Lista 4 Balanço Energia

Prévia do material em texto

Introdução a Eng.Química e Ambiental – Lista de Exercícios 4 – Prof. Rodrigo L. Bonifácio 
 
Lista de Exercícios 4 – Introdução a Engenharia Química e Ambiental 
 
Prof. Rodrigo L. Bonifácio 
 
1) Um fluído (ρ = 1 g/cm3) escoa em uma tubulação de diâmetro interno 2 cm a uma taxa de 
2 m3/h. Calcule a taxa em que a energia cinética é transportada em J/s (0,870 J/s) 
 
2) Óleo cru é bombeado a uma taxa de 15 kg/s de um ponto a 220m abaixo da superfície da terra, 
para um ponto 20m acima da superfície da terra. Calcule a taxa de aumento da energia potencial. 
Considere g = 9,81 m/s2. (3,53 x 104 J/s) 
 
3) 500 kg/h de um fluído qualquer são direcionados a uma turbina. A corrente entra na turbina a 
44 atm e 450°C e uma velocidade constante de 60 m/s, e sai em um ponto 5m abaixo da entrada da 
turbina à pressão atmosférica e velocidade de 360 m/s. A turbina gera trabalho de eixo a uma taxa 
de 70 kW e o calor perdido pela turbina é de 10000 kcal/h. Considere g = 9,81 m/s2. Calcule a 
mudança de entalpia específica (∆H) associada com o processo (-6,50x105 J/kg) 
 
4) Através de consulta às tabelas de vapor de água: 
a) determine a pressão de vapor, energia interna específica, volume específico da água líquida e 
entalpia específica do vapor saturado a 84°C. 
b) mostre que a água a 500oC e 20 bar é um vapor superaquecido e determine seu volume 
específico, o ponto de orvalho (temperatura de saturação), sua energia interna específica e sua 
entalpia específica em relação ao ponto triplo da água. 
c) determine a entalpia específica e o estado de agregação (sólido, líquido ou vapor) da água a 
80 bar e 600º C. 
d) determine a entalpia específica e o estado de agregação (sólido, líquido ou vapor) da água a 
60 bar e 150º C. 
 
5) Vapor de água a uma pressão absoluta de 10 bar com 220°C de superaquecimento é alimentado 
a uma turbina a uma taxa 2000 kg/h. A turbina opera adiabaticamente. O efluente (corrente de 
saída) é vapor saturado a 1 bar. 
a) Consulte as tabelas de vapor da água para determinar a entalpia específica das correntes de 
entrada e saída. 
b) Calcule o trabalho produzido pela turbina em kW, desprezando mudanças na energia cinética e 
potencial. (-3,27 x 104 kW) 
 
6) Uma corrente de gás contendo 60% de etano e 40% de n-butano em massa é aquecida de 150 
para 20K a uma pressão de 5 bar. Calcular o calor fornecido por kg de mistura, desprezando-se os 
efeitos de energia cinética e potencial (478 kJ/kg). 
DICA: Adote uma base de cálculo de 1 kg/s para a corrente de gás de entrada: 
DADOS: As entalpias específicas do etano e n-butano são apresentados no Perry Chemical 
Engineering Handbook. 
� Etano (150K, 5 bar) = 314,3 kJ/kg 
� Etano (250K, 5 bar) = 973,3 kJ/kg 
� n-butano (150K, 5 bar) = 30,0 kJ/kg 
� n-butano (250K, 5 bar) = 237 kJ/kg 
 
7) Uma corrente de vapor saturado a 1 bar é misturada a uma segunda corrente de vapor 
superaquecido a 400°C e 1 bar, com vazão de 1150 kg/h. Vapor superaquecido a 300°C e 1 bar é 
produzido a partir desta mistura. Sabe-se que a unidade de mistura opera adiabaticamente. 
Desconsidere mudanças na energia cinética e potencial. Consulte as tabelas de vapor d’água e 
calcule a vazão do vapor superaquecido a 300°C produzido. (3391 kg/h) 
^ 
Introdução a Eng.Química e Ambiental – Lista de Exercícios 4 – Prof. Rodrigo L. Bonifácio 
 
 
8) Água a 50°C e 5 bar é transformada em vapor d´água a 400°C e 60 bar em uma caldeira. 
Desconsidere mudanças na energia cinética e potencial. 
a) Através de consulta às tabelas de vapor, determine a entalpia específica das correntes de entrada 
e saída. 
b) Calcule ∆H para essa transformação (2,970 x 106 J/kg) 
c) Calcule a taxa de calor em kW a ser fornecida à caldeira, para gerar 20000 kg/h de vapor 
superaquecido a 400ºC e 60 bar (1650 kW) 
 
9) Calcule a taxa de variação de entalpia em um processo de aquecimento de uma corrente de N2 de 
25oC para 400°C, com vazão de 10,0 kg.mol/s (1,115 x 105 J/s) 
DADOS: 
Cpm N2 = 29,00 + 0,2199.10-2 T + 0,5723.10-5 T2 - 2,87.10-9 T3, para cpm em kJ /kg.mol.°C e T em °C 
Desconsidere mudanças na energia cinética e potencial. 
 
10) Uma mistura composta de 80% e CH4 e 20% de etano em mols é aquecida à pressão constante, de 
300 a 600K. Calcule a variação de entalpia para o aquecimento de 1g.mol de mistura (1,49 x 104 J) 
Dados para cpm em kJ/kg.mol.K e T em K 
Etano Cpm = 6,86 + 17,26.10-2 T - 6,143.10-5 T2 + 7,28.10-9 T3 
Metano Cpm = 19,87 + 5,021.10-2 T + 1,268.10-5 T2 - 11,00.10-9 T3 
Desconsidere mudanças na energia cinética e potencial. 
 
11) 100,0 g.mol de benzeno a 30°C são vaporizados a 200°C, à pressão constante de 500 kPa. Calcule 
∆H para este processo. (5283 kJ) 
Dados para Cpm do benzeno em kJ/kg.mol.K 
Cpm (líquido e temperatura em K) = 62,55 + 0,234 T 
Cpm (vapor e temperatura em °C) = 74,06 + 0,3295 T + 25,2.10-5 T2 + 77,57.10-9 T3 
H (vaporização 101,325 kPa, 80,1°C) = 30,765 kJ/g.mol 
Desconsidere mudanças na energia cinética e potencial. 
 
12) Ar deverá ser comprimido das condições ambiente (300 K e 1 bar) para ser descarregado a 10 bar 
e 320K, com uma vazão de 10000 kg/h e tubulação de descarga de 75 mm. Calcule a potência 
fornecida pelo compressor. (55,8 kW) 
Considere: 
∆Ep = 0 
Q = 0 
Ec (entrada) = 0 (como o ar está sendo succionado do ambiente, podemos considerar que a 
velocidade na entrada do compressor é praticamente nula) 
DADOS: 
ar (300K; 1 bar) → H = 300,3 kJ/kg 
ar (320K; 10 bar) → H = 318,7 kJ/kg e V = 0,0917 m3/kg 
 
13) Uma turbina acionada a vapor d´água, opera adiabaticamente liberando uma potência de 3000 kW 
para as vizinhanças. O vapor que aciona a turbina com uma velocidade de 60 m/s é disponível a 20 bar 
e 300°C e é descarregado saturado (na forma líquida) à pressão de 5,0 bar e uma velocidade de 300 
m/s. Desconsidere mudanças na energia potencial. Calcule a vazão mássica necessária na turbina. 
(1,28 kg/s) 
NOTA: Consulte as tabelas de vapor de água para obter as entalpias das correntes de entrada e saída. 
 
^ 
 ^ 
 
^ 
^ 
^ ^ 
Introdução a Eng.Química e Ambiental – Lista de Exercícios 4 – Prof. Rodrigo L. Bonifácio 
 
14) Água a 15 bar e 150°C passa através de uma válvula de estrangulamento, onde é mantida na saída 
a pressão constante de 1,5 bar. Desconsidere mudanças na energia cinética e potencial. Calcule a % de 
água que se vaporiza, isto é, a razão entre as vazões de saída e alimentação. (7,5%) 
DADOS: 
água (líquida, 150ºC, 15 bar) → H líquido = 6,33x105 J/kg 
água(vapor saturado, 1,5 bar) → H vapor = 2,693x106 J/kg e H líquido = 4,67x105 J/kg 
 
15) Vapor d´água a 350°C e 2,0 bar é necessário como fluido de aquecimento em um trocador de calor 
a uma vazão de 2,0 m3/s. Para produzi-lo, vapor d´água saturado de uma turbina a 2,0 bar é misturado 
com vapor d´água disponível a 2,0 bar e 400°C. Se a mistura ocorre adiabaticamente, calcule as vazões 
mássicas dos vapores d´água a serem misturadas (0,25 kg/s e 1,15 kg/s). 
DADOS: 
água (vapor saturado, 2 bar) → H = 2,707x106 J/kg 
água (vapor, 350ºC, 2 bar) → H = 3,173x106 J/kg; V = 1,4329 m3/kg 
água (vapor, 400ºC, 2 bar) → H = 3,276x106 J/kg 
Desconsidere mudanças na energia cinética e potencial. 
 
16) Vapor saturado a 100ºC (pressão de vapor = 1,01 bar) é aquecido a 300ºC. Desprezando 
mudanças na energia cinética e potencial, use as tabelas de vapor para determinar: 
a) quantidade requerida de calor (J/s) se uma corrente contínua de 100 kg/s sofre o processo a 
pressão constante (3,98x107 J/s) 
b) O calor requerido em J, se 100 kg sofrem o processo em um recipiente com volume constante 
(3,05x107 J) 
 
17) 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 900oC e 1atm, 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. (105 mol CO2, 205 mol H2O, 51,87 mol O2 e 975,7 mol N2) 
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. (–18966 kJ) 
DADOS: 
 
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O 
C2H6 + 7/2 O2 → 2 CO2 + 3 H2O 
 
H (kJ/mol) 
Estado de referência: gás, Pref = 1 atm; Tref = 25oC 
T(oC) H2O CO2 O2 N2 
500 17,01 21,34 15,03 14,24 
900 33,32 42,94 28,89 27,19 
 
^ 
^ 
^ 
^ 
^ 
^ 
^ 
^