Lista 5 sem Gabarito

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Operações Unitárias II Lista 5 Questão 1: Determinar a umidade, a entalpia, a umidade relativa e a temperatura do ponto de orvalho do ar úmido considerando uma temperatura de bulbo seco de 20 ºC e uma temperatura de bulbo úmido de 15 ºC. Questão 2: Ar a 20 ºC e 40% de umidade é aquecido até 32 ºC. Para o ar aquecido, determinar a umidade relativa, as temperaturas de bulbo seco, bulbo úmido e a temperatura de orvalho. Determinar também o calor necessário por unidade de massa de ar seco para executar o serviço. Questão 3: Em um sistema de refrigeração, uma corrente de ar com vazão de 1000 kg/h (base ar seco) é refrigerada de 30 ºC (bulbo úmido 27 ºC) até 20 ºC. Determinar a carga térmica, a vazão de água drenada e a umidade relativa do ar na saída do equipamento. Questão 4 (Adaptado de McCabe e Smith, 1976): Em um processo da indústria microeletrônica, é necessária uma corrente de ar com vazão de 7000 kg/h a 55 ºC e 20% de umidade. Esta corrente é obtida a partir de um suprimento de ar a 30 ºC e 20% de umidade, de acordo com as seguintes etapas: (i) pré-aquecimento, (ii) passagem em uma câmara de spray (umidificação adiabática) até a umidade desejada, onde a temperatura de saída da câmara é 2 ºC superior ao bulbo úmido e (iii) reaquecimento até a temperatura final. Determinar: a) Temperatura de pré-aquecimento do ar; b) Temperatura da saída da câmara de spray; c) Carga térmica do processo de pré-aquecimento; d) Carga térmica do processo de reaquecimento. Questão 5: Uma corrente de ar úmido com vazão total de 20000 Nm3/h a 40 ºC e 80% de umidade relativa deve ser desumidificada até que a percentagem molar da água no ar atinja 2%. Para este serviço, propõe-se a utilização de um resfriador utilizando água gelada. Para o dimensionamento preliminar do equipamento, determinar a temperatura de saída da corrente de ar, a carga térmica do trocador e a vazão de água condensada. Dados: Composição do ar: 79% de N2 e 21% de O2, Massa molar do ar: 29 kg/kmol, Constante universal dos gases: 8314 J/kmolK, Volume molar nas CNTP: 22,414 m3/kmol Questão 6: Uma corrente de ar úmido com vazão 10000 Nm3/h, inicialmente com uma temperatura de bulbo seco de 30 ºC e 70% de umidade, deve ser tratada até atingir a mesma temperatura de 30 ºC, porém nas condições de saturação. Apresentar um conjunto etapas capaz de atingir a especificação desejada, determinando também as taxas de transferência de calor e massa envolvidas, permitindo assim o dimensionamento dos equipamentos necessários. Questão 7: Determinar a vazão máxima de água que pode ser resfriada em uma torre de resfriamento com as seguintes características: Temperatura do ar (bulbo seco): 30 ºC, Umidade relativa: 50%, Temperatura da água na alimentação: 40 ºC, Temperatura da água na saída: 32 ºC, Altura do recheio: 2 m, Parâmetros da função KaV/L: Cun = 0,8 e n = 0,6, Seção reta da torre: 3 m x 3 m, Vazão de ar: 20 m3/s, Capacidade calorífica da água: 4200 J/kgK Questão 8: Se a torre do problema anterior estiver operando na capacidade máxima e a umidade relativa aumentar para 80% devido a um período chuvoso, qual será a temperatura de saída da água? 
Questão 9: Determinar o número de torres de resfriamento necessárias para resfriar 3000 m3/h de água de 40 ºC até 32 ºC. Condições ambientais: Temperatura do ar (bulbo seco): 30 ºC e Umidade relativa: 50%. Especificações de cada torre: Altura do recheio: 2 m, Parâmetros da função KaV/L: Cun = 0,8 e n = 0,6, Seção reta de cada célula: 4 m x 4 m, Vazão de ar: 40 m3/s, Capacidade calorífica da água: 4200 J/kgK. Questão 10: No projeto de uma nova planta, há severas restrições ao consumo de água para atendimento às necessidades do processo. Desta forma, visando determinar o balanço hídrico da unidade, avaliar o consumo de água de reposição (em m3/h) atrelado à evaporação no sistema de água de resfriamento descrito a seguir. Sugestão: Desconsiderar a variação da vazão de água de resfriamento ao longo das torres nos cálculos referentes ao balanço de energia e assumir que a corrente de ar sai saturada das torres para a atmosfera. Dados:  Temperaturas de suprimento e retorno da água de resfriamento: 32 C e 43 C;  Vazão total de água alimentada nas torres: 20000 m3/h;  Torres: Contracorrente com tiragem mecânica induzida operando com uma razão entre as vazões mássicas de água e ar equivalente a 0,5;  Condições ambientais: Temperatura de bulbo seco: 30 C; Umidade relativa: 60 %; Pressão: 1 atm; Velocidade e direção do vento: 2 m/s NNO.  Propriedades físicas da água: Massa específica: 995 kg/m3, Viscosidade: 0,810-3 Pas, Capacidade térmica: 4200 J/kgK, Condutividade térmica: 0,59 W/mK Questão 11 (Adaptado de Smith, 2005): Para uma corrente de gás natural com composição molar 90% CH4 e 10% C2H6, determinar a temperatura adiabática de chama nas seguintes condições com combustível e comburente a 25 ºC: a) Queima com ar estequiométrico b) Queima com 10% em excesso de ar c) Queima com 10% em excesso de ar com 60% de umidade relativa Questão 12 (Adaptado de Smith, 2005): Desconsiderando as perdas através das paredes do forno e admitindo uma temperatura de chaminé igual a 100ºC, determinar a eficiência do forno relativa ao item c da questão anterior. Questão 13: No projeto de um forno, a vazão de gás natural (composição molar 90% CH4 e 10% C2H6) queimada com 10% em excesso de ar é igual a 4000 kg/h. Considerando que a carga térmica absorvida a zona de radiação é 70% do total do serviço e uma eficiência do forno como um todo de 90%, determinar: a) Vazão mássica dos gases de combustão b) Temperatura de entrada dos gases de combustão na zona de convecção c) Temperatura de chaminé. Questão 14: Uma corrente de metano com 5000 kg/h deve ser aquecida de 30 ºC até 300 ºC em um forno com eficiência total de 90%. Determinar o consumo de gás natural com composição molar 90% CH4 e 10% C2H6 durante a operação do forno. 
Questão 15: Determinar a eficiência do forno descrito abaixo (considere que a corrente de gás natural pode ser descrita como 90% metano e 10% etano). Questão 16: Acompanhe abaixo o relatório técnico de um engenheiro sobre um problema operacional em um trocador de calor em uma unidade industrial: “Na nossa unidade, um resfriador contracorrente de gás de síntese (capacidade calorífica: 5300 J/kgK) de 53 m2 de área utiliza água de resfriamento (capacidade calorífica: 4200 J/kgK) para reduzir a temperatura do gás até um valor próximo a 40 ºC. Neste trocador, o coeficiente global de transferência de calor é controlado pela corrente de gás de síntese. A tabela a seguir apresenta registros confiáveis da operação do equipamento colhidos pela instrumentação do processo em duas datas diferentes. Dados de laboratório indicam que a composição do gás de síntese não se alterou entre estas duas datas. Data msyngas (kg/h) Tsyngas,i (ºC) Tsyngas,o (ºC) TH2O,i (ºC) TH2O,o (ºC) 11/06/2015 8900 90 50 32 68 27/09/2013 9000 92 42 32 42 De acordo com os dados indicados, acredito que o aumento da temperatura de saída do gás de síntese ocorreu devido à deposição sobre a área de troca térmica e, por este motivo, recomendo a limpeza do equipamento.” A análise do engenheiro está correta? Caso você discorde da recomendação proposta, indique o que causou o efeito registrado. Questão 17: Na avaliação de um trocador em operação, deve-se verificar o quanto a sujeira está afetando o desempenho do equipamento. Com este objetivo, calcular qual seria a variação na carga térmica do trocador após um procedimento de limpeza que fosse capaz de remover totalmente os depósitos presentes. Dados do trocador: Tipo: BEM, Corrente nos tubos: Fluido frio, Número de tubos: 496, Número de passes no casco e nos tubos: 1/2, Comprimento, diâmetro nominal e espessura dos tubos: 8 ft, 3/4 in e 0,065 in, Arranjo e passo do feixe: 30º e 15/16 in, Diâmetro do casco: 23 ¼ in, Espaçamento central das chicanas: 250 mm, Corte da chicana: 25%, Material dos tubos: aço carbono (condutividade térmica: 50 W/mK) Dados operacionais:Vazão, temperatura de entrada e temperatura de saída da corrente quente: 14,0 kg/s, 278 ºC e 200 ºC, Vazão, temperatura de entrada da corrente fria: 22,4 kg/s e 89,8 ºC. Não há mudança de fase em nenhuma das correntes. Propriedades físicas da corrente quente: Massa específica: 750 kg/m3, Capacidade calorífica: 2840 J/kgK, Viscosidade: 34010-6 Pas, Condutividade térmica: 0,19 W/mK Propriedades físicas da corrente fria: Massa específica: 740 kg/m3, Capacidade calorífica: 2407 J/kgK, Viscosidade: 49410-6 Pas, Condutividade térmica: 0,11 W/mK 
Vapor 280 C 7500 kg/h 
Gás natural 30 C 
5000 kg/h 
Gás natural 210 kg/h 
Ar (10% em excesso) 
450 C 
 Dados: Capacidade calorífica molar: 332210 TTTCp  para T em K e Cp em kJ/kmolK Componente 0 1102 2105 3109 O2 25,467 1,5202 -0,7155 1,3117 N2 28,9015 -0,1571 0,8081 -2,8726 H2O 32,2384 0,1923 1,0555 -3,5952 CO2 22,2570 5,9808 -3,5010 7,4693 CH4 19,8873 5,0242 1,2686 -11,0113 C2H6 6,8998 17,2664 -6,4058 7,2850 Entalpia de combustão a 298 K CH4 + 2 O2  CO2 + 2 H2O(g) Hcomb = - 802,8 MJ/kmol C2H6 + 3,5 O2  2 CO2 + 3 H2O(g) Hcomb = - 1428,7 MJ/kmol