Exercícios conceituais

Prévia do material em texto

, 
 
UNIVERSIDADE​ ​FEDERAL​ ​DE​ ​SANTA​ ​CATARINA 
CENTRO​ ​TECNOLÓGICO 
Departamento​ ​de​ ​Engenharia​ ​Química​ ​e​ ​Engenharia​ ​de​ ​Alimentos 
Campus​ ​Universitário​ ​-​ ​Trindade 
Professora:​ ​Alcilene​ ​R​ ​Monteiro​ ​Fritz 
Disciplina:​ ​Introdução​ ​aos ​ ​Processos​ ​Químicos 
Exercícios​ ​Extras:​ ​Balanço​ ​de​ ​Massa​ ​e​ ​de​ ​Energia 
1) Os processos da indústria de alimentos e química podem ser classificados como 
contínuos, em batelada ou semi-contínuos. Podemos afirmar que um processo contínuo 
em regime estacionário também possui uma fase transiente. Por que e quando isso 
ocorre? 
 
2) Considerando que o balanço de massa, a partir do balanço global, mostre todas as 
considerações que podemos fazer para simplificar da equação principa. Qual (is) 
situação​ ​(ões)​ ​​ ​podemos​ ​utilizar​ ​cada​ ​uma​ ​delas? 
3) Existem dois tipos de balanço: o diferencial e o integral. O que cada um deles descreve 
e​ ​o​ ​que​ ​cada​ ​termo​ ​da​ ​equação​ ​representa? 
 
4) Descreva,​ ​passo​ ​a​ ​passo,​ ​o​ ​procedimento​ ​geral​ ​para​ ​cálculos​ ​de​ ​balanços​ ​de​ ​massa. 
 
5) Evaporadores de múltiplo efeito são, resumidamente, evaporadores em série que 
trabalham em diferentes pressões, a fim de aumentar a concentração do produto durante 
o processo. Neste processo há corrente de entrada e saída de vapor e produto. 
Considerando um processo fictício que envolva um evaporado, seguido de um 
misturador represente o processo através de um fluxograma, indicando todas as 
correntes e sistemas considerados, e represente algebricamente todos os balanços de 
massa. 
 
6) Considerando os processos a seguir, identifique qual sistema envolve o reciclo e qual 
representa o “​by-pass​”. A partir disso responda as questões abaixo como verdadeiras ou 
falsas,​ ​justificando​ ​as​ ​consideradas​ ​erradas. 
 
Sistema​ ​I: 
 
 
Sistema​ ​II: 
 
 
( ) Em ambos os sistemas ao se dividir as correntes (C em I e D em II) a concentração 
mássica​ ​ou​ ​molar​ ​se​ ​mantém​ ​constante. 
(​ ​)​ ​Ao​ ​se​ ​fazer​ ​o​ ​balanço​ ​global​ ​em​ ​II​ ​a​ ​massa​ ​de​ ​A​ ​deve​ ​ser​ ​igual​ ​a​ ​massa​ ​de​ ​H. 
( ) A fração mássica (ou molar) de B é igual a soma das frações mássicas de A e de F 
em​ ​II. 
(​ ​)​ ​O​ ​balanço​ ​global​ ​em​ ​ambos​ ​os​ ​sistemas​ ​excluí​ ​a​ ​corrente​ ​de​ ​reciclo​ ​e​ ​de​ ​“by-pass”? 
 
7) O teor de umidade dos produtos pode ser expresso tanto em base seca como em base 
úmida.​ ​O​ ​que​ ​representa​ ​cada​ ​uma​ ​delas​ ​e​ ​qual​ ​é​ ​a​ ​unidade​ ​usualmente​ ​utilizada? 
 
8) Normalmente para exercícios envolvendo gases consideramos comportamento de gás 
ideal.​ ​Quando​ ​essa​ ​consideração​ ​pode​ ​ser​ ​utilizada​ ​corretamente​ ​e​ ​por​ ​quê? 
 
9) A constante dos gases ideais pode ser expressa em diferentes unidades. Calcule o valor 
dessa​ ​constante​ ​em​ ​unidades​ ​do​ ​S.I.​ ​a​ ​partir​ ​dos​ ​valores​ ​dados​ ​a​ ​seguir. 
R​ ​=​ ​62,​ ​36​ ​L.mmHg/(mol.K) 
R​ ​=​ ​1,987​ ​cal/(mol.K) 
R​ ​=​ ​0,08206​ ​L.atm/(mol.K) 
10) A lei de conservação assegura que a energia total do sistema não varia, mas se 
manifesta sob diferentes formas. Quais são os tipos de energia e ao que cada um está 
associado?​ ​Escreva​ ​a​ ​equação​ ​de​ ​cada​ ​um​ ​deles. 
 
11) A energia interna não pode ser medida diretamente, mas pode ser representada como 
uma função da temperatura e do volume específico da substância pura. A partir dessa 
informação​ ​prove​ ​que​ ​dÛ​ ​=​ ​Cv​ ​dT. 
 
12) Deduza a partir do balanço global de energia as expressões para o balanço de energia 
para​ ​sistema​ ​fechado​ ​e​ ​para​ ​sistema​ ​aberto,​ ​mostrando​ ​todas​ ​as​ ​considerações. 
 
13) O que significa o conceito de entalpia e por que é avaliada a partir de um ponto de 
referência?​ ​Qual​ ​equação​ ​define​ ​esse​ ​conceito? 
 
14) Assim como a energia interna, a entalpia específica é uma função de temperatura e de 
pressão.​ ​A​ ​partir​ ​dessa​ ​afirmação,​ ​prove​ ​que​ ​d​Ĥ​​ ​=​ ​Cp​ ​dT. 
 
15) Qual a definição de calor específico? Quando se utiliza Cp e Cv? Podemos considerar 
Cp ≈ Cv para sólidos e líquidos, enquanto que para gases com comportamento ideal a 
relação​ ​Cp​ ​=​ ​Cv​ ​+​ ​R​ ​é​ ​válida.​ ​Por​ ​que​ ​isso​ ​acontece? 
 
16) Considerando o aquecimento de um alimento, composto por água e fibras, em um 
sistema​ ​aberto,​ ​como​ ​ficaria​ ​a​ ​equação​ ​do​ ​balanço?​ ​Mostre​ ​suas​ ​considerações. 
 
17) Defina vapor saturado, líquido saturado e vapor superaquecido. Faça um diagrama 
esquemático​ ​P x Ĥ​ ​x​ ​T​ ​e​ ​indique​ ​a​ ​localização​ ​de​ ​cada​ ​um​ ​deles. 
 
18) Defina​ ​calor​ ​sensível​ ​e​ ​calor​ ​latente. 
 
19) O calor latente de fusão da água pura (​∆​Ĥ​f = 334,71 kJ/kg) é bastante inferior ao calor 
latente de vaporização (​∆​Ĥ​v​ = 2257 kJ/kg), o que indica que podemos descongelar 
aproximadamente 6,7 kg de gelo a 0 °C com apenas 1 kg de vapor à pressão 
atmosférica.​ ​Justifique​ ​essa​ ​afirmação. 
 
20) O calor latente de sublimação da água é superior ou inferior ao calor latente de 
vaporização​ ​da​ ​água?​ ​Justifique. 
 
21) A energia pode ser transferida de duas formas entre o sistema e suas vizinhanças. Quais 
seriam​ ​elas​ ​e​ ​do​ ​que​ ​cada​ ​uma​ ​resulta? 
 
22) Descreva​ ​o​ ​procedimento​ ​geral​ ​para​ ​fazer​ ​o​ ​balanço​ ​de​ ​energia. 
 
23) O​ ​que​ ​são​ ​funções​ ​de​ ​estado? 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Balanço​ ​de​ ​massa​ ​e​ ​energia 
1. Um evaporador de simples efeito é usado para concentrar uma solução de 5% 
até 50% sólidos. A elevação do ponto de ebulição da solução é desprezível. A 
solução entra no evaporador a 15,6 ºC e sua capacidade calorífica na 
alimentação é de 4,06 kJ/kg. k. O vapor saturado na alimentação está a 101,32 
kPa e disponível para o aquecimento. Um total de 4536 kg/h de água deve ser 
evaporado da solução, a 15,3 kPa. Mostrando o esquema do processo, 
identificando os componentes de entrada e saída nas correntes do processo do 
sistema.​ ​Determine: 
a) Vazão​ ​de​ ​alimentação ​ ​da​ ​solução​ ​e ​ ​de ​ ​concentrado 
b) Quantidade​ ​de​ ​vapor​ ​na​ ​alimentação 
2. Vapor é usado para remover casca de batatas em um processo semi-contínuo. O vapor 
é alimentado a uma taxa de 4 kg por 100 kg de batata com cascas. As batatas com casca 
entram no sistema de pelagem a 17 ºC e saem descascadas a 35ºC. Um corrente de 
vapor condensado sai do sistema a 60 ºC. O calor específico são 3,7 e 3,5 ( kJ/kg ºC ) 
das batatas com casca e sem as cascas, respectivamente e a entalpia do vapor 
alimentado é de 2750 kJ/kg a temperatura de referência de OºC. Desenhe o diagrama do 
processo​ ​e​ ​determine​ ​as ​ ​quantidades​ ​de ​ ​condensado​ ​e​ ​de​ ​batatas​ ​descascadas. 
3. ​Vapor a 2 bar absoluta de pressão é utilizado para branquear 600 kg/h de cenouras em 
um processo contínuo. As cenouras entram no Sistema de branqueamento a 25 ​◦​C e na 
saída a mesma temperatura de 95◦C tem-se cenouras branqueadas, água e condensado. 
Assumindo que o conteúdo de água das cenouras não muda durante o processo e que a 
perda de calor do processo é de 50 kW e que a capacidade calorífica das cenourasé de 
3.75 kJ kg​−1​k​−1​. Determine a taxa de vapor necessário para o processo de 
branqueamento. 
4. Um secador de bandejas está sendo usado para secar um produto de 68% de umidade 
(base úmida) até 5,5% de teor de umidade (base úmida). O ar de secagem entra no 
sistema a 54°C e 10% de UR (umidade relativa) e sai a 30 ° C e 70% de UR. A 
temperatura do produto durante a secagem é de 25 ° C. Calcule a quantidade de ar 
necessária​ ​para​ ​secar​ ​com​ ​base​ ​em​ ​1​ ​kg​ ​de​ ​sólidos ​ ​do​ ​produto. 
Dados do ar de secagem (psicrometria): U absoluta a 10% UR e 54°C, Uaar =0,0094 
kg de água/kg de ar seco e Uaar a 70% UR e 30°C, Uabsoluta =0,0186 kg de água/kg 
de ar seco, Cproduto = 2,38 kj/kg C, temperatura de referência ° C. Cp água 4,18 
kJ/kgC,​ ​Harentra​ ​=​ ​63851,5​ ​kJ/kg;​ ​Harsai​ ​=​ ​46522,02​ ​kJ/kg; ​ ​Hproduto​ ​=​ ​114,42​ ​kJ/kg 
 
 
5. Deseja-se secar a 100ºC um produto alimentício que contém 80% de água até 10% de 
umidade. Se a temperatura inicial é de 21ºC, calcular a quantidade de calor necessário 
por unidade de peso da substância original para secá-la a pressão atmosférica. O calor 
latente de vaporização da água a 100ºC e pressão atmosférica é de 2.257 kJ/kg, o calor 
específico do produto é de 3,8 kJ/kgºC e o calor específico da água é de 4,186 kJ/kgºC. 
Calcule​ ​também​ ​a​ ​quantidade​ ​de​ ​energia​ ​necessária ​ ​por​ ​kg​ ​de​ ​água​ ​evaporada. 
 
 
 
 
Balanço​ ​de​ ​energia 
 
6. Aquece-se 4.500 kg/h de leite de vaca de 5ºC até 60ºC em um trocador de calor, 
utilizando-se para isso água quente. Qual a quantidade de calor necessária, se o calor 
específico​ ​do ​ ​leite​ ​é​ ​de​ ​0,916 ​ ​kcal/kgºC? 
 
 
7. Um reator bioquímico, que gera calor à taxa Q​gen​=8530 Btu/min é resfriado com ar 
frio à 65​o​F. Este ar passa pela camisa do reator à taxa de 6 lbmols/min, tendo essa 
camisa um volume equivalente à 0,2 lbmols de ar (despreze a variação desta quantidade 
com a variação da temperatura do gás e considere que a temperatura inicial do gás é 
65​o​C).​ ​As​ ​perdas​ ​de​ ​calor​ ​para​ ​o ​ ​ambiente​ ​ocorrem​ ​à​ ​taxa​ ​Q​p​=33(T-65)​ ​[Btu/min]. 
a) Determine​ ​a​ ​temperatura​ ​do​ ​ar​ ​em​ ​regime ​ ​permanente​ ​(C​v​=5​ ​Btu/lbmol​ ​​o​F) 
b) Como ​ ​varia​ ​a​ ​temperatura​ ​do​ ​ar​ ​de​ ​saída​ ​com ​ ​o​ ​tempo?