3a. Lista de Exercicios_BME-2o. sem2012

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Ministério da Educação
Secretaria de Educação Profissional e Tecnológica
Instituto Federal do Rio de Janeiro – IFRJ
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Curso: SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM PROCESSOS INDUSTRIAIS (Mód. 5)
Disciplina: BALANÇO DE MASSA E ENERGIA Profa: SIMONE ALVES
3a. Lista de Exercícios
(Balanço de Massa)
1) Em uma planta para produção de amônia, uma mistura N2 , H2 e uma pequena quantidade de
gás argônio (Ar), alimenta o reator e a conversão neste é 10%. A amônia formada é
completamente separada por condensação e uma fração dos gases não reagidos é reciclada
para o reator. A carga pura contém 25 moles de N2, 75 moles de H2 e 0,1 moles de Ar.
Sabendo-se que a razão moral Ar/(N2 + H2) na entrada do reator é de 0,005, calcular:
a) A quantidade que deve ser continuamente purgada;
b) A composição e a quantidade reciclada;
c) A quantidade de amônia formada.
2) Etileno é hidratado cataliticamente para fornecer etanol. O etileno não convertido é reciclado
após a condensação total do etanol e da água na saída do reator. A alimentação contém 1% de
gases inertes que não podem ser acumulados no sistema e devem ser purgados de tal forma
que o seu teor na entrada do reator não ultrapasse 2,5%. Calcular a quantidade a ser purgada
(em kgmoles/h) para uma alimentação de 200 kgmoles/h e reciclo de 500 kgmoles/h.
3) Propeno pode ser produzido por desidrogenação catalítica de propano de acordo com a
seguinte reação química:
C3H8 → C3H6 + H2
A conversão do propano por passe no reator é de 40,0%. Se o produto efluente do processo
contém 4,0% de propano, calcule:
a) a conversão global de propano no processo;
b) a razão molar de reciclo R/F.
4) O diagrama de fluxo de um processo em estado estacionário para recuperar cromato de
potássio cristalino (K2CrO4) de uma solução aquosa deste sal é apresentado no esquema
abaixo.
4.500 kg/h de uma solução que é 1/3 de K2CrO4 em massa é misturada a uma corrente de
reciclo contendo 36,4% K2CrO4, e a corrente combinada alimenta um evaporador. A corrente
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concentrada que deixa o evaporador contém 49,4% K2CrO4. Esta corrente entra em um
cristalizador, no qual é resfriada (causando a precipitação dos cristais sólidos de K2CrO4) e
logo após é filtrada. A torta de filtro resultante consiste de cristais de K2CrO4 e uma solução
que contém 36,4% K2CrO4 em massa. Os cristais constituem 95% da massa total da torta de
filtro. A solução que passa através do filtro, também contendo 36,4% K2CrO4, é a corrente de
reciclo. Pede-se:
a) Calcular a taxa de evaporação, a taxa de produção de K2CrO4 cristalino as taxas de
alimentação para as quais o evaporador e o cristalizador devem ser projetados;
b) Qual a razão de reciclo;
c) Supondo que o filtrado fosse descartado em lugar de ser reciclado, calcular a taxa
de produção dos cristais correspondente.
5) O fluxograma do processo de produção de café solúvel instantâneo a partir de grãos de café é
mostrado abaixo, com percentuais ponderais (ou seja, % em peso).
Os grãos de café contêm componentes solúveis e insolúveis em água, representados no
fluxograma, respectivamente por ( S ) e ( I ), sendo ( A ) a água e ( C ) uma solução de café
contendo 35% de S e 65% de A.
O café instantâneo é então produzido dissolvendo-se a parte solúvel dos grãos de café, em
água quente através de percoladores (identificado no fluxograma como percolador). A
solução de café (água e substâncias solúveis) alimenta um secador a pulverização (identificado
como pulverizador), onde a água é finalmente evaporada, restando apenas a parte solúvel,
como pó seco, que é então comercializada como café instantâneo, cuja marca pioneira no
mercado foi o Nescafé e que representa ainda hoje um dos principais produtos da Nestlé.
No processo, a solução removida do ciclone alimenta também o secador a pulverização e o
restante dos grãos de café (contendo, portanto, ambos os componentes – insolúveis e
insolúveis em água – e a própria água) passa então por várias etapas de secagem (secadores)
e, após secos, são recolhidos como rejeito do processo, podendo ser queimados ou utilizados
como adubo.
Para o fluxograma apresentado, pede-se:
a) Calcular as vazões mássicas de todas as correntes do processo especificadas, sabendo-se
que a vazão da corrente de rejeito dos secadores é de 1.400 kg/h, para uma produção de
500 kg/h de café instantâneo.
b) Caso o fluxograma apresentado seja modificado, fazendo-se com que o efluente líquido
da prensa seja alimentado diretamente ao pulverizador, sem que com isso seja afetada a
qualidade do café instantâneo produzido, qual seria o aumento percentual equivalente na
produção total de café instantâneo?
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PERCOLADOR
CICLONE
PRENSA
SECADORES
PULVERIZADOR
9
1
8
5
7
10
6
4
2
A
S + I
C
C
A
Café instantâneo
Grãos de café
S
A
(S + A + I)
Rejeito
C (50%)
I (50%)
S + A (30%)
I (70%)
C (80%)
I (20%)
C
RESPOSTAS:
1) a) 157,86 kg; b) 6,45% de H2, 90,67% de N2 e 2,88% de Ar.
2) 64,5 kgmoles
3) a) 92,3% ; b) 1,56
4) a) 1.470 kg K2CrO4/h ; 2.950 kg H2O evaporada/h ; 7.200 kg H2O/ h fornecida aocristalizador; b) 1,26 kg de reciclo/kg de alimentação virgem; c) 622 kg de cristais de
K2CrO4/h
5) a) Vazões das correntes em kg/h:1=2.852; 2=3.476,6; 3=4.900; 4=1428,6; 5=2940
kg/gh; 6=928,6; 7=1960; 8=560; b) 205,8%.