Lista de exercícios - Introdução a cálculos de processos - Engenharia Química UFRJ

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EQE-112 – Introdução aos Cálculos de Processo Profa. Andrea Valdman 
DEQ/EQ/UFRJ EQA Pag. 1 
3ª Lista de Exercícios 
1. Temos 100lb de gás com a seguinte composição, em base mássica: CH4 = 30%, H2 = 10% e N2 
= 60%. Qual a massa molecular média da mistura ? 
 
2. A variação da capacidade calorífica do ácido acético, em cal/(gmol.K), com a temperatura, em 
K, pode ser representada pela seguinte expressão: 
𝑐𝑝 = 2,0142 + 56,0646. 10
−9. 𝑇 + 34,088. 10−6. 𝑇2 
Converta esta equação em outra que determine a capacidade calorífica em Btu/(lbmol.
o
F), 
considerando a temperatura fornecida em 
o
F. 
 
3. Em um determinado escoamento, o coeficiente de transferência de calor (h) pode ser 
representado pela expressão: 
ℎ = 0,0144
𝐶𝐺0,8
𝐷0,2
 
onde [h] = Btu/(h.ft
2
.
o
F) quando: 
 [C] = Btu/(lbm.
o
F) 
 [D] = ft 
 [G] = lbm/(h.ft
2
) 
 0,0144 = constante dimensional para as unidades indicadas 
Reescreva esta equação de modo que o h seja determinado em kcal/(h.cm
2
.
o
C), com as outras 
variáveis sendo alimentados nas seguintes unidades: 
 [C] = kcal/(kg.
o
C) 
 [D] = cm 
 [G] = kg/(h.cm
2
) 
 
4. Um tanque esférico de armazenamento de matéria-prima é utilizado para estocar uma solução 
líquida com a seguinte composição, em fração mássica: Benzeno 0,25; Tolueno 0,25; Xileno 
0,50. O tanque é submetido à pressão atmosférica e a temperatura é de 20
o
C. Considerando que 
a vazão de saída deste tanque para o processo é de 200Kg/h, determine: 
a. A quantidade de Benzeno, em libras, alimentada ao processo após 3 horas ? 
b. A vazão molar de alimentação de Tolueno ao processo ? 
c. A vazão volumétrica de alimentação de Xileno ao processo, em ft3/h ? 
Dados - Bibliografia recomendada: PERRY, R.H., GREEN, D.W. Handbook de Engenharia Química. 
 
5. Uma planta industrial utilizada para a produção de óxido de etileno (C2H4O) possui um reator 
(V-2012) que é alimentado com uma mistura de eteno (C2H4) e oxigênio (O2). A carga fresca do 
reator é alimentada a uma vazão de 180 kmol/h e possui uma fração molar de 44% de oxigênio. 
A corrente de saída do reator é enviada a um separador (S-2012A), que gera duas correntes de 
efluente: uma corrente de alimentação a um separador (S-2012B); uma corrente que alimenta 
um tanque de descarte (TD-2012), após ser resfriada em um trocador de calor (TR-2012). O 
fluido de refrigeração é a água, captada de um rio próximo que, após ser aquecida, é enviado a 
uma estação de tratamento de água (E-2012). O separador que trata o produto desejado produz 
uma corrente contendo todo o produto final que alimenta um tanque de armazenamento (TA-
2012) e uma corrente de reciclo. A corrente de reciclo contém os reagentes não convertidos e é 
misturada à carga fresca do reator para recuperação dos mesmos ao longo da reação. 
a. Construa o fluxograma do processo. 
b. Considerando que um quilo de eteno puro tem um custo médio de R$ 4,00, quanto a empresa gasta 
em eteno, a cada duas horas de operação? 
c. Qual a vazão mássica de carga fresca em lb/h? 
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d. Durante um mês, a fábrica operou com uma vazão de reciclo média de F US galão/h. Na planta, existem 
sensores online acopladas a esta corrente para medir a concentração de eteno não reagido em lb/l (C lb/l) 
e a densidade da mistura em kg/m
3 
(D kg/m
3
). Utilizando apenas as variáveis citadas no enunciado (F, 
C, D) e fatores de conversão, desenvolva equações para determinar: 
i. A fração mássica de oxigênio (XO2) não reagido na corrente de reciclo; 
ii. A concentração de oxigênio na corrente de reciclo (CO2), em lbmol/ft
3
; 
iii. A vazão molar de eteno em kgmol na corrente de reciclo. 
 
6. Uma mistura de etanol e água, contendo uma fração molar de 40% de etanol (C2H5OH), deve 
ser purificada ao máximo para utilização como insumo em uma fábrica de fertilizantes. O 
processo de separação indicado para esta mistura é a destilação atmosférica. No entanto, para 
obter o produto de topo final com 0,9 (m/m), a corrente de topo é dividida: uma parte segue para 
ser reciclada e misturada à corrente de alimentação e outra parte é armazenada diretamente em 
outro tanque de armazenamento (TQ-1002). A corrente de fundo produz uma solução de 80% 
em percentual mássico do produto de fundo e é retirada, aquecida e enviada para armazenamento 
em um tanque cilíndrico (TQ-1001) para posterior descarte. 
a. Construa o fluxograma simplificado do processo, indicando as frações molares da corrente de 
alimentação da coluna e as frações mássicas dos produtos de topo e de fundo; 
b. Calcule a composição mássica da corrente de alimentação fresca à coluna; 
c. Calcule a composição molar da corrente de alimentação ao tanque de TQ-1002; 
d. Considerando uma vazão de fundo de 250 lb/h e que o preço do litro de EtOH puro é vendido, em 
média, por R$ 2,10 quanto a empresa deixa de ganhar por hora de operação? 
Dados: 
Substância Ponto de Ebulição Ponto de Fusão Densidade relativa 
EtOH 351,7 K 158,6 K 0,789 
 
 
Respostas: 
1. 11,18 lb/lbmol 
2. 𝑐𝑝 = 2,0142 + 31,147. 10
−9. 𝑇 + 459,69 + 10,521. 10−6. (𝑇 + 459,69)2 
3. ℎ = 0,00621
𝐶𝐺0,8
𝐷0,2
 
4. a) 330,7 lbm b) 0,5435 kmol/h c) entre 4,0 ft3/h e 4,1 ft3/h 
5. b) R$ 22579,20 c) 11809,72 lb/h d.i) 𝑋𝑂2 = 1 – 453,6 ∗
𝐶
𝐷
 
d.ii) d.iii) 
6. b) 0,63 m/m EtOH e 0,37 m/m de água c) 78% de EtOH e 22% de água, em base molar 
d) R$ 60,36