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Formação de Operadores – PETROBRÁS/RLAN Instrutor: Francisco Luiz Gumes Lopes COORDENAÇÃO DE QUÍMICA Curso Técnico de Nível Médio em Química OPERAÇÕES UNITÁRIAS MÓDULO I – CONCEITOS BÁSICOS E BALANÇO MATERIAL Professor: Dr. Francisco Luiz Gumes Lopes Outubro/2016 COQUI/IF-SERGIPE Professor: Dr. Francisco Luiz Gumes Lopes Curso Técnico de Nível Médio em Química 2 SUMÁRIO 1. CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS a. Quanto ao tempo de atuação da transformação b. Quanto á variável que permanece constante durante a transformação c. Quanto a orientação do escoamento 2. BALANÇO MATERIAL a. A Técnica dos Balanços Materiais b. Equação do Balaço Material c. Resolução de Exemplos c.1. Balanço em um Misturador c.2. Balanço em um Secador c.3. Acúmulo em um tanque de armazenamento c.4. Balanço em uma coluna de destilação c.5. Balanço em um sistema de membranas c.6. Exemplos propostos c.7. Balanço em um secador com reciclo de ar quente PROBLEMAS PROPOSTOS COQUI/IF-SERGIPE Professor: Dr. Francisco Luiz Gumes Lopes Curso Técnico de Nível Médio em Química 3 1. CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS. O processamento químico pode ser definido como o processamento industrial de matérias primas químicas, que leva à obtenção de produtos com valor industrial realçado. A operação de todo o processo deve ser realizada a um custo suficientemente baixo para ser competitivo e eficiente e levar à obtenção de lucro. Os processos podem ser classificados da seguinte forma: a. Quanto ao tempo de atuação da transformação. Operação Contínua Na operação contínua o tempo não é uma variável na análise do processo (exceção: parada e partida). As condições operacionais não são constantes ao longo do processo (existem os perfis), porém estas condições devem ser as mesmas em um dado ponto (constantes com o tempo). É necessário o controle do processo para manter as condições operacionais constantes em um dado ponto. É chamado de regime permanente ou estacionário. A Figura 11 exemplifica a variação do comportamento da temperatura no interior de uma serpentina. Observe que a temperatura varia ao longo do comprimento da serpentina, porém, considerando que este processo seja contínuo, este perfil de temperatura se manterá constante em qualquer instante, seja hoje, amanhã ou daqui a alguns anos. Figura 1. Perfil de temperatura em um determinado processo contínuo. COQUI/IF-SERGIPE Professor: Dr. Francisco Luiz Gumes Lopes Curso Técnico de Nível Médio em Química 4 Operação Descontínua No processo descontínuo a massa é carregada ao sistema de uma só vez, efetuando-se sobre ela o processo, até que o mesmo se complete totalmente. É também chamado de regime transiente, não estacionário ou não permanente (batelada). Considere como exemplo uma dona de casa fazendo um bolo de chocolate. Ela mistura os ingredientes de uma só vez, coloca o bolo para assar e retira o bolo da assadeira. No dia seguinte ela utiliza a mesma assadeira para fazer um bolo de laranja e realiza o mesmo procedimento. Observe que houve necessidade de interrupção do processo para a mistura de novos ingredientes (poderiam até ser os mesmos ingredientes). b. Quanto à variável que permanece constante durante a transformação. Isotérmico: temperatura constante. Isobárico: pressão constante. Isométrico: volume constante. Adiabático: não existe troca térmica entre o sistema e o meio exterior. Isoentálpico: entalpia constante. Isoentrópico: entropia constante. c. Quanto a orientação do escoamento. Na indústria de processamento há a necessidade de colocar duas correntes de fluidos em contato. Seja de forma direta, no caso da necessidade da transferência de massa, ou de forma indireta, no caso da necessidade da transferência de energia. As Figuras 12 e 13 representam os dois tipos principais de escoamento, o paralelo (ocorre com os fluidos no mesmo sentido) e o contracorrente (ocorre com os fluidos em sentido contrário). Em geral o escoamento em contracorrente fornece uma maior transferência de massa e de energia. COQUI/IF-SERGIPE Professor: Dr. Francisco Luiz Gumes Lopes Curso Técnico de Nível Médio em Química 5 Figura 12. Principais tipos de escoamento na indústria de processamento Figura 13. Representação do escoamento paralelo e em contracorrente em trocadores de calor. COQUI/IF-SERGIPE Professor: Dr. Francisco Luiz Gumes Lopes Curso Técnico de Nível Médio em Química 6 2. BALANÇO MATERIAL É a primeira etapa a ser executada no dimensionamento de equipamentos envolvidos em operações unitárias. Complicados problemas industriais são resolvidos pela aplicação dos princípios da química, da física e da físico-química. As técnicas de aplicação dos princípios básicos para resolver problemas de processo, e de operação unitária, constituem, em seu conjunto, a estequiometria industrial. A variedade de princípios colocados à disposição para a resolução dos problemas de estequiometria industrial é muito grande e podem ser divididos em balanços materiais e de energia, reações de equilíbrio e a cinética destas reações. É sempre conveniente proceder-se a balanços de massa e energia em unidades industriais com o objetivo principal de conhecer o seu rendimento e as perdas no processo. Um balanço de massa ou de energia deve ser satisfeito independente do sistema de unidades utilizado, sendo a escolha destas unidades dependente da conveniência de cada situação. Os balanços materiais são realizados visando atender um ou mais dos seguintes objetivos: Determinação do valor de correntes do processo que são difíceis de medir pelos meios normais de medição; Confirmação de valores de vazão de instrumentos; Determinação de perdas por vazamentos em equipamentos do processo; Determinação do rendimento de um processo químico. a. A Técnica dos Balanços Materiais Imaginar o que está ocorrendo no sistema e conhecer o processo é o primeiro passo para a resolução de um problema. Esquematizar o processo em um fluxograma de blocos simplificado. Este fluxograma deve conter apenas as correntes que intervém nos casos específicos. Todos os dados importantes e disponíveis devem ser colocados diretamente no fluxograma (vazões, composições, pressão, temperatura, etc.). Estudar o fluxograma e os dados de modo a relacionar mentalmente as diversas correntes do processo e as quantidades das diversas substâncias que compõem estas correntes. COQUI/IF-SERGIPE Professor: Dr. Francisco Luiz Gumes Lopes Curso Técnico de Nível Médio em Química 7 Escolher a base de cálculo apropriada e indicá-la com clareza e destaque. A base de cálculo é a referência escolhida para se fazer os cálculos de um problema. É a quantidade arbitrária de reagente ou produto em relação à qual se referem todos os cálculos efetuados. Se for escolhida de forma conveniente pode facilitar bastante a solução do problema.Deve sempre ser indicada no início da resolução do problema. Nos processos contínuos, a base de cálculo é normalmente a vazão de uma corrente de entrada ou de saída do processo. O tipo de vazão, se mássica, volumétrica ou molar, é função da base da composição desta corrente. Selecionar o sistema em torno do qual serão feitos os balanços e realizar os balanços obtendo em resultado um número suficiente de equações que permita resolver o sistema, ou seja, o número de equações deverá ser igual ao número de incógnitas. b. Equação do Balanço Material A base para a realização de um balanço material é a Lei da Conservação da Massa que diz que a massa de um sistema fechado permanece constante durante os processos que nele se realizam, ou seja, “a matéria não pode ser criada nem destruída, apenas transformada”. Um balanço material de um processo contínuo é uma computação exata de todos os materiais que entram, saem, acumulam ou são transformados no decorrer de um dado intervalo de tempo de operação. A Figura 07 exemplifica uma representação geral de um sistema qualquer e a equação geral do balanço material: - - + = Figura 02. Balanço material global. Ao escrever a equação do balanço material para o sistema em questão não é necessário conhecer os detalhes internos do sistema. Deve-se conhecer informações sobre as correntes Massa que entra através da fronteira do sistema Massa que sai através da fronteira do sistema Massa consumida no sistema Massa gerada no sistema Acúmulo de massa no sistema - - + = - COQUI/IF-SERGIPE Professor: Dr. Francisco Luiz Gumes Lopes Curso Técnico de Nível Médio em Química 8 que cruzam as fronteiras do sistema e as modificações químicas que possam ocorrer com os componentes das correntes. Os termos geração e consumo significam ganho ou perda por reação química. O termo acúmulo significa variação da massa com o tempo no interior do processo e pode ser positivo ou negativo, dependendo se a massa está aumentando ou diminuindo dentro do processo. Este termo é fundamental quando o interesse está na dinâmica do processo. Quando não ocorre reação química, não há nem consumo nem geração de matéria dentro do sistema, assim, a equação do balanço é dada por: - = Quando o regime é estacionário (permanente), não há acúmulo de material dentro do sistema, assim, a equação do balanço é dada por: = O balanço em regime permanente é importante no dimensionamento dos equipamentos envolvidos no processo e na avaliação de desempenho destes equipamentos. O balanço em regime transiente é fundamental na modelagem dos processos para simulação e controle automático dos mesmos. Este estudo restringirá os processos em regime permanente, sem reação química envolvida. Em resumo, a técnica para a realização de um balanço material englobará: Procurar fazer a idéia mais precisa possível do processo considerado; Esquematizar o processo num fluxograma simplificado. Os dados importantes conhecidos devem ser colocados no fluxograma (vazões, composições, pressão e temperatura no caso de gases, etc); Escolher uma base de cálculo apropriada; Selecionar o sistema em torno do qual será efetuado o balanço. Massa que entra através da fronteira do sistema Massa que sai através da fronteira do sistema Acúmulo de massa no sistema = - Massa que entra através da fronteira do sistema Massa que sai através da fronteira do sistema - = COQUI/IF-SERGIPE Professor: Dr. Francisco Luiz Gumes Lopes Curso Técnico de Nível Médio em Química 9 c. Resolução de Exemplos c.1. Balanço em um Misturador. Exemplo a: Deseja-se preparar 500 kg/h de uma solução de ácido clorídrico (HCl e água) a 30% em peso. Dispõem-se de uma solução de HCl a 15% em peso e uma solução de HCl a 40% em peso. Determine as vazões das soluções que devem ser misturadas. Solução: Base de cálculo: 500 kg/h da solução de HCl 30%. A solução contém água e ácido. Regime permanente e sem reação química: ENTRA = SAI. Balanço global em torno do misturador: CBA ou 500 BA . Balanço para apenas o ácido clorídrico: 500.30,0.40,0.15,0 BA . Balanço apenas para a água: 500.70,0.60,0.85,0 BA Resolvendo as equações acima (basta escolher duas) chega-se aos resultados: 300 kg/h de B (solução de HCl a 40%) e 200 kg/h de A (solução de HCl a 15%). Exemplo b: Duas misturas de metanol e água estão contidas em frascos separados. A primeira mistura contém 40% (em massa) de metanol, e o segundo contém 70% (em massa) de metanol. Se 200 g da primeira mistura são combinados com 150 g da segunda, qual é a massa e a composição do produto? COQUI/IF-SERGIPE Professor: Dr. Francisco Luiz Gumes Lopes Curso Técnico de Nível Médio em Química 10 Solução: Observe que as correntes de entrada e saída mostradas na figura denotam o estado final e inicial para este processo. Como não há reações envolvidas (geração e consumo são iguais a zero) e o processo ocorre no estado estacionário (não há acúmulo) temos: ACÚMULO = ENTRA – SAI + GERADO – CONSUMIDO ENTRA = SAI Balanço Global: 200 g + 150 g = Q Q = 350 g Balanço por componente (Metanol): 200 g (0,400 g CH3OH/g) + 150 g (0,700 g CH3OH/g) = Q (g) (x g CH3OH/g) como Q = 350 g, logo x = 0,529 g CH3OH/g c.2. Balanço em um Secador. Exemplo: Um determinado sólido contendo 25% de água (sólido úmido) necessita ser secado para produzir um sólido que contenha, no máximo, 5% de água (sólido seco). Determine a porcentagem de remoção de água do sólido original. COQUI/IF-SERGIPE Professor: Dr. Francisco Luiz Gumes Lopes Curso Técnico de Nível Médio em Química 11 Solução: Base de cálculo: 100 kg/h de sólido úmido (S1) Regime permanente e sem reação química. Equação geral: ENTRA = SAI Balanço global: WSS 21 ou WS 2100 Balanço apenas de sólido: 21 .95,0.75,0 SS ou hkgS /95,782 Balanço de água: 21 .05,0.25,0 SWS A percentagem de água eliminada é: %21,84 00,25 05,21 % água c.3. Acúmulo em um tanque de armazenamento Um tanque de água quente, destinado a lavar lama de carbonato em uma instalação de recuperação de soda do processo de sulfato para a produção de celulose, recebe água de várias fontes. Em um dia de operação, 240 m3 de condensado da fábrica são enviados para este tanque. 80 m3 de água quente contendo pequena quantidade de hidróxido de cálcio e soda cáustica vêm do lavador de lama e 130m3 são provenientes do filtro rotativo. Durante este mesmo período, 300 m3 são retirados para usos diversos, 5m3 são perdidos por evaporação e 1m3 por vazamento. A capacidade do tanque é de 500m3 e, no início do dia, está com líquido até a sua metade. Quanta água haverá no tanque no fim do dia? Solução:Não há reação química, no entanto, haverá acúmulo. COQUI/IF-SERGIPE Professor: Dr. Francisco Luiz Gumes Lopes Curso Técnico de Nível Médio em Química 12 Equação geral: Entra-Sai=Acúmulo Balanço global: AcúmuloFEDCBA 3144mAcúmulo . Considerando o volume inicial do tanque, o volume total é 394 m3. c.4. Balanço em uma coluna de destilação Definição do termo recuperação: %100. entrada de corrente naA de massa saída de corrente naA de massa A de orecuperaçã Exemplo: Uma mistura binária de etano e propano deve ser destilada com o objetivo de recuperar 95% do etano no destilado e 90% do propano no resíduo. Determine a composição percentual do destilado e do resíduo, sabendo-se que a fração em quantidade de matéria de propano e etano são iguais. Solução: Regime permanente e sem reação química. Base de cálculo = 100 kmol/h. Equação geral: RDF ou RD 100 DX = Percentagem do etano no destilado RX = Percentagem do etano no resíduo DY = Percentagem do propano no destilado RY = Percentagem do propano no resíduo COQUI/IF-SERGIPE Professor: Dr. Francisco Luiz Gumes Lopes Curso Técnico de Nível Médio em Química 13 95,0 50 . Etano de oRecuperaçã DX D 90,0 50 . Propano de oRecuperaçã RYR Balanço de etano: RXDX RD ..50 Balanço de propano: RYDY RD ..50 50,47. DX D e 00,45. RYR e 50,2. RX R e 00,5. DYD DYDXD DD .. , assim, D = 52,5 kmol/h e R = 47,5 kmol/h. Com estes dados determina-se a composição de cada um dos componentes nas correntes de saída. c.5. Balanço em um sistema de membranas As membranas representam uma categoria relativamente nova na separação de gases. Uma aplicação que tem chamado a atenção é a separação de N2 e O2 do ar. Exemplo: A figura abaixo ilustra uma membrana nanoporosa, que é feita pela colocação de uma camada muito fina de polímero sobre uma camada de suporte porosa de grafite. Qual a composição da corrente de resíduos se esta totaliza 80% da quantidade que entra? Solução: ACÚMULO = ENTRA – SAI + GERADO - CONSUMIDO Como não há reação química: GERADO = CONSUMIDO = 0; Considerando o sistema no estado estacionário, teremos: ACÚMULO = 0. Logo: ENTRA = SAI COQUI/IF-SERGIPE Professor: Dr. Francisco Luiz Gumes Lopes Curso Técnico de Nível Médio em Química 14 Balanço Global: Com base no esquema simplificado da figura acima, temos que: F = P + W onde W = 0,8.F logo P = 0,2.F Balanço por componente (Oxigênio): F Oy 2 F = P Oy 2 P + W Oy 2 W (0,21)F = (0,25)P + W Oy 2 W (0,21)F = (0,25)(0,2)F + W Oy 2 (0,8)F 0,21 = 0,05 + 0,8 W Oy 2 W Oy 2 = 0,20 Como W Oy 2 + W Ny 2 = 1,00 temos: W Ny 2 = 0,80 c.6. Exemplos Propostos 1. Duas misturas metanol-água estão contidas em recipientes separados. A primeira mistura contém 40,0% em peso de metanol e a segunda contém 70,0%. Se 200g da primeira mistura são combinados com 150g da segunda, quais são a massa e a composição do produto? Notação: Componente (1): Metanol; Componente (2): Água. 2. Mil quilogramas por hora de uma mistura de benzeno e tolueno que contém 50% de benzeno em massa são separadas por destilação em duas frações. A vazão mássica do benzeno na corrente de saída do topo é 450 kg B/h, e para o tolueno na corrente de saída do fundo é 475 kg T/h. A operação se desenvolve em regime permanente. Escreva os balanços para o benzeno e o tolueno para calcular as vazões não conhecidas nas correntes de saída. COQUI/IF-SERGIPE Professor: Dr. Francisco Luiz Gumes Lopes Curso Técnico de Nível Médio em Química 15 3. Uma solução aquosa de hidróxido de cálcio contém 25% Ca(OH)2 em massa. Deseja- se obter uma solução 5% dessa base, diluindo-se a corrente original com uma corrente de água pura. Calcule a relação g H2O/g solução alimentada. 4. Considere que a fração mássica de sal na água do mar seja igual a 0,035. Determine a quantidade de água do mar necessária para produzir 1.000 lb/h de água dessalinizada. Em função de problemas relacionados à corrosão dos equipamentos envolvidos no processo, a fração mássica na salmora descartada está limitada a 0,07. 5. Encontra-se disponível em uma planta de processo uma vazão de 1.000 mol/h de uma mistura com a seguinte composição: Esta mistura deve ser separada em duas frações por destilação. O destilado (corrente de topo) deve conter todo o propano alimentado e 80% do i-pentano, enquanto a fração molar de i-butano deve ser igual a 0,4 nesta corrente. A corrente de fundo deve conter todo o n- pentano alimentado. Com base nas informações fornecidas, calcule o resto das variáveis do processo. c.6. Balanço em um secador com reciclo de ar quente Problemas envolvendo reciclo e purga de corrente são freqüentemente encontrados na indústria química e do petróleo. As correntes de reciclo na engenharia química são usadas para enriquecer um produto, para aumentar rendimentos, para conservar energia ou para reduzir custos operacionais. A figura abaixo representa esquematicamente um processo que possui ambas as correntes: reciclo e purga. COQUI/IF-SERGIPE Professor: Dr. Francisco Luiz Gumes Lopes Curso Técnico de Nível Médio em Química 16 Uma corrente de reciclo é um termo que denota uma corrente de processo que retorna material a jusante da unidade de processo novamente para a unidade de processamento. Neste caso não ocorre acréscimo ou perda de material dentro do processo ou na corrente de reciclo. A corrente de purga é uma corrente descartada com o objetivo de remover um acúmulo de materiais inertes ou materiais indesejados que, caso contrário, se acumulariam na corrente de reciclo. A corrente de bypass é um tipo de corrente que pula um ou mais estágios do processo e vai diretamente para outro estágio. A figura a seguir mostra um exemplo de corrente de bypass. São vários os exemplos industriais onde estas correntes podem estar presentes. Em processo físicos de separação, podem-se citar: a) em colunas de destilação, parte do destilado retorna à torre como refluxo para enriquecer o destilado no componente mais leve, obtendo uma melhor qualidade do destilado, quanto maior for essa corrente de refluxo; b) em operações de secagem com ar, parte do efluente do secador é reciclado, misturando-se com ar fresco na entrada do secador, com o objetivo de manter uma alta vazão de ar no secador, aquecendo apenas o ar fresco e mantendo a umidade do ar em nível razoável. No primeiro exemplo, o reciclo é usado para melhorar a qualidade do produto e no segundo, para redução do custo operacional. COQUI/IF-SERGIPE Professor: Dr. Francisco Luiz Gumes Lopes Curso Técnico de Nível Médio em Química 17 Exemplo: Um sólido contendo 20,0% de água é alimentado continuamente em um secador a ar com vazão de 1000 kg/h para reduzir o teor de água a um máximo de 4%. O ar fresco tem a umidade de 0,83% e o ar efluente do secador deve ser limitado a 22,2% de umidade.A corrente de ar recirculado é regulada para que a umidade do ar na entrada do secador não ultrapasse 4,4% de umidade. Calcule as vazões mássicas de ar fresco e de ar de reciclo. RESPOSTA: PROBLEMAS PROPOSTOS 01. Uma lama de talco contém 75,0 % em massa de água. 80% da água é removida por filtração e secagem, o que faz reduzir a massa em 72,0 Kg. Calcule: a- a massa original da lama.; (120 kg) b- a % de água presente na lama após a filtração e secagem. (37,5%) COQUI/IF-SERGIPE Professor: Dr. Francisco Luiz Gumes Lopes Curso Técnico de Nível Médio em Química 18 02. Utiliza-se um evaporador para concentrar soluções de açúcares de cana. Evapora-se 10000 kg/dia de uma solução que contém 38% de açúcar e obtém-se uma solução com 74% em peso. Calcule o peso da solução obtida e a quantidade de água extraída. (5135 kg/dia de solução e 4865 kg/dia de água). 03. Uma fábrica produz NaOH a partir de uma solução aquosa, contendo 10,0% de NaOH e 10,0 % de NaCl, que é alimentada continuamente, com a vazão mássica de 10,0 Mg/h, em um evaporador, onde parte da água é removida da solução. Durante o processo, parte do NaCl se cristaliza. Se a solução final contiver 50,0 % de NaOH e 1,0 % de NaCl, calcule: a- a vazão mássica de água vaporizada; (7,02 Mkg/h) b- a vazão mássica de NaCl cristalizado; (0,98 Mkg/h) c- a vazão mássica da solução final. (2,0 Mkg/h) 04. Alguns tipos de pescados são processados para a fabricação de farinha para se usar como proteínas e suplemento alimentar. No processo empregado se extrai primeiro o azeite para obter uma pasta que contém 80% em peso de água e 20% em peso de farinha seca. Esta pasta se processa em secadores de tambor rotatório para obter um produto seco que contém 40% em peso de água. Finalmente, o produto é moído em grãos finos e se empacota. Calcule a alimentação de pasta em kg/h necessária para produzir 1000 kg/h da farinha seca. (3000 kg/h de pasta). 05. Uma solução de soda caústica a 10,0% deve ser concentrada em um evaporador onde 500,0 Kg da água são evaporados e removidos. Se a solução concentrada final contiver 28,2% de NaOH, calcule a massa da solução concentrada final. (275 kg) 06. Um sólido contendo 25,0 % de água é continuamente alimentado com a vazão mássica de 1000 Kg/h em um secador a ar para reduzir o teor de água a um máximo de 4,0 % . O ar usado para aquecimento tem a umidade de 0,89% e o ar efluente do secador deve ser limitado a 17,63% de umidade. Calcule: a- a % de remoção de água do sólido original; (87,5%) b- a vazão mássica de ar seco. COQUI/IF-SERGIPE Professor: Dr. Francisco Luiz Gumes Lopes Curso Técnico de Nível Médio em Química 19 07. Uma mistura liquida de benzeno (58,20%), tolueno (20,40%) e xileno (21,40%) é carga de um processo de destilação. A recuperação de benzeno no destilado deve ser de 98,0% e a de xileno no resíduo deve ser de 95,0%. A fração mássica de benzeno no destilado (líquido) deve ser de 90,0%. Calcule a composição mássica do destilado e do resíduo. (D: 90%, 8,3% e 1,7% R: 3,16%, 41,32% e 55,52%). 08. Fenol e água quando colocados em contato sob certas condições de temperatura e pressão formam duas fases líquidas, uma mais leve (R) rica em fenol e outra mais pesada (E) rica em água. A 30º C, a composição da fase líquida mais leve contém 70,0% de fenol e a mais pesada 9,0% de fenol. Se 20,0 Kg de fenol e 30,0 Kg de água são colocados em íntimo contato a 30 C , calcule as massas das duas fases líquidas após alcançado o equilíbrio. (R = 25,4 kg e E = 24,6 kg) 09. Uma solução ácida com 60% de H2SO4, 20,0% de HNO3 e 20,0% de H2O deve ser obtida pela mistura das seguintes soluções: S1= 10,0% de HNO3, 60,0% de H2SO4 e 30,0% de H2O; S2= 90,0% de HNO3 e 10,0% de H2O; S3= 95,0% de H2SO4 e 5,0% de H2O. Calcule a massa de cada solução a ser misturada para se obter 1000Kg da solução. (S1 = 568,2 kg, S2 = 159,1 kg e S3 = 272,7 kg).
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