05-05-14 - IPQB Lista 3

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Engenharia Química – PUCMINAS 
Introdução aos Processos Químicos e Bioquímicos – Lista de Exercícios III 
Professora: Agda A R de Oliveira 
 
1. Em um fogão a água em uma panela de está fervendo vigorosamente e em outra 
lentamente. O que se pode dizer da temperatura da água nas duas panelas. 
2. Determine o calor padrão de cada uma das reações a 25°C: 
 
a) 3( ) ( ) 2( )s s gCaCO CaO CO  
 
b) 3( ) ( ) 2 ( ) 2( )4 6 6 5g g g gNH NO H O N   
 
 
3. Um combustor com paredes adiabáticas usa o gás metano, CH4, como combustível. 
O comburente é o próprio ar atmosférico filtrado e dessecado, contendo 79% de 
nitrogênio, N2, e uma quantidade de oxigênio, O2, igual à necessária para reagir 
completamente com o metano, acrescida de 20% (excesso). Tanto o metano quanto o ar 
atmosférico são impulsionados para dentro do combustor a uma pressão constante a 105 
Pa e a uma temperatura de 25°C. Diante dessa situação e considerando 1,0 mol de 
metano, responda o que se pede: 
 
a) Escreva a reação de combustão padrão do metano. 
b) Encontre o calor padrão da reação. 
c) Quais as quantidades de matéria na corrente dos reagentes? 
d) Quais as quantidades de matéria na corrente dos produtos? 
 
4. Uma câmara de combustão é utilizada para oxidar CO para CO2. O CO é alimentado 
a 200°C e 1 atm juntamente com Ar seco a 500°C. Se o agente oxidante (Ar) é 
alimentado em excesso (90% em relação ao requerido estequiometricamente) e a 
temperatura de saída do processo é 1000°C. 
a) Determine a energia liberada na câmara de combustão para cada 1 kmol de CO 
alimentado. Admita combustão completa. 
 CO(g)+1/2O2 (g)→CO2 (g) ∆H°Reação=-67,41 kcal (18°C) 
 
 
 
5. Determine a variação de entalpia, a partir de 2 kg de permanganato de potássio, para 
a reação: 
 
b) Repita os cálculos considerando uma conversão de 65%. 
 
6. Um processo de síntese de amônia opera segundo a reação: 
 
a) Se o processo for operado em regime permanente e a reação atingir um grau de 
conversão de 100%, determinar a temperatura de saída do processo para uma 
alimentação de 300 kg/h de N2, estando os reagentes a 40°C. 
Dados: 
 
b) Repita seus cálculos, considerando agora um grau de conversão de 80% e 20% de 
excesso de H2. 
 
7. Uma corrente de gás contendo 60% de etano e 40% de n-butano em massa é para ser 
aquecida de 150 para 250 K a uma pressão de 5 bar. Calcule o calor fornecido requerido 
por kg de mistura, desprezando-se os efeitos de energia cinética e potencial. Deve-se 
adotar como base de cálculo 1 kg/s de mistura. As entalpias a 150K e 250K e 5 bar do 
etano e n-butano são apresentados no Perry Chemical Engineering Handbook. Os 
valores apresentados são os seguintes: 
 
 
 
8. Vapor saturado a 1 atm é descarregado de uma turbina a uma taxa de 1150 kg/h. 
Vapor superaquecido a 300°C e 1 atm é necessário para alimentar um trocador de calor; 
para produzir isto, a corrente de descarga da turbina é misturada com vapor 
superaquecido disponível de uma segunda fonte a 400°C e 1atm. A unidade de mistura 
opera adiabaticamente. Calcule a quantidade de vapor superaquecido a 300°C produzido 
e a vazão volumétrica requerida da corrente a 400°C. 
 
9. Para produzir leite condensado açucarado (composição abaixo) faz-se a 
concentração do leite (composição abaixo) em um evaporador, adicionando-se em 
seguida 
um xarope com 65,0% de sacarose em um misturador. Para a produção de 10,00 kg/h de 
leite condensado. 
a) Desenhe o fluxograma do processo, com todas correntes e composições e volumes 
de controle; 
b) Classifique o processo, em relação às variáveis de entrada e em relação ao tempo; 
c) Calcule a quantidade de leite utilizado; 
d) Calcule a quantidade de xarope; 
e) Calcule a quantidade de água evaporada; 
 
 
10. Uma fábrica de fertilizantes produz o fertilizante superfosfatado, tratando fosfato de 
cálcio com 92% de pureza pelo H2SO4 concentrado, pela reação: 
 Ca3(PO4)2 + H2SO4 → CaSO4 + CaH4(PO4)2 
 
Em um teste realizado, foram misturados 500,0 kg de fosfato de cálcio com 260,0 kg de 
H2SO4, obtendo 280,0 kg de superfosfato CaH4(PO4)2 . Calcule: 
a) o reagente limitante; 
b) a porcentagem em excesso do reagente; 
c) a conversão da reação; 
d) a porcentagem de conversão de fosfato em superfosfato. 
 
11. Hexano (C6H14) sofre combustão total. 1500 kg-mols/h de uma corrente de 
alimentação composta de 25% de C6H14, 45% de O2, 20% de CO2 e o restante de N2 são 
alimentadas ao reator, no qual se obtém uma conversão de 87%. 
a) Apresente o fluxograma do processo, justificando a presença de cada componente 
em cada corrente. 
b) Determine o reagente limitante. 
c) Determine a porcentagem de excesso do reagente em excesso. 
d) Calcule a vazão molar da corrente de produto. 
e) Calcule a composição molar da corrente de produto. 
f) Calcule o calor de combustão padrão da reação. 
 
12. Acrilonitrila (C3H3N) é produzida pela reação de propileno, amônia e oxigênio: 
 C3H6 + NH3 + O2 → C3H3N + H2O 
 
A alimentação mássica contém 18% de propileno, 24% de amônia e o restante de ar. 
a) construa o fluxograma do processo, justificando a presença de cada componente em 
cada corrente. 
b) Calcule a composição molar da corrente de entrada do reator. 
e) Qual é o reagente limitante? 
f) Quais os reagentes em excesso? Qual a porcentagem em excesso de cada um deles? 
g) Calcule os kmols de C3H3N produzidos por kmol de NH3 alimentado para uma 
conversão de 30,0% do reagente limitante. 
 
13. SO2 é queimado a SO3 com 100% de excesso de ar e conversão de 65%. Para uma 
vazão de 100,0 kg/h de SO3 produzidos. calcule calor de combustão padrão da reação e 
as vazões dos reagentes e dos produtos em kmol/h e kg/min. 
 
14. 100 g.mol de um gás natural contendo 95% em mols de metano e o restante em 
etano é queimado com 25% de excesso de ar. O gás de chaminé (gases de saída da 
combustão), que sai da câmara de combustão está a 900°C e 1 atm, e não contem 
hidrocarbonetos, nem CO. Este gás, antes de ser liberado para a atmosfera, é resfriado 
até 500ºC em um trocador de calor, para recuperação parcial de energia. 
a) Calcule as vazões dos gases de saída (gás de chaminé). Considere que a composição 
molar do ar é 79% N2 e 21% O2. 
b) Calcule a quantidade de calor (kJ) que será transferida do gás, no trocador de calor, 
para que o resfriamento indicado (de 900ºC para 500ºC) seja atingido. Desconsidere 
mudanças na energia cinética e potencial. 
DADOS: 
 
 
15. A produção de combustíveis líquidos a partir do gás natural tem como primeira 
etapa do processo a produção de gás de síntese. Para produzir gás de síntese pelo 
sistema ATR, o gás natural (que tem como componente principal o metano - CH4) é 
oxidado pela reação: 
 CH4 + 2 O2 ⎯⎯→CO2 + 2 H2O 
Calcule: 
a) o calor de reação a 298K e a 950K. 
b) considerando conversão completa, qual é a quantidade de calor que deve ser 
removido do reator se entram 1000 mol/h de CH4. 
c) se o calor de reação for removido passando água por uma serpentina interna ao reator, 
com a água de refrigeração entrando a 29°C e saindo a 60°C, qual o fluxo mássico de 
água requerido para resfriar o reator?