lista de exercícios 3a - balanço de massa

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS Professor: Emerson Martim Lista 3A – Balanço Balanço de Massa sem reação reação Química

Uma lama de talco contém 75,0% em massa de água. 80,0% da água é removida por filtração e secagem, em uma única unidade de processo, o que faz a massa de lama reduzir em 72,0 kg. Calcule: a) a massa original da lama;  b) a % de água presente na lama após a filtração.

Questão 1-

Um sólido contendo 25,0% de água é continuamente alimentado com uma vazão de 1000,0 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 0,90 kg água / 100 kg ar seco. O ar  efluente do secador deve ser limitado a 21,4 kg água / 100 kg ar seco. Calcule: a) a porcentagem de remoção de água do sólido original;  b) a vazão mássica do ar seco.

Questão 2-

Uma fábrica produz NaOH NaOH a partir de uma solução aquosa contendo 10,0% de  NaOH e 10,0% de NaCl, que é alimentada com uma vazão de 10,0 Mg/h a 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% do NaCl, determine: a) a vazão de água evaporada;  b) a vazão de NaCl cristalizado; c) a vazão da solução final. Questão 3-

Uma solução aquosa de NaOH a 10,0% deve ser concentrada em um evaporador onde 500,0 kg/h de água são evaporados. Se a solução final contiver 28,2% de  NaOH, calcule a vazão da solução concentrada final. Questão 4-

Uma solução aquosa contém 25,0% em massa de sal. Determine: a) o teor de sal na solução, se for evaporada 40,0% da água originalmente presente;  b) o teor de sal na solução, se a massa de água evaporada equivale a 40,0% da massa da solução original. c) A porcentagem de água evaporada, se a solução final contiver 40,0% de sal.

Questão 5-

Uma mistura de benzeno (58,20%), tolueno (20,40%) e xileno (21,40%) é carga de suma coluna 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 é de 90,0%. Calcule a composição mássica do destilado e do resíduo.

Questão 6-

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS Professor: Emerson Martim Questão 7- Fenol e água, quando colocados em contado 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 30°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 contato a 30°C, calcule as massas das duas fases líquidas depois de alcançado o equilíbrio. Duas amostras idênticas de um mesmo carvão úmido foram analisadas por dois técnicos. Um deles apresentou o seguinte resultado para análise elementar em massa do carvão: C=75,0%, H = 4,0%, O = 8,0%, N = 2,0%, S = 1,0% e cinzas = 10,0%. O outro, antes da análise, seca a amostra e encontra uma redução de massa de 7,0%, devido à perda de umidade. Considerando correto o resultado da análise do primeiro técnico, calcule o resultado da análise do carvão seco. Questão 8-

A composição da carga de uma torre de destilação é dada abaixo. A recuperação de propeno no destilado é de 90,0% e de butano no resíduo é de 90,0%. O teor  em massa do propeno no destilado é de 75,0% e a de propano no resíduo é de 6,0%. a) Calcule as composições do destilado e do resíduo;  b) O destilado será carga de outra torre, onde se deseja recuperar 98,0% do propeno no novo destilado. Calcule a carga da primeira torre para se obter 800,0 kg/d de  propeno no novo destilado. Questão 9 – 

Componente Carga (%)

Propeno 40,0

Propano 10,0

buteno 20,0

butano 30,0

Uma mistura contendo 30,0% de benzeno (B), 25,0% de tolueno (T) e 45,0% de o-xileno (O) é carga de uma unidade de destilação, com duas colunas em série. Na  primeira coluna, a composição do resíduo deverá ser: T = 1,0%, O = 99,0% e a recuperação de o-xileno no resíduo será de 98,0%. O destilado desta coluna é carga de uma segunda coluna de destilação, cujo destilado contém 99,0% de B, 1,0% de T. Deseja-se recuperar no destilado desta segunda coluna, 96,0% do benzeno presente na carga desta primeira coluna. Se a carga da primeira coluna é de 1000,0 kg/h: a) Desenhe o fluxograma de processo indicando corretamente todas as vazões e composições;  b) Calcule as vazões mássicas desconhecidas; c) Calcule a composição mássica do resíduo da segunda coluna. Questão 10-

Questão 11 –  Uma

mistura gasosa propano-ar contendo 10,0% em volume de propano e vazão mássica de 122,0 kg/s é carga de uma coluna de absorção, onde entra em contato com um óleo de absorção isento de propano e massa molecular 250 g / g-mol. Deseja-se que o óleo absorva 90,0% do propano presente na mistura gasosa. Se a fração em quantidade de matéria de propano no óleo efluente da coluna é de 40,0%, calcule:

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS Professor: Emerson Martim a) a vazão mássica de óleo de absorção a ser utilizada;  b) o teor de propano na mistura gasosa efluente da coluna. Questão 12 –  600,0

kg de Ba(NO3)2 estão dissolvidos em uma solução saturada a 90°C, cuja solubilidade é de 30,6 kg / 100 kg de água. A solução é então resfriada 20°C, ocorrendo a precipitação de cristais de Ba(NO3)2 e permanecendo a soluço saturada a 20°C, cuja solubilidade é de 8,6 kg / 100 kg de água. Calcule: a) a massa de cristais formados a 20°C;  b) a massa de cristais formados a 20 °C, considerando que a solução original não é saturada e contém mais 10,0% de água do que o necessário para que a solução seja saturada a 90°C; c) a massa de cristais formados a 20°C, considerando que 5,0% da água presente na solução original se evapora durante o processo. Questão 13 –  As

frações em massa da carga e do destilado de uma torre de destilação são dadas abaixo. Calcule a fração mássica do resíduo, sabendo-se que o destilado corresponde a 40,0% em massa da carga. componente

Carga (%)

Destilado (%)

Propeno Propano 1-buteno n-butano

29,0 20,0 34,0 17,0

50,0 35,0 10,0 5,0

Questão 14 –  Uma

solução salina F contendo 33,3% de KNO3 em massa é usada para obtenção de cristais C de KNO3 contendo no máximo 4,0% de água. O processo consiste em passar a solução inicialmente por um evaporador, onde a temperatura de saída é de 150°C, gerando uma solução concentrada P com 49,4% de KNO3 em massa. A seguir, esta solução é encaminhada a um cristalizador, onde a temperatura é reduzida a 38°C, onde os cristais são obtidos, gerando uma solução saturada contendo 36,4% de KNO3 em massa. Esta solução saturada R é totalmente reciclada. A alimentação nova do processo é de 500,0 kg/h. a) Identifique no fluxograma a alimentação nova, alimentação combinada, reciclo, unidades de processo e volumes de controle.  b) Calcule todas as vazões desconhecidas. V F

U

evaporador 

R 

P

cristalizador 

C

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS Professor: Emerson Martim Questão 15 –  Água

potável pode ser obtida por dessalinização da água do mar, através do   processo conhecido como osmose reversa, de acordo com o esquema a seguir. Calcule todas as vazões mássicas desconhecidas. 1

3

2

Osmose reversa

4

6

5 Informações das correntes: Corrente 1(água do mar): 1000,0 kg/h Corrente 2: Corrente 3 (água potável): Corrente 5 (reciclo) Corrente 6 (salmoura):

sal = 3,05% xsal = 4,00% sal = 500 ppm sal = 5,20%

Observação: Considerar que a composição mássica das correntes 4, 5 e 6 sejam as mesmas. Questão 16 –  Dois

tanques A e B estão inicialmente isolados através de uma válvula. O tanque A contém 1,00 m3 de ar à pressão absoluta de 100,0 kPa e temperatura de 60°C. O tanque B contém uma mistura O2-N2 com 95,0% de N2 a 90°C e pressão absoluta de 200 kPa. A válvula é então aberta, permitindo que os gases dos dois tanques se misturem. Após a homogeneização, determinou-se que o gás continha 85,0% de N2. Calcule o volume do tanque B. Questão 17 –  Dissulfeto

de carbono (CS2) deverá ser removido de um gás com a seguinte composição em volume: CS2 = 15,0%; O2 = 17,8%; N2 = 67,2%. O gás será alimentado em uma torre de absorção, onde benzeno líquido absorve apenas CS2. A razão em quantidade de matéria entre o benzeno líquido e o gás é 2/1. Parte do benzeno usado como absorvente evapora e sai com o gás efluente da torre de absorção. O gás efluente da torre contém a seguinte composição molar: 2,0% de CS2, 2,0% de benzeno e o restante de N2 e O2. Calcule: a) a % absorvida de CS2 pelo benzeno líquido;  b) a % em quantidade de matéria de CS2 na corrente de benzeno; c) a % de benzeno perdida como vapor. Em um processo de recuperação de acetona, tem-se o seguinte fluxograma abaixo. Realizando os balanços de massa, calcule as vazões de ar, de produto e de resíduo. Sabe-se que a razão entre a vazão mássica de gás e a vazão mássica de água é 5,00. As composições fornecidas são mássicas. Questão 18-

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS Professor: Emerson Martim Água 1200,0 kg/h

ar apenas

condensador 

A Torre de Absorção

B

Refervedor  Produto Xacetona = 0,99 xágua = 0,01 vapor 

F gás (acetona + ar) Xacetona = 0,0295

Resíduo xacetona = 0,05 xágua = 0,95

– Uma coluna de absorção é projetada para reduzir o teor de SO2 do ar, conforme figura abaixo. Questão 19

B A

C

Coluna de absorção

D

E

F R  Dados: A - água pura C – 5,0% SO2 B – ar pobre em SO2 F – ar rico em SO2 ( 60,0% SO2) D e E – água residual (20% SO2) R – reciclo (mesma composição de D e E) a) Determine a vazão de água em m3/d a 20°C necessária para tratar 600,0 m3/d a

CNTP do ar rico em SO2, desejando-se remover 95% do SO2 presente neste ar.

b) Determine a razão mássica reciclo/alimentação nova.

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Balanço de massa com reação química Questão 1 –  0,10

kg de Cl2 é misturado com 0,010 kg de H2. Uma centelha promove a reação entre os gases, gerando HCl. Considerando a reação completa, calcule: a) o reagente limitante;  b) a % de excesso do reagente em excesso; c) a massa de HCl formada; d) a composição molar de saída, se a conversão for de 95,0%. Aldeído fórmico pode ser produzido pela reação entre metano e oxigênio na   presença de catalisador, gerando também CO2 como produto indesejável, conforme reações: Questão 2-

catalisador 

CH 4 + O2         → HCOH  +  H 2O CH 4 + 2O2         → CO2 + 2 H 2O catalisador 

Se o produto efluente do reator contém HCOH = 45,5%; CO2 = 0,8%; CH4 = 3,8%; H2O = 47,0% e O2 = 3,0%, calcule: a) a % de excesso do reagente em excesso;  b) a conversão de CH4; c) a % do rendimento do aldeído fórmico; d) a seletividade do aldeído fórmico em relação ao CO2 –SO2 reage com O2 puro para formar SO3. Usa-se 100% de excesso de O2 e a conversão é de 60,0%. Calcule: a) a % do volume no produto.  b) A pressão parcial dos componentes no produto, se a pressão total é de 300,0 kPa. Questão 3

Questão 4 –  Um

óleo combustível cuja análise elementar em massa é: C = 86,5%; H = 9,5%; S=4,0% é queimado completamente com 30,0% de excesso de ar. Calcule: a) a análise do gás de combustão em base seca;  b) a razão mássica ar/óleo combustível. Questão 5 –  Um

gás combustível composto de 90,0% de CH4; 8,0% de C2H6; 2,0% de H2S é queimado completamente com 15,0% de ar em excesso. Calcule: a) a análise do gás de combustão em base seca;  b) a razão mássica ar/gás combustível. Questão 6 –  Um gás natural é composto de 90,0% de CH4 e 10,0% de C2H6 é queimado em

um forno com ar enriquecido com oxigênio. A análise de Orsat do gás de combustão é: CO2 = 22,2%; O2 = 4,4%; CO = 0%. Calcule: a) a composição do ar enriquecido;  b) a % de excesso de ar.

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS Professor: Emerson Martim Questão 7 –  Em uma tentativa de gerar NO econômico, amônia gasosa é queimada em um reator com 20,0% de O2 em excesso, de acordo com a reação: 4 NH3 + 5 O2 → 4 NO + 6 H2O A amônia que não reagiu é separada dos demais componentes, sendo que 5% da amônia efluente do separador é purgada continuamente e o restante é reciclado para o reator, conforme esquema abaixo. A conversão por passe é de 70,0%.

reator

separador 

a) Calcule a conversão global do processo;  b) Identifique no fluxograma todos os volumes de controle, alimentação nova, alimentação combinada, purga c) Identifique todos os componentes de cada corrente do processo. d) Quais os novos valores de conversão, se a amônia for queimada com 40,0% de O2 em excesso. Explique. Questão 8 –  20,00

kg/h de óleo diesel (C16H34) é queimado em uma caldeira com 400,0 kg/h de ar, com uma conversão de 100%. a) calcule o reagente limitante; o reagente em excesso e a porcentagem em excesso;  b) Assumindo que 20% do diesel queima produzindo CO e 80% produzindo CO2, determine a composição dos gases de chaminé. – 150,0 mol de C12H24 reage com 15000,0 mol de ar, em uma reação de combustão completa com uma conversão de 89,0%. Calcule a composição molar da corrente de entrada e saída do reator. O processo desenvolve-se em estado estacionário. Questão 9

– Um gás residual de uma indústria de fibra sintética possui a seguinte análise molar: 40,8% de H2S; 9,6% de SO2 e o restante água. Como este gás não pode ser lançado à atmosfera devido á concentração de poluentes, foi sugerido que fosse queimado com excesso de ar, antes de ser descartado. O regulamento local de poluição impede que o gás de combustão seja lançado na atmosfera com mais de 2,0% de SO2 medido pela análise de Orsat. Calcule o percentual mínimo de excesso de ar que deve ser queimado o gás residual  para obedecer ao regulamento antipoluição. Questão 10

Amônia (NH3) é produzido pela reação entre N2 e H2 em proporções estequiométricas em alta temperatura e pressão. A alimentação para o reator é preparada  pela mistura de H2 com ar (21,0% de O2; 78,0% de N2 e 1,0% de Argônio (Ar)). O O2 é removido da mistura gasosa pela combustão do H2, e a H2O é removida por condensação. A Questão 11 – 

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS Professor: Emerson Martim mistura resultante, após compressão e secagem, deverá ter a relação estequiométrica para a formação de amônia. Considere 100,0 kmol de ar na carga. a) Desenhe o fluxograma do processo indicando todos os componentes de cada corrente;  b) Calcule a quantidade de água removida da mistura H2, N2, Ar e H2O quando os gases são resfriados a 20°C e 200 kPa; c) Calcule a quantidade de matéria de H2 necessária para a preparação da carga. Questão 12 –  Em

um processo de produção de etanol pela hidratação de eteno, somente  parte de eteno é convertida. O etanol é totalmente removido por condensação e o gás não convertido é reciclado para a entrada do reator. Este gás está saturado com vapor d´água a 35°C. A conversão de eteno por passe é de 4,5%. A razão em quantidade de matéria água/eteno na alimentação combinada é de 0,55. a) Desenhe o fluxograma de processo indicando todas as correntes e seus respectivos componentes;  b) Calcule a razão em quantidade de matéria reciclo/alimentação nova; c) Calcule a composição molar da alimentação nova; d) Calcule a composição mássica do produto.