ENG030 Exercicios Lista 03 Balanco de Energia

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Curso: Engenharia Química 
Disciplina: Processos Químicos – ENG030 
Professor: Paulo Roberto Britto Guimarães 
Lista de Exercícios No 03 
1. Um sistema a pressão constante de 30 psia contém 3 lb de água líquida saturada. Energia é adicionada ao fluido até 
que seu título seja 70%. Determinar: a) A temperatura inicial; b) A temperatura e a pressão finais; e 
c) As variações de volume e entalpia do fluido. 
2. Vapor a 3,5 MPa e 340oC é expandido para 0,7 MPa. Determinar o seu estado final se a expansão for: 
a) A entalpia constante; b) A entropia constante. 
3. Água líquida a 7,5 MPa e 40
o
C é aquecida a pressão constante até que se torne um líquido saturado. 
Qual a diferença de entalpia entre os dois estados em Btu/lb? 
4. Demonstre que, a 400oC e 10 bar, a água está no estado de vapor superaquecido e determine sua temperatura de 
saturação a esta pressão, o número de graus de superaquecimento e as diferenças de suas entalpia, energia interna e 
entropia específicas em relação à condição de vapor saturado a 10 bar. 
5. Um tanque contém exatamente 1 kg de água e vapor em equilíbrio a 7 bar. Se o líquido e o vapor ocupam, cada um, 
metade do volume do tanque, qual a entalpia da mistura? 
6. Um tanque com um volume de 2 ft3 contém vapor saturado a 20 psia. Energia é retirada do fluido a volume constante 
até que a temperatura seja de 80oF. Determinar: a) A temperatura inicial e a pressão final; 
b) A massa total de material no tanque; c) O volume e a massa da água líquida no tanque nas condições finais. 
7. Um tanque fechado de 10 ft3 está cheio de vapor saturado a 250 psia. Se 25% do vapor forem condensados, 
determinar: a) A diferença de entalpia entre os estados inicial e final; b) A pressão final. 
8. Um recipiente com capacidade de 0,4 m3 contém 2,0 kg de uma mistura de água líquida e vapor a uma pressão de 600 
kPa. Determinar os volumes e as massas do líquido e do vapor. 
9. Determinar a fase e as propriedades que faltam (P, T, h, u, s e x) para a água nas seguintes condições: 
a) T = 120oC e v = 1 m3/kg; b) P = 10 MPa e v = 0,01 m3/kg. 
10. Vapor superaquecido a 10 bar e 240 oC é expandido a entropia constante até uma pressão de 2 bar. Qual o estado do 
vapor nas condições finais? 
11. O estado de 1 lb de vapor d’água é mudado de vapor saturado a 20 psia para vapor superaquecido a 50 psia e 1000oF. 
Quais serão suas variações de entalpia e entropia? 
12. Um sistema bifásico formado por água líquida e vapor d’água com volumes iguais está a 8000 kPa. Se o volume total é 
de 0,15 m3, calcule a entalpia e entropia do sistema. 
13. Uma mistura de líquido e vapor d’água a uma temperatura de 300oC ocupa um volume de 0,05 m3. As massas do 
líquido e vapor saturados são de 0,75 kg e 2,26 kg, respectivamente. Qual o volume específico da mistura, 
em m
3
/kg? 
14. Considere uma massa de vapor d’água saturado a 60oC. Qual a pressão necessária para que o volume específico da 
água seja igual a 110% do volume específico do vapor saturado a esta temperatura? 
15. Uma bomba de alimentação de uma caldeira fornece 0,05 m
3
/s de água a 240
o
C e 20 MPa. Qual a vazão mássica, em 
kg/s? Qual será o erro percentual se no cálculo forem utilizadas as propriedades da água no estado de líquido 
saturado a 240
o
C? Qual será o erro percentual se no cálculo forem utilizadas as propriedades da água no estado de 
líquido saturado a 20 MPa? 
16. Uma panela de pressão (recipiente fechado) contém água a 100
o
C e o volume ocupado pela fase líquida é 1/10 
daquele ocupado pela fase vapor. A água é, então, aquecida até que a pressão atinja 2,0 MPa. Calcule a temperatura 
final do processo e a nova relação entre os volumes das fases. 
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17. Vapor d’água superaquecido, inicialmente a P1 e T1, expande-se isentropicamente ao atravessar um bocal até uma 
pressão de descarga P2. Determinar o estado do vapor (T, v, x, u e h) na saída do bocal para: 
a) P1 = 1000 kPa, T1 = 260
o
C e P2 = 200 kPa; b) P1 = 150 psia, T1 = 500
o
F e P2 = 30 psia. 
18. Um vaso contém 1 kg de água a 1000 kPa, com a presença de líquido e vapor. Se o vapor ocupa 70% do volume do 
vaso, calcule a entalpia e a entropia para a massa total de água. 
19. Vapor d’água úmido, a 1100 kPa, expande-se a entalpia constante para 101,33 kPa, atingindo uma 
T = 105oC. Qual o título do vapor na condição inicial? 
20. Vapor d’água a 2700 kPa e um título de 0,90, passa por uma expansão isentrópica até 400 kPa, sendo, 
posteriormente, aquecido a volume constante, até tornar-se vapor saturado. Determine as propriedades que faltam 
(T, P, v, h, u e s) nas condições inicial, intermediária e final. 
21. Vapor d’água a 4000 kPa e 400
o
C é alimentado a uma turbina, onde sofre uma expansão isentrópica. Determinar: a) A 
pressão na descarga da turbina para que a corrente de saída contenha apenas vapor saturado; 
b) A pressão na descarga da turbina para que a corrente de saída seja vapor úmido com título de 0,95. 
22. Vapor superaquecido a 2000 kPa é alimentado a uma turbina, onde sofre uma expansão isentrópica e é descarregado 
a 50 kPa. Determinar o mínimo superaquecimento necessário na entrada para que a corrente de saída contenha 
apenas vapor saturado. 
23. Uma turbina a vapor opera adiabaticamente com uma potência de 3 MW. O vapor que aciona a turbina entra a uma 
velocidade de 60 m/s, uma pressão de 2 MPa e uma temperatura de 600 K e é descarregado saturado a 200 kPa e 
uma velocidade de 300 m/s. Qual a vazão mássica de vapor que passa pela turbina? 
24. Necessita-se de 2 m3/s de vapor superaquecido a 600 K e 200 kPa para alimentar um trocador de calor. Para produzi-
lo dispõe-se de uma corrente de vapor saturado a 200 kPa e outra de vapor superaquecido a 200 kPa e 650 K. Quais as 
vazões a serem utilizadas de cada uma dessas correntes se a mistura ocorre sem perda de calor? 
25. Um trocador de calor necessita de vapor superaquecido a 300 oC e 1 atm. Para produzi-lo pretende-se misturar 
adiabaticamente uma corrente de vapor saturado a 1 atm que é descarregada por uma turbina a uma vazão de 1150 
kg/h e uma corrente de vapor superaquecido disponível a 400 oC e 1 atm. Calcular a quantidade de vapor 
superaquecido a 300 oC a ser produzida e a vazão volumétrica requerida do vapor a 400 oC. 
26. Uma corrente de gás contendo 60%wt de etano e 40%wt de butano deve ser aquecida de 150 K para 250 K a uma 
pressão de 5 bar. Calcular o calor necessário por quilo de mistura. Considere ainda a mistura como tendo 
comportamento de gás ideal. 
27. Uma mistura equimolar de benzeno e tolueno a 10 oC é continuamente alimentada a um vaso no qual é aquecida até 
50 oC, a uma pressão de 34,8 mmHg, resultando em duas correntes de produto: uma líquida, contendo 40,0% de 
benzeno e outra vapor, contendo 68,4% de benzeno. Calcule a carga térmica a ser transferida para a mistura para 
cada mol alimentado. 
28. Qual a carga térmica necessária para gerar 1500 g/min de vapor saturado de metanol, a partir de uma corrente de 
metanol líquido à sua temperatura normal de ebulição? 
29. Estimar a carga térmica necessária para vaporizar e aquecer 100 gmol/h de n-C6 líquido de 25 oC e 7 bar para 300oC a 
pressão constante. Desprezar o efeito de P na entalpia. 
30. Uma corrente de processo orgânica é resfriada num trocador de calor com água de resfriamento, que passa nos 
tubos. O trocador tem 20 tubos com 1 cm de diâmetro interno. A água de resfriamento é aquecida de 10
o
C para 25
o
C 
e passa nos tubos com uma velocidade de 1m/s. Calcular a temperatura de saída da corrente de processo, 
considerando que sua temperatura de entrada é 80
o
C e sua vazão é de 1,0 L/s. Dados da corrente de processo: Cp =3,0 
kJ/kg K e densidade = 0,7309. 
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31. Uma mistura líquida de metanol e água contendo 30%p de metanol é alimentada a uma coluna de destilação. 
O produto de topo contém 97%p de metanol e passa através de um condensador que retira 4,8 x 105 kJ/h de calor. O 
produto de fundo contém 5%wt de metanol. A carga térmica do refervedor da coluna é igual a 5,0 x 10
5
 kJ/h. 
Determinar a vazão de alimentação da coluna e as vazões de topo e fundo considerando os seguintes dados de 
entalpia: Produto de topo após o condensador: hcond. = 156 kJ/kg; Produto de fundo: hfundo = 400 kJ/kg; e Alimentação: 
halim. = 320 kJ/kg. 
32. Um evaporador é alimentado com 10 t/h de uma solução contendo 5%peso de sal em água. A alimentação está a 50oC 
e deve ser concentrada até 25%peso de sal. O evaporador opera à pressão atmosférica e o ponto de ebulição da 
solução a 25%peso de sal é 107
o
C. Vapor é alimentado a 2 bar (abs.) e o condensado é removido através de um 
purgador. Determine a vazão de vapor que é utilizada. 
1. Dados: Cp(sol a 5% sal)= 4,05 kJ/kg K; Cp(sol a 25% sal)= 3,52 kJ/kg K; Cp(vapor)= 1,91 kJ/kg K. 
33. Um evaporador é alimentado com 4500 kg/h de uma solução, contendo 1% em peso de soluto em água, a 38oC. 
A solução deve ser concentrada até 1,5% de soluto por peso de solução. O evaporador opera à pressão atmosférica. 
Vapor d’água com umidade de 10% é suprido a uma pressão manométrica de 36 kPa. Determinar: a) A quantidade de 
vapor gerado a partir da alimentação; b) A taxa de vapor d’água consumido. Obs: Assumir que a alimentação e o 
produto estão bastante diluídos. 
34. Considere a reação de combustão do n-C4 a seguir. Calcule o H se a partir desta reação são produzidos 2400 mol/s de 
CO2 com reagentes e produtos a 25
oC. 
C4H10 (g) + 6,5 O2 (g)  4 CO2(g) + 5 H2O(l) Hr
o = 2878 kJ/mol 
35. Os Hvap do n-C4 e da H2O a 25
o
C são 19,2 kJ/mol e 44,0 kJ/mol, respectivamente. Qual o calor padrão da reação 
abaixo e qual a variação de entalpia para a produção de 2400 mol/s de CO2 a partir dela, com reagentes e produtos a 
25oC ? C4H10 (l) + 6,5 O2 (g)  4 CO2 (g) + 5 H2O(v) 
36. Considere a seguinte reação e calcule sua energia interna (Ur) de reação. 
C2H4 (g) + 2 Cl2 (g)  C2HCl3 (l) + H2 (g) + HCl(g) Hr
o = 420,8 kJ/mol 
37. Calcule o H a 25
o
C da reação de síntese da amônia, se 200 mol de (N2+H2), em proporções estequiométricas, reagem 
com uma conversão de 25%. 
38. Considere as reações a seguir e seus respectivos calores padrão. Use a Lei de Hess para calcular o calor padrão da 
reação: 2 C + 3 H2  C2H6. 
C2H6 + 3,5 O2  2 CO2 + 3 H2O Hr
o = 1559,8 kJ/mol 
C + O2  CO2 Hr
o = 393,5 kJ/mol 
H2 + 0,5 O2  H2O Hr
o = 285,8 kJ/mol 
39. Metano é oxidado com ar para a produção de formaldeído em um reator contínuo. Além da reação de oxidação 
ocorre também a combustão do CH4, formando CO2, conforme reações a seguir. O reator opera com uma alimentação 
de 100 mol/s de CH4 a 25
oC e uma vazão de ar correspondente a 100 mol/s de O2 a 100
oC. Os produtos saem a 150oC, 
a conversão do CH4 é de 40% e a seletividade do formaldeído em relação ao CO2 é de 3:1. Calcule a carga térmica a ser 
transferida neste reator para operação a 1 atm. 
CH4 (g) + O2 (g)  HCHO(g) + H2O(v) CH4 (g) + 2 O2 (g)  CO2 (g) + 2 H2O(v) 
40. A desidrogenação do etanol a acetaldeído é dada por: C2H5OH(v)  CH3CHO(v) + H2 (g). Esta reação é conduzida em 
um reator adiabático, ao qual são alimentados 100 mol/s de etanol a 400oC. Se a conversão é de 30%, calcule a 
temperatura de saída do reator. 
41. Para o mesmo reator da questão anterior, considere que o etanol é alimentado a 300oC, que a vazão de alimentação é 
de 150 mol/s e que já contém 10% de acetaldeído. Além disso, calor é transferido ao reator de modo a evitar uma 
queda brusca de temperatura e, portanto, uma conversão muito baixa. Quando a carga térmica adicionada ao reator é 
de 2440 kW a temperatura de saída é de 253oC. Calcule a conversão do etanol nessas condições. 
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42. Os Hr
o
 para as reações a seguir foram determinados experimentalmente. Use a lei de Hess para determinar o Hr
o
 da 
reação: B + 6 E  2 D. 
2 A + B  2 C Hr1
o = 1000 kJ/mol 
A + D  C + 3 E Hr2
o = 2000 kJ/mol 
43. Considere a reação a seguir: CH4 + 2 O2  CO2 + H2O(v). Escreva a fórmula de Hr
o em termos dos calores de 
formação dos reagentes e produtos. 
44. O formaldeído (HCHO) pode ser obtido pela reação do metanol com o O2, cujo Hr
o
 = 326,2 kJ/mol, com metanol e 
H2O líquidos, ou pela decomposição direta do metanol a formaldeído e H2. Utilizando a lei de Hess, determine o Hr
o
 
da decomposição direta do metanol, utilizando as reações de reação do metanol com o O2 e a reação de formação da 
H2O. 
45. A reação de produção do tolueno a partir do n-C7 é dada por: C7H16  C6H5CH3 + 4 H2. 
Um reator é alimentado com n-C7 puro a 400
o
C. O reator opera isotermicamente a 400
o
C e a reação é completa. 
Calcule o calor a ser adicionado ou removido do reator e determine a direção de seu fluxo. 
46. Para a reação 2 A  B o Hr
o = 40 kJ/mol. Pede-se: a) Calcular o valor do Hr
o por mol de A; b) Para reagentes e 
produtos à mesma temperatura seria preciso adicionar ou retirar calor do reator?; c) Se o reator fosse adiabático a 
temperatura de saída seria maior ou menor que a de entrada? 
47. O SO2 é oxidado a SO3 em um reator piloto, com 100% de excesso de ar. O SO2 e o ar são alimentados a 450
oC, e os 
produtos saem do reator a 550oC. A conversão do SO2 é de 65% e a produção de SO3 é de 100 kg/min. O reator é 
resfriado por um encamisamento de água, que é alimentada a 25
o
C. Calcule as vazões de alimentação de SO2 e ar, a 
extensão da reação, o Hr
o da reação e a vazão de água de resfriamento para que sua temperatura não aumente mais 
do que 15oC no reator. 
48. Deseja-se queimar metanol líquido, alimentado a 25oC, com 100% de excesso de ar, alimentado a 100oC. Calcule a 
máxima temperatura que as paredes da fornalha terão que suportar, para que um material refratário possa ser 
selecionado. 
49. Considere a reação de combustão do n-C3. Calcule os balanços material e de energia desse processo para uma 
alimentação de 100 mol/s de n-C3 a 25
oC, ar a 300oC e um excesso de 20%, combustão completa e temperatura de 
saída de 1000oC. 
50. Mil kgmol/h de CO a 500 K são completamente queimados com 20% de excesso de ar (20% O2), que está a 25
oC. 
Os gases de combustão deixam a câmara de combustão a 600 K e à pressão atmosférica. Calcule a carga térmica 
liberada no interior da câmara de combustão. 
51. Coque pode ser convertido a CO (gás combustível) pela reação: C(s) + CO2 (g)  2 CO(g). Um coque, a 77
oF, 
contendo 84% de carbono e o restante de cinzas é alimentado ao reator com uma quantidade estequiométrica de 
CO2, este a 400
oF. Calor é transferido para o reator a uma taxa de 5859 Btu/lb de coque alimentado. Os produtos 
gasosos e o efluente sólido (cinzas e carbono não reagido) deixam o reator a 1830oF. Calcule a conversão do carbono 
presente no coque. Dado: Cp sólido = 0,24 Btu/lb 
oF. 
52. CO é queimado com excesso de ar a 1 atm em um reator adiabático. Os reagentes são alimentados a 25
o
C e a 
temperatura de saída, ou seja a temperatura adiabática de chama, é de 1400oC. Calcule o excesso de ar utilizado e 
discuta o que aconteceria com a temperatura adiabática de chama se o excesso de ar aumentasse. 
53. Nos EUA em 1998 a tonelada do carvão usado para aquecimento residencial (PCS = 35 kJ/g) custava US$ 150,00. Qualdeveria ser o preço dos gás natural, em US$/t, (PCS = 54 kJ/g), para que o custo da energia (US$/kJ) fosse equivalente 
ao do carvão? 
54. Calcular a temperatura adiabática de chama para CO gasoso queimado a pressão constante e com 100% de ar em 
excesso. Considerar que os reagentes entram a 100oC. 
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55. Um óleo combustível com PCI igual a 10.166,7 kcal/kg é queimado numa caldeira. Os gases de combustão são usados 
para pré-aquecer o ar de combustão, conforme a figura abaixo. A análise de Orsat desses gases de combustão é a 
seguinte: 11,7% CO2; 0,8% CO e 4,1% O2. Pede-se: a) Definir o que são e qual a diferença entre PCS e PCI; b) Explicar 
porque e como a formação de CO altera a eficiência do sistema; e c) Calcular a composição dos gases de combustão 
em base úmida, o excesso de ar utilizado e a carga térmica do trocador de calor utilizado para pré-aquecimento do ar 
de combustão. 
Dados: Valores de Cp médio entre T e a Tref = 18oC, em cal/gmol oC. 
Composto Cp @ 200
o
C Cp @ 600
o
C 
CO2 9,73 11,11 
CO 7,00 7,28 
O2 7,16 7,61 
N2 7,00 7,21 
H2O 8,13 8,62 
Desenho esquemático do sistema caldeira – pré-aquecedor de ar 
Caldeira 
Óleo 
Combustível Gases de 
Combustão 
Ar de 
Combustão 
200 oC 600 oC 
Pré-aquecedor de 
ar de combustão