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2° BIMESTRE – PROCESSOS
1.Balanço Material
Entrada – Saída + Geração – Consumo = Acúmulo
Em regime permanente → acúmulo = 0
௨௧
௨௧
2.Exemplo - Vela
Como uma vela queima?
Uma vela queima através de um processo chamado
combustão. Quando a chama é acesa, o calor derrete a
paraȦna, o principal componente da vela. Esse líquido
é então absorvido pela Ȧbra de algodão no pavio, que
atua como uma espécie de "canal" para o combustível
líquido. À medida que a paraȦna líquida sobe pelo
pavio, ela entra em contato com o ar e se vaporiza.
Esses vapores são então queimados pela chama,
produzindo calor, luz, dióxido de carbono e vapor de
água.
Como determinar a quantidade de 𝑪𝑶 𝟐
produzido pela
vela?
1° passo → deȦnir hipóteses e os volumes de controle
Hipóteses: 1. Fórmula química da paraȦna → 𝐶 ଶ
𝐻
ସଶ
2.Combustão completa
3.100% de conversão de paraȦna
- Taxa de consumo de paraȦna constante
2° passo → equacionamento
Reação → 𝐶 ଶ
𝐻
ସଶ
ଵ
ଶ
𝑂
ଶ
→ 20 𝐶𝑂
ଶ
ଶ
𝑂
Balanço Material → 𝜀 = 𝑛
3° passo → volume de controle 2
Balanço material sem reação →
ௗ
ௗ௧
௦
4° passo → experimental
Tempo (s) Massa (g) Perda de Massa (g)
0 0,880 -
30 0,850 -0,
60 0,821 -0,
90 0,790 -0,
120 0,758 -0,
150 0,724 -0,
180 0,690 -0,
210 0,657 -0,
240 0,621 -0,
270 0,585 - 0,
300 0,548 - 0,
5° passo → resolução
ି
ைଶ
௦
ைଶ
௦
ைଶ
ି ହ
௦
ைଶ
௦
ைଶ
3.Sistema Monofásico
Antes de estabelecer um balanço de massa completo
no processo, normalmente você deverá determinar
antes de uma série de propriedades físicas de cada um
dos materiais do processo e usá-las para deduzir
relações adicionais entre as variáveis do sistema
1° passo → procurar
2° passo → estimar
3° passo → medir
Massa especíȦca: propriedade física de um ȧuido em
um processo. Ele é utilizado para calcular a vazão
mássica e volumétrica.
Em sólidos e líquidos, quando o ȧuido é aquecido, ele
se expande (ou seja, a sua massa especíȦca diminui).
Além disso, ele Ȧca em função de temperatura e
pressão, podendo ser denominado de incompressíveis
Em um gás ideal: as equações de estado dos gases
ideais podem ser deduzidas da teoria cinética dos
gases
Em gases diatômicos, veriȦcar que
ோ்
Em outros gases ideais, veriȦcar que
ோ்
Mistura de gases ideais:
Em misturas, temos as pressões parciais de cada
substância, que consiste na pressão que seria exercida
por esse componente sozinho, na mesma temperatura
e pressão da mistura.
Sendo 𝑦
a fração molar do componente no estado
gasoso.
Mistura de gases NÃO ideais:
Em misturas, são as equações mais convenientes, ou
seja, a mesma equação utilizada para todos (mesmo
método). Porém, sua desvantagem é a sua inexatidão.
Fator de Compressibilidade → 𝑍 =
∙
ோ∙்
Equação de van der Waals → 𝑃 =
ோ∙்
ି
(
)
మ
Sendo ቐ
ଶ∙ோ
మ
∙்
మ
ସ∙
ோ∙்
଼ ∙
Equação cúbica → 𝑃 = ቀ
ோ்
ି
ఈ
∙(ା)ା( ି )
Peg-Robinson → 𝑃 = 𝑍
ଷ
ଶ
ଶ
ଶ
ଷ
Sendo
,ସହଶସ ோ
మ
்
మ
,଼ ோ ்
,ହ
,ହ
ఈ
(ோ் )
మ
ோ்
4.Sistema Multifásico
Em um processo, envolvem mais de uma fase da
matéria (sólida, liquida ou gasosa).
Pressão de saturação: para estimar a pressão de
saturação, utiliza-se a equação de Antoine
Entalpia de vaporização: utiliza-se três tipos de
equações.
→ Equação de Clapeyron:
ௗ
∗
ௗ்
∆ு
ಽೇ
் ∙( ೡ
ି
)
→ para Gás Ideal:
ௗ
( ୪୬
∗
)
൬ௗ∙ቀ
భ
ቁ൰
ି ∆ு ೡ
ோ
→ Equação de Clausius-Clapeyron: ln 𝑃
∗
ି ∆ு ೡ
ோ்
Equilíbrio líquido-vapor: Existe uma lei que descreve o
comportamento de um sistema gás-líquido. Ela é
denominada como Lei de Raoult, uma única espécie
condensável (sistemas ideais).
∗
Onde 𝑦
é a fração molar de i na fase vapor
Onde 𝑥
é a fração molar de i na fase líquida
Essa lei é válida quando xi é próxima de 1 e quando as
substâncias envolvidas são semelhantes.
Lei de Henry → 𝑦
Onde 𝐻
é uma constante de Henry e depende da
temperatura.
OBS: se houver somente 1 espécie condensável:
∗
Quando um líquido é aquecido lentamente a pressão
constante, a temperatura na qual se forma a primeira
bolha de vapor chama-se temperatura do ponto de
bolha. Quando um gás (vapor) é resfriado lentamente
a pressão constante, a temperatura na qual se forma
a primeira gota de líquido é chamada temperatura do
ponto de orvalho na pressão dada.
Exercícios para P2 - Processos
1. No processo Deacon para a fabricação de cloro e O2 reagem para formar Cl2 e H2O.
Alimenta-se o ar (79% molar N2, 21% O2) o suficiente para fornecer 35% de excesso de
oxigênio e a conversão fracional de HCl é 85%.
a) Calcule as frações molares dos componentes na corrente de produto usando balanço
de espécies atômicas
b) Calcule de novo as frações molares na corrente de produto usando agora a extensão
da reação
C2H4 + H2O → C2H5OH
Parte do produto é convertida a dietil éter na reação paralela
2C2H5OH → (C2H5)2O + H2O
A alimentação do reator contém etileno, vapor de água e um gás inerte. Uma amostra do
efluente do reator é analisada, e contém 43,3% molar de etileno, 2,5% de etanol, 0,14% de éter,
9,3% de inertes e o resto de água.
a) Tomando como base 100 mols do efluente gasoso, desenhe e rotule um fluxograma e
faça uma análise dos graus de liberdade baseada nos balanços de espécies atômicas
para provar que o sistema tem zero graus de liberdade.
b) Calcule a composição molar da alimentação do reator, a percentagem de conversão
de etileno, o rendimento fracional de etanol e a seletividade da produção de etanol em
relação à produção de éter.
c) A percentagem de conversão de etileno calculada deve ser muito baixa. Por que você
acha que o reator foi projetado para consumir tão pouco reagente? (Dica: Se a
mistura reacional permanecesse no reator tempo suficiente para consumir a maior
parte do etileno, qual seria, provavelmente, o principal constituinte do produto?) Que
passos de processamento adicionais devem acontecer a jusante do reator?
RESOLUÇÃO:
a)
ଶ
ସ
ଶ
ଶ
ହ
ଶ
ହ
ଶ
ହ
ଶ
ଶ
3 variáveis desconhecidas
2 equações
1 relação
Grau de Conversão = 0
b)
Balanço do C → 2𝑛
ଵ
ଵ
ଶ
Balanço de H → 4𝑛
ଵ
ଶ
ଶ
ଶ
Balanço de I → 𝑛
ଷ
ଶுସ
Fração de C2H5OH:
ଶହ
ଶହ௫
Seletividade:
c)
Mantenha a conversão baixa para evitar que o C2H5OH fique no reator por tempo suficiente para formar quantidades significativas de
C2H52O. Separar e reciclar C2H4 que não reagiu
3. O óxido de etileno é produzido pela oxidação catalítica do etileno:
2C2H4 + O2 → 2C2H4O
Uma reação não desejada, que compete com a primeira, é a combustão do etileno
C2H4 + 3O2 → 2CO2 + 2H2O
A alimentação do reator (não a alimentação fresca do processo) contém 3 mols de etileno
por mol de oxigênio. A conversão do etileno no reator é 20%, e para cada 100 mols de etileno
consumidos no reator 90 mols de óxido de etileno saem nos produtos. Um processo de
múltiplas unidades é usado para separar estes produtos: o etileno e o oxigênio são
reciclados para o reator, o óxido de etileno é vendido como um produto e o dióxido de
carbono e a água são descartados.
a) Tome uma quantidade da corrente de alimentação do reator como base de cálculo,
desenhe e rotule o fluxograma do processo, faça uma análise dos graus de liberdade e
escreva as equações que você usaria para calcular (i) as vazões molares de etileno e
oxigênio na alimentação fresca, (ii) a taxa de produção do óxido de etileno e (iii) a
conversão de etileno no processo. Não faça nenhum cálculo.
b) Calcule as quantidades especificadas na parte (a), seja manualmente, seja com um
programa de solução de equações.
c) Calcule as vazões molares de etileno e oxigênio na alimentação fresca necessárias
para produzir uma tonelada por hora de óxido de etileno.
RESOLUÇÃO:
a)
5. Amônia é queimada para formar óxido nítrico pela seguinte reação:
4NH3 + 5O2 → 4 NO + 6H2O
a) Calcule a relação (lb-mole O2 reagem / lb-mole NOS formados).
b) Se amônia é alimentada a um reator contínuo a uma vazão de 100,0 kmol NH3/h,
que vazão de oxigênio (kmol/h) seria necessária para se ter 40,0% de excesso de
O2?
c) Se são alimentados 50,0 kg de amônia e 100,0 kg de oxigênio a um reator em
batelada, determine o reagente limitante, a porcentagem de excesso do outro
reagente, o grau de avanço da reação (mol) e a massa de NO produzida (kg) caso
a reação seja completa (100% de conversão do reagente limitante).
RESOLUÇÃO:
a) Relação →
ହ
ସ
b)
ଶ
c)
ଷ
ଶ
Pela estequiometria, o reagente limitante é o O2, porque produz menos NO
Excesso de 𝑂 ଶ
ଷ,ଵଶହ
ହ
Excesso de 𝑁𝐻 ଷ
6. Qual é a composição do vapor em equilíbrio com o líquido contendo 40,0% molar de
benzeno e 60,0% de tolueno a 50ºC?
∗
்
்
்
∗
O tolueno também pode ser representado como:
்
∗
Assim, são 2 equações e 2 incógnitas: P e Yb
Resolvendo esse sistema:
7. Sobre o diagrama de fases:
a) Qual é a temperatura de bolha de uma mistura líquida 20% molar de hexano e o resto
octano, a 100 kPa?
b) Qual é a composição do vapor em equilíbrio com o líquido da questão anterior?
c) Qual é a temperatura de orvalho de uma mistura 26% molar de octano e o resto
hexano, a 100 kPa?
d) Qual é o estado físico dessas misturas a 100 kPa? 40% hexano e 60% octano a 135°C
20% hexano e 80% octano a 90°C 70% hexano e 30% octano a 90°C
a) 103°C
b) 0,
c) 95°C
d) Vapor / Líquido / líquido-vapor
8. Um gás contendo 1,00% molar de etano está em contato com a água a 20,0°C e 20,
atm. Calcule a fração molar máxima de etano dissolvido na fase líquida.
Os hidrocarbonetos normalmente são relativamente insolúveis em água, de forma tal que a solução de etano provavelmente está extremamente diluída.
Apliquemos então a lei de Henry.
Comparando com a isoterma de sorção a 𝑎𝑤=0,
aw=0,70 não está na lista fornecida, mas está próximo de aw=0,75 que tem uma umidade de 20,53% (base seca).
A umidade final calculada foi 15,49% (base seca), que é menor que 20,53%. Isso indica que o guaraná ainda não está em equilíbrio com o
ambiente, pois a umidade final (base seca) deveria ser maior para estar em equilíbrio com aw=0,
d)
௨
௦
௨
௧௧
௦
௨
௧௧
11. A alimentação de uma coluna de destilação (mostrada abaixo) é uma mistura
líquida 45,0% molar de n-pentano–55,0% molar de n-hexano. A corrente de vapor que
sai no topo da coluna, que contém 98,0% molar de pentano e o resto de hexano, vai
para um condensador total (no qual todo o vapor é condensado). Metade do líquido
condensado retorna ao topo da coluna como refluxo e o resto é retirado como produto
de topo (destilado), com uma vazão de 85,0 kmol/h. O destilado contém 95% do
pentano fornecido à coluna. A corrente líquida que sai pelo fundo da coluna passa a
um refervedor. Parte desta corrente é vaporizada; o vapor é reciclado para o fundo
da coluna como boilup, e o líquido residual é retirado como produto de fundo.
(a) Calcule a vazão molar da corrente de alimentação e a vazão molar e composição da
corrente de produto de fundo.
(b) Estime a temperatura do vapor que entra no condensador, admitindo que está
saturado (no seu ponto de orvalho) a uma pressão absoluta de 1 atm e que a lei de
Raoult se aplica tanto ao pentano quanto ao hexano. Estime depois as vazões
volumétricas da corrente de vapor que sai da coluna e do destilado líquido. Exprima
qualquer suposição que você faça.
(c) Estime a temperatura do refervedor e a composição do boilup, de novo admitindo a
operação a 1 atm.
(d) Calcule o diâmetro mínimo da tubulação que conecta a coluna e o condensador se a
velocidade máxima permitida é de 10 m/s. Depois, liste todas as suposições que
fundamentam este cálculo.
a)
Balanço Molar:
ଶ
ଶ
Pentano → 195 ∙ 0,45 = 85 ∙ 0,98 + 110 ∙ 𝑥
ଶ
ଶ
b)
Equação de Antoine:
,଼ ସସଵିଵ ,ଽଷ
்
భೌ
ାଶଷଵ,ହସଵ
,଼଼ ହହହିଵଵ ,଼ ଵ
்
భೌ
ାଶଶସ,଼
ଵ
௩
ଷ
Pela tabela B.1:
ଵଵ
ௗ௦௧çã
ଷ
c)
ଵ
ల,ఴరరళభషభబలబ,ళవయ
భೌ
శమయభ,ఱరభ
,଼଼ ହହହିଵଵହ ,ଵ଼
் భೌ
ାଶଶସ,଼
ଶ
Composição no boilup:
ଶ
ଶ
∗
,଼ ସସଵିଵ ,ଽଷ
, ାଶଷଵ,ହସଵ
ଶ
d)
Mínimo Diâmetro
á௫
á௫
ଶ
