1ª Prova operaçoes unitarias 3

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OPERAÇÕES UNITÁRIAS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR E MASSA
PSICOMETRIA
1. Dado o par de propriedades do sistema Ar/Vapor sob pressão atmosférica (101,3 kPa), determine as seguintes propriedades dos respectivos sistemas.
a) Sistema 1:
Umidade relativa = 14 %
Temperatura de bulbo úmido: 100 ºF
P.O: 88 ºF
Hm: 61,56 Btu/lbARS
PVAP: 0,044 atm
b) Sistema 2 
Ponto de orvalho = 90 ºF
Temperatura de bulbo úmido: 100 ºF
VH: 16,93 ft³/lbARS
Hm: 62,19 Btu/lbARS
PVAP: 0,048 atm
c) Sistema 3
Ponto de orvalho = 100 ºF
Umidade relativa: 20 %
TBU: 130 ºF
Hm: 75,73 Btu/lbARS
d) Sistema 4 
Ponto de orvalho = 90 ºF
Temperatura de bulbo seco: 150 ºF
VH: 16,93 ft³/lbARS
HM: 62,19 Btu/lbARS
TBU: 100 ºF
2. O aquecedor de um secador de camadas fixas foi dimensionado para aquecer 1150 ft³/min de ar para 150 ºF, a partir de um ambiente com temperaturas média de 75 ºF e 70% de umidade relativa. Após o aquecimento esse ar passa através das camadas de grãos, saindo com uma umidade relativa de 80%. Qual é o consumo de energia para aquecer o ar e quanto umidade será removida dos grãos por cada hora de trabalho? 
3. Ar ambiente a uma temperatura de 20 ºC e uma umidade relativa de 55 % é aquecido em um trocador de calor até uma temperatura de 110 C. Após passar através de um secador este ar sai a uma temperatura de 42 ºC. Calcular a quantidade de umidade evaporada e a quantidade de calor requerida por kg de ar seco para evaporar a umidade. Calcular também a energia e o consumo de ar por kg de umidade evaporada.
4. O ar entra na câmara de secagem de um secador a bandejas, na condição descrita pelo ponto (2) do diagrama psicrométrico da figura abaixo, depois de ser aquecido desde a condição descrita pelo ponto (1). O ar sai da câmara de secagem (3) em consequência de um processo de saturação adiabática no interior do secador. Sabendo-se que a taxa volumétrica de ar úmido que entra na câmara de secagem é de 3000 ft3/h, determinar: 
a) O calor suprido a esta corrente de ar no aquecedor em Btu/h.
b) A taxa de água evaporada na câmara de secagem em lbw/h.
	F
	Q
(ft³/h)
	TBS
(ºF)
	TBU
(ºF)
	PO
(ºF)
	HR
(%)
	Y
(lbmolW/lbmolARS)
	W
(lbW/lbARS)
	VH
(ft³/lbARS)
	M
(lbARS/min)
	1
	-
	90
	75
	74
	60
	0,035
	0,022
	-
	-
	2
	3000
	240
	100
	74
	5
	0,035
	0,022
	19,07
	157,32
	3
	-
	115
	100
	100
	70
	0,079
	0,049
	-
	-
	QREQ
	5897,14
	Btu/h
	AEVAP
	4,25
	lbW/h
5. O ar que alimenta um sistema de secagem encontra-se com 0,02 lbmolW/lbmolARS e temperatura de 85 ºF b.s. Antes de entrar no secador este sofre duas etapas de aquecimento. Previamente num aquecedor com adição de vapor diretamente ao ar até atingir umidade relativa de 90%. A seguir a mistura é novamente aquecida num aquecedor provido de tubos de troca térmica até a temperatura de 220 ºF bulbo seco e 115 F de bulbo úmido. O ar assim preparado alimenta o secador adiabático, saindo desse equipamento com 82% de umidade.
a) Represente o caminho termodinâmico do ar no diagrama psicrométrico;
b) Qual a temperatura de bulbo seco da mistura na saída do secador?
c) Qual a taxa de calor transferida ao ar no aquecedor tubular?
6. Um secador de esteira transportadora, ar úmido na pressão de 101,325 kPa é usado para remover água de uma torta contendo um novo catalisador. O ar entra no secador nas seguintes condições:
· Temperatura de bulbo seco: 150 ºF;
· Temperatura de bulbo úmido: 85 ºF;
· Vazão volumétrica de 100 ft³/min.
Na saída, as condições são:
· Temperatura de bulbo seco: 90 ºF;
· Umidade relativa: 80 %.
Determine o ponto de orvalho, bem como vazão de água removida.
7. 700 m³/min de ar 17 ºC e com temperatura de bulbo úmido de 15 ºC são misturados com 105 m³/min de ar temperatura de orvalho de 25 ºC e umidade relativa de 45%. Determine:
a) A umidade absoluta final;
b) A vazão mássica de ar após a mistura.
Balanço de massa global
Balanço de massa para umidade
/
8. Considere a mistura de 3 fluxos de ar úmido na pressão atmosférica, sob as seguintes condições: 
Fluxo de ar 1 – vazão de 1000 ft³/min – saturado com Tbs de 90°F; 
Fluxo de ar 2 – vazão de 1500 ft³/min – com Tbs de 120°F e umidade relativa de 20%; 
Fluxo de ar 3 – vazão de 2000 ft³/min – com Tbs de 150°F e Tbu de 105°F. 
Determine:
a) A umidade absoluta do fluxo 1:
b) O ponto de orvalho do fluxo 2:
c) A pressão de vapor do fluxo 3:
d) A umidade absoluta da corrente resultante da mistura dos três fluxos, bem como a vazão em massa do ar úmido. (1,5 Pontos)
	F
	Q
(ft³/min)
	TBS
(ºF)
	TBU
(ºF)
	PO
(ºF)
	HR
(%)
	Y
(lbmolW/lbmolARS)
	W
(lbW/lbARS)
	PVAP
(Pa)
	VH
(ft³/lbARS)
	M
(lbARS/min)
	1
	1000
	90
	90
	90
	100
	0,028
	0,017
	2759,82
	15,04
	66,49
	2
	1500
	120
	83
	70
	20
	0,050
	0,031
	4825,00
	16,17
	92,76
	3
	2000
	150
	105
	97
	18
	0,065
	0,040
	6184,15
	17,19
	116,35
	∑
	-
	-
	-
	-
	-
	-
	0,031
	 
	-
	275,6
TORRE DE RESFRIAMENTO
1. Uma torre de resfriamento em contracorrente e tiragem induzida está sendo usada para resfriar água. As condições do ar, bem como da água, na entrada e saída da torre são dadas pelo gráfico H (Btu/lbmolARS) x T (ºF) abaixo:
a) Determinar a razão taxa de água por taxa de ar que alimentam a torre, em que a taxa de ar é mínima requerida (L/VMÍN).
b) Determinar o número de unidades de transferência desta torre (NTU) a fim de avaliar as reais condições de transferência de calor e massa do enchimento, sabendo que a razão entre os coeficientes de transferência de calor e transferência de massa é 100 Btu/lbmol.ºF.
c) Determinar a altura da coluna para uma alimentação de água equivalente a 55,7 lbmolW/h.ft², sabendo-se que o coeficiente de transferência de massa KYA é 2,8 lbmolARS/h.ft³;
d) Determine a carga térmica ou calor dissipado pela torre na condição real de operação.
	T (ºF)
	HV
	HI
	HI - HV
	DHV
	DHV/(HI-HV)
	70
	600
	725
	125
	-
	-
	75
	700
	850
	150
	100
	0,666667
	80
	800
	990
	190
	100
	0,526316
	85
	900
	1138
	238
	100
	0,420168
	90
	1000
	1300
	300
	100
	0,333333
	95
	1100
	1447
	347
	100
	0,288184
	100
	1200
	1650
	450
	100
	0,222222
	105
	1300
	1850
	550
	100
	0,181818
	115
	1400
	2050
	650
	100
	0,153846
	Total
	-
	-
	-
	-
	2,79255 (NTU)
2. Uma torre de resfriamento de água com circulação forçada e escoamento em contracorrente, opera de acordo com as condições descritas no gráfico dado abaixo. 
a) Determinar a razão (L/V’) em que o ar é mínimo. 
b) Determine o número de unidades de transferência do enchimento, sabendo que a resistência do sistema se encontra predominantemente no lado do gás.
c) Se o coeficiente de transferência de massa kya é 1,6 lbmol/h.ft3 e a velocidade mássica da água que alimenta a torre é igual a 7,0 lbmol/h.ft2., determine a altura da coluna considerando o mesmo NTU encontrado no item anterior.
	T (ºC)
	HV
	Hi
	Hi - HV
	DHV
	DHV/(Hi - HV)
	70
	600
	750
	-
	-
	-
	80
	800
	1050
	250
	200
	0,80
	90
	1000
	1400
	400
	200
	0,50
	10
	1200
	1730
	530
	200
	0,38
	110
	1400
	2440
	1040
	200
	0,19
	NTU
	 
	 
	 
	 
	1,87
SECADOR
1. Especifique um secador para realizar a secagem: 
a) De uma torta úmida originada de um processo de filtração de efluente de carvão mineral de uma grande usina de beneficiamento.
O túnel de vagonetes seria o mais indicado. A torta poderia quebrar durante o transporte sobre rolos, gerando muito finos.
b) De argila bruta, com granulometria passante numa malha de 1”. Após a secagem o material deverá sofrer britagem e moagem numa instalação com capacidade de 10 t/h para atender uma umidade de fabricação de piso cerâmico.
Rotativo
c) De pigmento usado na indústria cerâmica. Este pigmento é produzido em várias etapas intermitentes, tais como calcinação e moagema úmido da massa de óxidos até que o produto seja formado por uma lama com sólidos passantes na malha 325 mesh, secagem e micronização final.
Secador túnel vagonetes, pelo grande volume de material a ser seco. 
Não seria indicado transportador por esteira e rolos, pelo fato do material ser uma lama também não seria indicado um secador rotativo, pois o mesmo ser mais indicado para sólidos secos e granulados, o que não é o caso, pois a lama contém sólidos bem finos.
d) De superfosfato. Considerando que está unidade terá uma capacidade de produção de 25 t/h e que a umidade do material deve ser reduzida de 20% para algo em torno de 1,5%.
Secador rotativo, pois o mesmo é usado para material granulado.
2. Deseja-se secar 2,52 kg de algodão em rama, num secador descontínuo a bandejas, principiando com um teor de umidade de 1,0 g de água por g de sólido seco até 0,1 g de água por g de sólido seco. As bandejas têm formato de um quadrado de 60 cm de lado, com profundidade de 1,0 cm, e estão dispostas de modo que a secagem ocorre somente pela face superior, estando a superfície inferior isolada. Ar com temperatura de bulbo seco de 75ºC e com temperatura de bulbo úmido igual a 50ºC, circula pela superfície da bandeja a uma vazão de 2500 kg/hm2. Experiências prévias, em condições de secagem semelhante, indicam que o teor de umidade crítico é de 0,4 g de água por g de sólido seco e que a taxa de secagem durante o período de taxa decrescente é proporcional ao teor de umidade livre. Considerar que o teor de umidade de equilíbrio é pouco significativo neste caso. 
a) Determinar a velocidade de secagem no período de taxa constante. 
b) Determinar o tempo necessário à secagem no período de taxa constante. 
c) Determinar o tempo de secagem até atingir a umidade final de 0,1 gAG/gSS.
3. Deseja-se secar um lote de sólido úmido cuja curva de velocidade de secagem está representada pela figura abaixo. O peso de sólido seco é 399 Kg e a área de superfície livre de secagem é 18,58 m². Obs.: A figura representa os resultados de um ensaio de secagem com o sólido úmido objeto do projeto.
a) Determinar o tempo requerido de secagem do sólido deste o teor de umidade livre de X = 0,38 kgW/kgSS até X = 0,20 kgW/kgSS.
b) Se fosse necessário chegar ainda mais perto de umidade livre do sólido para X = 0,05 kgW/kgSS, qual seria o tempo total requerido. 
4. Um secador rotativo de escoamento, deverá ser utilizado para secagem de fosfato de amônio granulado até a umidade final de 0,005 kgW/kgSS, partindo de uma umidade 0,10 kgW/kgSS. A temperatura de gás de entrada no sacador é 290 ºC e a sua umidade é 0,05 kgW/kgARS. O gás sai do secador com 90 ºC e umidade de 0,08 kgW/kgARS. As temperaturas de entrada e saída do sólido são respectivamente 20 ºC e 60 ºC. A vazão de sólido seco é 2000 kg/h. O secador é constituído por um tubo bem isolado termicamente, portanto, as perdas de calor podem desprezadas. O calor especifico do fosfato seco é 0,30 kcal/kg.ºC. determinar:
a) A massa de água evaporada do sólido;
b) A vazão mássica de gás livre de umidade;
c) O calor requerido na operação, supondo que a temperatura do ar ambiente é 20 ºC.
5. 2000 m³/h de ar úmido a 25 ºC contendo 0,03 kg de água por kg de ar seco alimentam uma coluna de resfriamento de água provida de recheio tipo Pall Ring de 2” de plástico. A taxa de água que alimenta a coluna é equivalente a 29000 kg/h. Determine a velocidade de afogamento da coluna, bem como a superfície transversal (área) segura. Considerar a viscosidade da água igual a 1 cP. 
6. Deseja-se secar um material fibroso com massa especifica de 0,7 g/cm³ seco, nua estufa de secagem descontinua, o teor inicial de umidade é 1 g de água por kg de solido seco. As bandejas têm formato quadrado de 60 cm de lado, com profundidade de 1,0 cm e estão dispostas de modo que a secagem ocorre somente pela face superior. O ar está a 75 ºC e apresenta temperatura de bulbo úmido igual a 50 ºC, circula pela superfície da bandeja a uma vazão de 25000 kg/h.m². Experiências previas, em condições de secagem semelhante, indicam que o teor de umidade critico será de 0,4 g de água por g de sólido seco e que a taxa de secagem durante o período de taxa decrescente é proporcional ao teor de umidade livre. Considerar que a umidade de equilíbrio é pouco significativa. Pede-se o tempo de secagem. 
cebola
AQUECSEC213Q
AQUEC
SEC
2
1
3
Q
AQUECSEC213Q
AQUEC
SEC
2
1
3
Q
132
1
3
2
TG0,Y0,GSTG1,Y1TG2,Y2TS2,X2TS1,X1,SS
TG0,Y0,GS
TG1,Y1
TG2,Y2
TS2,X2
TS1,X1,SS