de benzeno em massa é separada 
por destilação em duas fracções. O fluxo mássico de benzeno, na corrente superior, é de 45 kg/h e o de 
tolueno na corrente de fundo é de 47,5 kg/h. A operação ocorre em estado estacionário. Escrever os 
balanços de massa de benzeno e tolueno e determinar a taxa de fluxo de componente desconhecido nos 
fluxos de saída. (Respostas: mT,2=2,5 kg/h; mB,3==5 kg/h) 
 
 
 
5. Duas misturas metanol-água são misturadas num tanque agitado. A primeira mistura contém 40,0%, em 
peso, de metanol e a segunda contém 70,0%, em peso, de metanol. Se 200 g da primeira mistura forem 
combinados com 150 g/s da segunda, qual a massa e composição do produto? (Respostas: m3=150 g/s; 
xM,3=0,53; xW,3=0,47) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6. Para fazer geléia de morango, 15%, em peso, de morangos sólidos são esmagados em 85%, em peso, de 
água. Os morangos triturados e o açúcar são misturados numa razão de massa de 4/5 e a mistura é aquecida 
para evaporar água. O resíduo contém um terço de água em massa. Calcule as quantidades de morangos e 
açúcar necessários para fazer 100 g de geléia, assim como a quantidade de água evaporada. (Respostas: 
m1=mmorangos=47,6 g; m2=maçúcar=59,5 g; m4=mágua evaporada=7,1 g) 
 
 
 
 
 
 
 
 
7. A água flui de um grande lago através de um tubo de 0,02 m de diâmetro interno a uma taxa de 2,0 m3/h. 
Calcule a mudança na energia cinética para este fluxo, em J/s. (Resposta: Ec=0,88 J/s) 
 
Solution 
Known quantities: Pipe diameter (0.02 m), water flow rate (2.0 m3/h), density of water (1000 kg/m3). 
Find: Change in kinetic energy. 
Analysis: First, calculate the mass flow rate from the density and volumetric flow rate, and, next, determine the velocity as the volumetric flow rate 
divided by the pipe inner cross-sectional area. The rate of change in kinetic energy is calculated by 
 
The water exit velocity (υ2) is calculated from the volumetric flow rate (V) divided by pipe inner cross-sectional area of the exit of the pipe (A). The 
surface of the lake being large, the water surface can be assumed to be almost stagnant. Accordingly, the initial velocity is negligible (υ1 = 0): 
 
 
 
 
8. A água é bombeada a uma taxa de 10,0 kg/s a partir de um ponto 200 m abaixo da superfície terrestre até 
um ponto 100 m acima do nível do solo. Determine a taxa de mudança na energia potencial, em kW. 
(Resposta: 29,43 kW) 
 
 
 
 
9. Um cilindro, equipado com um êmbolo móvel, está cheio com gás. 2 kcal de calor são transferidos para o 
gás aumente a temperatura em 100 °C. O gás gasta 68 J para mover o pistão para sua nova posição de 
equilíbrio. Calcule a mudança na energia interna do sistema. (Resposta: U=8,3 kJ) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
10. Um tanque de água cilíndrico de 4 pés de altura e 3 pés de diâmetro está, inicialmente, cheio com água. A 
torneira, de diâmetro 0,5 pol, é aberta e o tanque começa a esvaziar. A velocidade média do jato é expressa 
por V=(2gh)1/2 , onde h é a altura da água no tanque, medida a partir do centro do furo, e g é a aceleração 
da gravidadel. Determine quanto tempo leva para o nível da água no tanque a cair a 2 pés do fundo do 
tanque. (Resposta: 12,6 min) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
11. O vapor está deixando uma panela de pressão de 4 L, cuja pressão de operação é de 150 kPa. Observa-se 
que a quantidade de líquido na panela diminuiu 0,6 L em 40 minutos e a área da secção transversal da 
abertura de saída é de 8 mm2. Determine (a) o fluxo mássico do vapor e a velocidade de saída; (b) as 
energias total e do fluxo do vapor, por unidade de massa, e (c) a velocidade com que a energia deixa o 
fogão por vapor. [Respostas: (a) 2,37x10-4 kg/s e 34,3 m/s; (b) 173,9 kJ/kg e 2693,1 kJ/kg; (c) 0,638 kW] 
(Dados: f=0,001053 m3/kg; g=1,1594 m3/kg; ug=2519,2 kJ/kg 
 
 
 
12. O ar, a 10 oC e 80 kPa, entra no difusor de um motor a jato, constantemente, com uma velocidade de 
200 m/s. A área de entrada do difusor é de 0,4 m2. O ar sai do difusor com uma velocidade muito pequena 
em comparação com a velocidade de entrada. Determine (a) o fluxo mássico do ar e (b) a temperatura do 
ar que sai do difusor. [Respostas: (a) 78,8 kg/s; (b) 30 oC] 
(Dados: h1=h283K=283,13 kJ/kg; para h2=303,14 kJ/kg  T=303 K) 
 
 
 
 
13. O gás refrigerante 134a entra no tubo capilar de um frigorífico, como líquido saturado, a 0,8 MPa e é 
estrangulado a uma pressão de 0,12 MPa. Determine a qualidade do refrigerante no estado final e a queda 
de temperatura durante este processo. (Respostas: x2=0,34; T = -53,63 oC) 
(Dados: T1 = Tsat 0,8 MPa = 31,31 oC; h1 = hf0,8MPa = 95,48 kJ/kg; T2 = Tsat 0,12 MPa = -22,32 oC; hf = 22,47 kJ/kg; 
hg = 236,99 kJ/kg) 
 
 
Durante um processo de estrangulamento, a 
entalpia (energia de fluxo + energia interna) de um 
fluido permanece constante. Mas as energias 
internas e de fluxo podem ser convertidas entre si. 
Assumptions 1 Heat transfer from the tube is negligible. 2 Kinetic 
energy change of the refrigerant is negligible. 
Analysis A capillary tube is a simple flow-restricting device that is 
commonly used in refrigeration applications to cause a large 
pressure drop in the refrigerant. Flow through a capillary tube is a 
throttling process; thus, the enthalpy of the refrigerant remains 
constant 
 
 
14. Os sistemas de aquecimento elétrico, usados em muitas casas na Europa, consistem em um duto simples 
com aquecedores de resistência. O ar é aquecido à medida que flui por fios de resistência. Considere um 
sistema de aquecimento elétrico de 15 kW. O ar entra na secção de aquecimento a 100 kPa e 178 oC com 
um fluxo volumétrico de 150 m3/min. Se o calor é perdido para o ambiente a uma taxa de 200 W, 
determinar a temperatura de saída do ar. (Resposta: 21,9 oC) 
 
 
O erro envolvido em h = cp . T, onde cp 
corresponde a 1,005 kJ/kg.oC, é inferior a 0,5% 
para uma variação de temperatura -20 oC a 70 
oC. 
 
15. O vapor deve ser condensado, em uma usina de vapor, a uma temperatura de 50 oC com água de 
resfriamento de um lago próximo, que entra nos tubos do condensador a 18 oC, a uma taxa de 101 kg/s, e 
sai a 27 oC . Determine a taxa de condensação do vapor no condensador. (Resposta: 1,6 kg/s) 
(Dados: Para T = 50 oC hfg = 2382,0 kJ/kg; cp = 4,18 kJ/kg. oC)