LISTA BALANÇO DE MASSA E ENERGIA (lista resolvida)

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LISTA 1 BALANÇO DE MASSA 
Profa.Elisangela Cardoso – FACULDADE DAS AMÉRICA FAM 
 
1) Água entra em um tanque de 2,00 m3 com uma vazão de 6,00 kg/se é 
esvaziado com uma vazão de 3,00 kg/s. O tanque está inicialmente pela metade. 
 (a) Este processo é contínuo, em batelada ou em semibatelada? É 
transiente ou estacionário? 
(b) Escreva um balanço de massa para este processo. Identifique os 
termos da equação geral do balanço que estão presentes na sua equação e 
estabeleça os motivos para a omissão de qualquer termo não presente. 
 (c) Quanto tempo levará para o tanque transbordar? 333s 
 
2) A extração líquida é uma operação usada para separar os componentes 
de uma mistura líquida de duas ou mais espécies. No caso mais simples, a 
mistura contém dois componentes: um soluto (A) e um solvente líquido (B). A 
mistura é posta em contato em um tanque agitado com um segundo solvente 
(C), que tem duas propriedades principais: ele dissolve A, e é imiscível ou quase 
imiscível com B. (Por exemplo, B pode ser água, C um óleo mineral e A uma 
espécie que dissolve tanto na água quanto no óleo.) Parte do A se transfere de 
B para C, e, depois, a fase rica em B (o rafinado) e a fase rica em C (o extrato) 
separam-se em um tanque decantador. Se o rafinado é posto em contato com 
novo C em outra etapa, mais A será transferido dele. Este processo pode ser 
repetido até que essencialmente todo o A tenha sido extraído de B. A seguir um 
fluxograma de um processo no qual o ácido acético (A) é extraído de uma mistura 
de ácido acético e água (B) com 1-hexanol (C), um líquido que é imiscível com 
água. 
 
(a) Qual é o número máximo de balanços de massa independentes que 
podem ser escritos para este processo? (b) Calcule mC, mE e mR(vazões 
mássicas) usando a vazão da mistura de alimentação dada como base e 
escrevendo balanços em uma ordem tal que você nunca tenha uma equação 
que envolva mais do que uma incógnita. (c) Calcule a diferença entre a 
quantidade de ácido acético na mistura de alimentação e na mistura de 0,5%, e 
mostre que é igual à quantidade que sai na mistura de 9,6%. 
Resp: a)3 balanços independentes;b) mR= 356g/min;mE 461g/min; mC 
417g/min;c) 44g/min 
 
3) No processo de concentração de suco de laranja, o suco original 
contém 12% de sólidos e água, enquanto o suco concentrado deverá conter 42% 
de sólidos. Inicialmente, um processo de evaporação foi utilizado para a 
concentração, porém constituintes voláteis do suco evaporaram junto com a 
água, produzindo um concentrado com gosto ruim. A solução para contornar o 
problema foi utilizar um by-pass (desvio) com uma fração do suco original e 
misturar com o produto do evaporador, que agora produz concentrado a 58%. 
Calcule a quantidade de suco concentrado e a fração da alimentação que é 
desviada para cada 100 kg/h que alimentam o sistema. 
R: 28,572 kg/h e 9,938% 
 
 
4) Morangos contêm cerca de 15% em massa de sólidos e 85% de água. 
Para fazer geléia de morango, são amassados e açúcar são misturados em uma 
proporção mássica 45:55, e a mistura é aquecida para evaporar água, até que o 
resíduo contenha um terço de água em massa. 
 (a) Desenhe e rotule um fluxograma deste processo. 
 (b) Faça uma análise dos graus de liberdade e mostre que o sistema tem 
zero graus de liberdade (quer número de variáveis desconhecidas no processo 
é igual ao número de equações que as relacionam). 
(c) Calcule quantas libras de morangos são necessárias para fazer uma 
libra de geléia. 
 
5) Trezentos galões de uma mistura contendo 75,0% em massa de etanol 
e 25% de água (densidade relativa mistura = 0,877) e uma quantidade de uma 
mistura 40,0% em massa de etanol e 60% de água (densidade relativa = 0,952) 
são misturados para produzir uma mistura 60% em massa de etanol. O propósito 
deste problema é determinar V40, o volume necessário da mistura de 40%. (a) 
Desenhe e rotule o fluxograma do processo e faça uma análise dos graus de 
liberdade. (b) Calcule V40, o volume requerido da mistura de 40%. Resp: m1 = 
2195lbm; m2 = 1646 lbm; m3 = 3841 lbm; v = 207gal 
 
6) Destilam-se mil quilogramas por hora de uma mistura contendo partes 
iguais em massa de metanol e, as correntes de produto saem pelo topo e pelo 
fundo da coluna de destilação. A vazão da corrente de produção do fundo é 673 
kg/h, enquanto a corrente de produto do topo contém 96,0% em massa de 
metanol. (a) Desenhe e rotule um fluxograma do processo e faça a análise dos 
graus de liberdade. (b) Calcule as frações mássica e molar de metanol e as 
vazões molares de metanol e água na corrente do fundo. (c) Suponha que a 
corrente de produto do fundo é analisada e que a fração molar de metanol 
encontrada= significativamente maior do que a calculada na parte (b). Liste a 
maior quantidade de razões possível para esta discrepância. Inclua na sua lista 
possíveis violações às suposições feitas na parte (b). 
Resp: Vazão mássica = 327kg/h; 0,276kg de CH3OH; 2,71 x 10E4mol/h 
(H2O); 5,8 x10E3mol/h CH3OH; 0,176mol CH3OH. 
 
7) Duas soluções aquosas de ácido sulfúrico contendo 20,0% em massa 
de H2S04 (DR= 1,139) e 60,0% em peso de H2S04 (DR= 1,498) são misturadas 
para formar uma solução 4,00 molar (DR= 1,213). (a) Calcule a fração mássica 
de ácido sulfúrico na solução produto. (b) Tomando 100 kg da solução de 
alimentação a 20% como base, desenhe e rotule o fluxograma deste processo, 
rotulando tanto massas quanto volumes, e faça a análise dos graus de liberdade. 
Calcule a razão de alimentação (litros da solução a 20%/litros da solução a 60%. 
(c) Que vazão de alimentação da solução 60%, em (L/h) seria necessária para 
produzir 1250 kg do produto? Resp: a) 0,323kg H2SO4; b) m2 = 44,4kg ; m3 
=144kg; v1= 87,80l;v2 = 29,64l; razão = 2,96; c) 257l/h 
 
8) Uma mistura de tinta contendo 25,0% de pigmento e o resto de água é 
vendida por R$18,00/kg e uma outra mistura contendo 12,0% de pigmento é 
vendida por R$10,00/kg. Se um varejista faz uma mistura contendo 17,0% de 
pigmento, por quanto ele deveria vendê-la (R$/kg) para ter um lucro de 
10%?Resp: 14,39$/kg 
 
9) Na figura a seguir aparece um fluxograma rotulado para um processo 
em estado estacionário de duas unidades de processo, no qual são mostrados 
os limites para delimitar subsistemas, em torno dos quais podem ser feitos os 
balanços. Estabeleça o número máximo de balanços que podem ser escritos 
para cada subsistema e a ordem em que você escreveria estes balanços para 
determinar as variáveis desconhecidas do processo. 
 
 
 
10) Na figura seguinte aparece um diagrama do processo de lavagem de 
camisas usado pelo Serviço de Lavanderia Enchente de Espuma Ltda. As 
camisas são mergulhadas em um tanque agitado contendo Whizzo, o 
Detergente Maravilhoso, e depois torcidas e enviadas à etapa de enxágüe. O 
Whizzo sujo é enviado a um filtro no qual a maior parte da sujeira é removida; o 
detergente depois de limpo é reciclado de volta e se junta com uma corrente de 
Whizzo puro; esta corrente combinada serve como alimentação para o tanque 
de lavagem. 
 
Dados: 1. Cada 100 lbm de camisas sujas contém 2 lbm de sujeira. 2. A 
lavagem remove 95% da sujeira. 3. Para cada 100 lbm de camisas sujas, 25 lbm 
de Whizzo saem junto com as camisas limpas, dos quais 22 lbm são recuperadas 
ao torcer as camisas e enviados de volta ao tanque. 4. O detergente que entra 
no tanque contém 97% de Whizzo, e o que entra no filtro contém 87%. A sujeira 
molhada que sai do filtro contém 8% de Whizzo. (a) Quanto Whizzo puro deve 
ser fornecido por cada 100 lbm de camisas sujas? (b) Qual é a composição da 
corrente de reciclo? Resp: a) 3,17lbm; b)83,3% Whizzo e 6,7% camisas sujas 
 
11) Uma corrente contendo 5,15% em massa de cromo, Cr, faz parte dos 
dejetos de uma planta de acabamento metalúrgico. A corrente de resíduo 
alimenta uma unidade de tratamento que remove 95% do cromo na alimentação 
e o recicla de volta à planta. A corrente líquidaresidual que sai da unidade de 
tratamento é enviada a uma lagoa de resíduos. A unidade de tratamento tem 
uma capacidade máxima de 4500 kg de dejetos/h. Se os dejetos saem da planta 
com uma vazão maior do que a capacidade da unidade de tratamento, o excesso 
(qualquer coisa acima de 4500 kg/h) é desviado da unidade e se combina com 
o líquido residual que sai dela; a corrente combinada é então levada à lagoa. 
(a) Sem admitir uma base de cálculo, desenhe e rotule o fluxograma 
do processo. 
 (b) Os dejetos saem da planta com uma vazão = 6000 kg/h. Calcule a 
vazão do líquido encaminhado à lagoa, ln6 (kg/h) e a fração mássica de Cr neste 
líquido, x6(kg Cr/kg). Resp: Vazão m1= 6000kg/h, vazão m2 = 4500kg/h, vazão 
m4 = 220,2kg/h Cr; x5 = 0,002707 kg de Cr; Vazão m6 = 5779,8kg/h;x6 = 
0,0154kg de Cr. 
 
12) A amônia é queimada para formar ácido nítrico na seguinte reação: 
 
(a) Calcule a razão (Ib-mol O, que reage/lb-mol NO formado). Resp: 
1,25lbm 
(b) Se a amônia alimenta um reator contínuo com uma vazão de 100,0 
kmol NH/h, que vazão de alimentação de oxigênio (kmo/h) corresponderia a 
40,0% de excesso de O2? Resp:175kmol 
(c)Se 50,0 kg de amônia e 100,0 kg de oxigênio alimentam um reator em 
batelada, determine o reagente limitante, a percentagem de excesso do outro 
reagente, a extensão da reação (moI) e a massa de NO produzido (kg), 
admitindo que a reação é completa. Resp: O2; 17,6% NH3; 625mol; 75kg NO 
 
13) O metanol é sintetizado a partir de monóxido de carbono e 
hidrogênio em um reator catalítico. A alimentação virgem do processo contém 
32,0% molar CO, 64,0% H2 e 4,0% N. Esta corrente é misturada com uma 
corrente de reciclo na proporção de 35 moI de reciclo/mol de alimentação virgem 
para formar a alimentação ao reator, que contém 13,0% molar N2• Uma baixa 
conversão no reator é atingida. O efluente do reator passa a um condensador, 
de onde saem duas correntes: uma corrente liquida contendo essencialmente 
todo o metanol formando no reator, e urna corrente gasosa contendo todo o CO, 
o H2 e o N2 que saem do reator. A corrente gasosa é dividida em duas frações: 
uma é removida do processo como urna purga e a outra é a corrente de reciclo 
que é combinada com a alimentação virgem. 
(a) Para uma base de 100 moI de alimentação virgem/h, calcule a taxa 
de produção de metanol (mol/h), a vazão molar e a composição do gás de purga 
e as conversões global e no reator. Resp: 600mol/h; 0,148mol N2; 27mol/h; 
23,3mol/h CH3OH; 0,284 mol CO; 76%;14% 
(b) Expliques sucintamente, com suas próprias palavras, as razões 
para incluir no projeto (i) a corrente de reciclo e (ii) a corrente de purga.