Coletanea_Exercicios_OU5

Universidade do Estado do Rio de JaneiroFaculdade de Tecnologia - DEQA

Curso de Engenharia de Produção

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Coletânea de Exercícios Operações Unitárias V

FAT 04-07959 Prof. Alexandre Rodrigues Tôrres

[email protected] Sumário dos exercícios

Exercício 1 – Princípios Fundamentais ................................................................................................2 Exercício 2 – Princípios Fundamentais ................................................................................................3 Exercício 3 – Princípios Fundamentais ................................................................................................4 Exercício 4 – Princípios Fundamentais ................................................................................................5 Exercício 5 – Princípios Fundamentais ................................................................................................6 Exercício 6 - Destilação .......................................................................................................................7 Exercício 7 - Destilação .......................................................................................................................9 Exercício 8 - Destilação .....................................................................................................................10 Exercício 9 - Destilação .....................................................................................................................11 Exercício 10 - Destilação ...................................................................................................................12 Exercício 11 - Destilação ...................................................................................................................15 Exercício 12 - Destilação ...................................................................................................................16 Exercício 13 - Destilação ...................................................................................................................20 Exercício 14 - Destilação ...................................................................................................................21 Exercício 15 - Destilação ...................................................................................................................22 Exercício 16 - Destilação ...................................................................................................................23 Exercício 17 - Destilação ...................................................................................................................24 Exercício 18 - Destilação ...................................................................................................................25 Exercício 19 - Destilação ...................................................................................................................26 Exercício 20 - Destilação ...................................................................................................................27 Exercício 21 - Destilação ...................................................................................................................28 Exercício 22 - Destilação ...................................................................................................................29 Exercício 23 - Absorção.....................................................................................................................30 Exercício 24 - Absorção.....................................................................................................................31 Exercício 25 - Absorção.....................................................................................................................32 Exercício 26 - Absorção.....................................................................................................................33 Exercício 27 - Absorção.....................................................................................................................35 Exercício 28 - Extração ......................................................................................................................36 Exercício 29 - Extração ......................................................................................................................37 Exercício 30 - Extração ......................................................................................................................38 Exercício 31 - Extração ......................................................................................................................39 Exercício 32 - Extração ......................................................................................................................40 Exercício 33 - Adsorção.....................................................................................................................41 Exercício 34 - Adsorção.....................................................................................................................42 Exercício 35 - Adsorção.....................................................................................................................43

Operações Unitárias V – Prof. Alexandre R. Tôrres

Exercício 1 – Princípios Fundamentais Determine os valores da correntes 7, 9 e 10 no seguinte sistema de moinhos e classificadores, sendo m1 = 150 kg/h, m3

= 85 kg/h, m5 = 75 kg/h e m11 = 10 kg/h e estabelecendo que m10 = ¼ m4.

Moinho 1 Moinho 2 Moinho 31 2 3 4 5

6

7

8

9

10

11

12

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Exercício 2 – Princípios Fundamentais Uma corrente é composta de 50 kg/h de benzeno e 50 kg/h de tolueno. Determine: (a) a vazão molar de cada

componente; (b) a fração molar de cada componente; (c) a vazão molar da corrente.

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Exercício 3 – Princípios Fundamentais Para a mesma corrente do EX02, determine a entalpia molar para aquela composição a 115°C, sabendo que a

capacidade térmica a pressão constante para seus componentes é dada por uma equação do tipo

cp = a + b.T + c.T2 + d.T3 (Tref = 298.2 K), para cp em J/(mol . K), com os coeficientes da tabela abaixo:

Líquido Vapor Coeficiente Benzeno Tolueno Benzeno Tolueno

a 155.6259 147.0419 -43.78138 -43.64749 b -0.2710512 -0.01140537 0.5232929 0.603542 c 6.750819 x10-4 4.896709x10-4 -3.76271x10-4 -3.994507x10-4

d 0 0 1.066125x10-7 1.043824x10-7

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Exercício 4 – Princípios Fundamentais No processo representado pelo fluxograma abaixo, é realizada no reator a seguinte reação:

C H H CH C HP T8 18 2 4 4 104 4+ ⎯ →⎯⎯ +,

Considerando a reação e o fluxograma de processo complete os campos marcados na tabela de controle do processo.

Tambor de Flash 1Reator

Tambor de Flash 2

A

B

C

D

E

F

G

H

J

Correntes (Frações Molares)

Comp. Subst. A B C D E F G H J

1 CH4 0 0.01 0.05 0 0

4 C4H10 0 0,199 025 0 0

8 C8H18 1 0.85 0.005 0.7 0 0

0 H2 0 0 0 0 0 0 1 1

Vazões Molares [kmol/h]

n1

n4

n8 1000 20

n0 4000

Total nT 90 4523.5

V.Mássica mT

PM

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Exercício 5 – Princípios Fundamentais No processo de extração supercrítica é utilizado o CO2, em altíssima pressão, para extrair componentes sensíveis à

temperatura elevada. Este processo é utilizado para a extração de óleos a partir da casca de frutos cítricos. A vantagem

clara deste processo é que a pressão e temperatura normais o CO2 é um gás praticamente inerte. Analise o processo

descrito pelo fluxograma abaixo e, tendo como base os princípios das operações unitárias, responda as questões abaixo.

ESC-101

Extrator Supercrítico

V-101

Tambor de Flash

S-101 (CO2)

S-102 (Sólidos) S-104 (Extrato)

S-105

S-106

S-101 (Resíduo)

(a) Por qual corrente sai o CO2 após a extração? E o óleo de interesse? Qual sua pureza?

(b) Quais os possíveis arranjos no fluxograma que podem melhorar o desempenho econômico do processo?

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Exercício 6 - Destilação Para resolver, de preferência, com a ajuda do MathCAD.

(a) Deduzir as Equações 13-12, 13-13 e 13-14 do Perry’s Chemical Engineers’ Handbook;

(b) Calcular a Pressão de Vapor segundo a equação de Wagner para o Benzeno e o Tolueno puros, comparando

com os dados experimentais fornecidos.

(c) Calcular o ELV para o sistema binário Benzeno e Tolueno, a várias temperaturas, e comparar com os dados

experimentais fornecidos.

(d) Usando o “simulador de Flash”, levantar a Curva VEB para o sistema binário Benzeno/Tolueno @ P=1,033

bar, tendo a carga a composição zbenz=0,65 .

(e) Propor uma estratégia / algoritmo para otimização das condições de separação em um tambor de FLASH para

o sistema binário Benzeno/Tolueno nas condições do item d. Realizar os cálculos, apresentando os resultados

acompanhados de breve discussão.

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Tabela de dados experimentais do ELV - Benzeno (1) e Tolueno (2) (Fonte:DANNER): P — pressão [bar]; T — temperatura [K]; x — fração molar na fase líquida ;

y — fração molar na fase vapor P T x1 y1

1.013 383.76 0 0 1.013 381.51 0.05 0.108 1.013 379.37 0.1 0.206 1.013 375.39 0.2 0.372 1.013 371.76 0.3 0.508 1.013 368.45 0.4 0.621 1.013 365.4 0.5 0.714 1.013 362.59 0.6 0.792 1.013 359.99 0.7 0.857 1.013 357.58 0.8 0.913 1.013 355.34 0.9 0.96 1.013 354.27 0.95 0.981 1.013 353.25 1 1

Tabela de dados de Pressão de Vapor - Benzeno e Tolueno Dados de: Stull,D.R.; "Vapor Pressure of Pure Substances";

Ed. The DOW Chemical Company, Midland, Michigan, 1947. Coluna 1: Pressão de vapor [mmHg]; Coluna 2: Temperatura [°C] para o Benzeno (C6H6) Coluna 3: Temperatura °C

para o Tolueno (C7H8)

D

1

5

10

20

40

60

100

200

400

760

36.7

19.6

11.5

2.6

7.6

15.4

26.1

42.2

60.6

80.1

26.7

4.4

6.4

18.4

31.8

40.3

51.9

69.5

89.5

110.6

Dados do REID

- Temperatura (coluna 1) [K] e Pressão Crítica (coluna 2) [bar] (linha 1 - Benzeno; linha 2 Tolueno)

PROPC562.2

591.8

48.9

41.0

- Coeficientes da Equação de Wagner por coluna - a, b, c, d): (linha 1 - Benzeno; linha 2 Tolueno)

CW6.98273

7.28607

1.33213

1.38091

2.62863

2.83433

3.33399

2.79168

- Equação de Wagner: PVAP – pressão de vapor[bar] ; T– temperatura [K]; TC - temperatura crítica [K]; PC - pressão crítica {bar]

PVAP( ),,,,,,a b c d T PC TC .PC exp .TCT

.a 1 TTC

.b 1 TTC

1.5.c 1 T

TC

3.d 1 T

TC

6

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Exercício 7 - Destilação Em uma indústria química é feita uma reação na qual emprega-se um solvente C volátil. Sabendo que a reação tem

rendimento de 70% e pode ser representada pela equação química:

A B← →⎯

Indique um esquema de separação do produto final B. As substâncias A e B são líquidas. Faça considerações sobre

suas volatilidades.

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Exercício 8 - Destilação Para realizar uma modificação no processo necessita-se de uma corrente de Benzeno com pureza melhor que 95%

molar, vazão de 100 kmol/h @ 70°C. Dispõe-se na planta de uma corrente composta da mistura de Benzeno e Tolueno,

com 25% molar de Tolueno, vazão de 250 kmol/h, @ 60°C. Em uma reunião foi sugerido utilizar um tambor de “flash”

para purificar esta corrente. Faça um esboço de uma avaliação técnica da sugestão incluindo um estudo de custos /

benefícios.

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Exercício 9 - Destilação Faça um estudo da curva de vaporização em função da temperatura, para uma alimentação correspondente a 30 % molar

em tolueno, de uma corrente de mistura benzeno e tolueno de 150 kmol/min. Utilize o digrama de fase T-x-y para os

cálculos necessários. A partir deste estudo identifique:

(a) a temperatura na qual a fração vaporizada é de 0.2; (b) a temperatura correspondente ao ponto de bolha; (c) a temperatura correspondente ao ponto de orvalho.

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Exercício 10 - Destilação A partir de um processo de separação por membranas um componente tóxico e retirado de um produto de aplicação

farmacêutica. O solvente responsável pela separação deve ser purificado para retornar ao processo. A volatilidade do

solvente é bem mais elevada do que a do componente tóxico. Faça um esboço de um processo de separação. Considere

todas as correntes do processo proposto. Comente sua decisão procurando justificá-la.

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Diagrama de Fases (T-x-y)

Sistema Binário: Benzeno(1) e Tolueno(2) @ P=1.0133 bar

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0Fração molar - Benzeno (1)

350

355

360

365

370

375

380

385

Tem

pera

tura

[K]

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Curva de Equilíbrio (y-x)

Sistema Binário: Benzeno(1) e Tolueno(2) @ P = 1.0133 bar

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1Fração molar do benzeno no líquido x1

.0

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Fraç

ão m

olar

do

benz

eno

no v

apor

y1

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Exercício 11 - Destilação Um tambor de flash recebe uma alimentação de 50 kg/h de benzeno e 50 kg/h de tolueno. As condições para o flash

isotérmico são: TF = 366 K e PF = 1.0133 bar. Responda aos itens abaixo.

V-101

Tambor de Flash

F

V

L

(a) Com o auxílio do diagrama de fases (T-x-y) resolva o flash descrito calculando V, L e as composições das

fases;

(b) Marque na Curva de Equilíbrio (x-y) a reta de operação do flash em questão;

(c) Compare os valores de concentração dos componentes, em ambas as fases, obtidos nos tópicos (a) e (b);

(d) Utilizando como modelo para a variação da pressão de vapor com a temperatura a Equação de Antoine, dada

abaixo, monte um sistema de equações algébricas que respondem pelo flash acima, no equilíbrio estacionário e

termodinâmico;

(e) Resolva o sistema determinando as concentrações de ambos os componentes nas duas fases (x1, x2, y1 e y2)

mais L e V.

Equação de Antoine: P a bT c

vap = −+

⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥exp [P]= bar; [T]= K

Coeficientes da

Eq. de Antoine Benzeno Tolueno

a 8.59192 9.43967

b 2414.70 3122.72

c -71.7989 -52.4912

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Exercício 12 - Destilação Considere uma mistura de ácido benzóico(1) e ciclohexeno(2). A vazão disponível, da mistura que contém 20% molar

de ácido benzóico, é de 9014,16 kg·h–1. Existe um trocador de calor na planta que pode aquecer esta mistura até 400 K

e depois será possível levá-la a tambor de flash. Responda em ordem o que é solicitado abaixo:

Massas molares: M

122.124

82.146

(a) Qual a vazão molar total?

(b) Quais as vazões molares de cada componente?

(c) Analisando o gráfico da Figura 1, qual é o componente mais volátil?

(d) Qual a temperatura de ebulição dos dois componentes?

(e) Com os recursos disponibilizados na planta, o que pode ser feito? Por quê?

(f) Qual a concentração de ácido benzóico nas correntes de vapor e de líquido?

(g) Quais as vazões molares de vapor e líquido na saída do flash?

(h) Qual seria a temperatura necessária para um flash onde a fração vaporizada fosse de fV = 0,76?

(i) Como relacionar a volatilidade relativa e a curva de equilíbrio?

(j) Existe muita diferença em considerar o modelo de equilíbrio com a volatilidade relativa média ou a

real (função da temperatura)?

(k) Quais as diferenças entre realizar este processo de forma isotérmica e adiabática? A troca de

isotérmico para adiabático acarretaria em conseqüências em sua operação?

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1.013

356.1 523

250 300 350 400 450 500 550 6000

0.5

1

1.5

2

ácido benzóicociclohexeno

Temperaura [K]

Pres

são

de V

apor

[bar

]

Figura 1

ART

αm

350 400 450 500 5500

500

1000

1500

2000

2500

Temperatura [K]

alph

a(T)

Figura 2

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ART

T F

vTPBi 1

vTPOi 1

z1 F

xgi 1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1340

350

360

370

380

390

400

410

420

430

440

450

460

470

480

490

500

510

520

530

540P = 1.013 bar

Fração Molar de Ácido benzóico

Tem

pera

tura

[K]

Figura 3

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ART

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.20

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

Eq. Modelo alpha médioy=xEq. Modelo alpha=f(T)

P = 1.013 bar

x

y

Figura 4

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Exercício 13 - Destilação Uma torre de destilação foi projetada para a separação de benzeno e tolueno a uma pressão de 1 atm. A carga da torre,

cuja vazão é de 8057 kg/h e composição de 82.5 % molar de benzeno, é introduzida na torre a 45°C e o vapor de topo

sai a 84°C, que é condensado totalmente no condensador de topo, produzindo líquido no ponto de bolha. A razão de

refluxo de projeto é de 1,5:1. O líquido sai da torre, no seu último estágio, a 105°C e é vaporizado parcialmente no

refervedor, cuja a temperatura de equilíbrio é de 107°C. Calcular:

(a) vazões molares das correntes: D, B, L0, V1, LN e VN+1;

(b) carga térmica do condensador de topo;

(c) carga térmica do refervedor;

(d) considerando a carga (F) com fv = -2.9 ( x1= 0.825, TF= 313 K) ) calcule o número de estágios teóricos

necessários, utilizando o método gráfico McCabe - Thiele.(fv é fração vaporizada no “flash” da corrente de

alimentação F)

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Exercício 14 - Destilação Uma torre de destilação fracionada deve ser projetada para separar a mistura benzeno / tolueno à pressão de 1 atm. As

condições de carga são: composição 60% molar de benzeno, à temperatura de 92,6 °C. A razão de refluxo é de 2,0. O

vapor de topo da torre fracionada é parcialmente condensado, no condensador de topo, sendo o tambor de topo mantido

a 82,2 °C. O destilado é retirado na fase de vapor. A vazão de carga é 100 lb mol/h. A razão de benzeno no resíduo

não deve ser maior que 6% de benzeno que entra na torre. Considerando uma eficiência global de 70%, determinar, o

n° de pratos reais necessários para se conseguir a separação, e qual deve ser o prato de carga.. Qual é a temperatura do

topo da torre?

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Exercício 15 - Destilação Um efluente industrial pode ser considerado uma mistura binária. O componente mais volátil desta mistura está em

menor proporção (aproximadamente 5% molar) e tem alto valor comercial. Existe uma chance deste componente ser

recuperado por um processo de destilação fracionada. Faça um esboço do fluxograma do processo. Faça comentários

sobre as seções de enriquecimento e esgotamento de sua coluna de destilação. Considere a corrente de efluente em

questão sendo alimentada na torre como vapor saturado e faça um esboço no diagrama y-x da aplicação do Método

McCabe-Thiele. Comente a questão da razão de refluxo.

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Exercício 16 - Destilação Uma destilação em batelada de benzeno e tolueno foi realizada a partir de uma mistura contendo 60% molar de

benzeno. Foram retiradas em momentos diferentes e subseqüentes as correntes S-102, S-103 e S-104. Partindo da

informação que no início da destilação foram adicionados 100 kmol da mistura, responda as questões:

C-101

Destilador

S-101

S-102

S-103

S-104

S-105

(a) Como os componentes estarão distribuídos nas correntes?

(b) Escreva a expressão para a quantidade final de benzeno no resíduo ?

(c) Quais dados no gráfico abaixo pertencem ao tolueno ?

0 20 40 60 80

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Fraç

ão m

olar

no

Ref

erve

dor

% Destilada

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Exercício 17 - Destilação Um engenheiro estudava a destilação fracionada de benzeno e tolueno. Este profissional teve que fazer uma viagem de

emergência e encontra-se em local de difícil comunicação. O único registro é o gráfico encontrado abaixo. Deduz-se

que a retirada de topo é somente de vapor. Responda as questões abaixo:

(a) Qual o sistema analisado ? Faça um esboço do sistema

(b) Qual a condição da carga ? (fV e zA)

(c) Quais as concentrações nas saídas e a razão de refluxo ? (G, B e RD)

(d) Quais as vazões molares de saída G e B ?

(e) Qual o número de pratos teóricos na coluna ?

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Exercício 18 - Destilação Uma mistura líquida de benzeno e tolueno é destilada em uma torre de destilação fracionada @ 101.3 kPa. A

alimentação contém 45 % molar de benzeno e entra na torre a 373.3 K, constituindo 100 kmol/h. O destilado obtido

corresponde a uma temperatura no topo da torre de 355.8 K e a temperatura de equilíbrio do refervedor é de 375.3 K.

No topo está instalado um condensador total e a razão de refluxo é de 4:1. Calcule as vazões de destilado e retirada de

fundo líquida. Pelo método gráfico determine o n.º de estágios teóricos necessários na coluna. Determine o n.º de

estágios mínimo do sistema.

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Exercício 19 - Destilação Analisando o diagrama de equilíbrio para a mistura etilbenzeno e octano, comente as principais dificuldades que

ocorreriam na tentativa de separá-los, com a mesma concentração na corrente de alimentação, em uma coluna projetada

para a mistura benzeno e tolueno. Utilize um dos problemas resolvidos para comparação.

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1Fração molar - Benzeno (1)

.0

395

400

405

410

Tem

pera

tura

[K]

Curva de Equilíbrio Octano & Etilbenzeno@ 1.0133 bar

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Exercício 20 - Destilação Considere um processo onde se pretende retirar ácido acético escolhendo um dos seguintes compostos como solvente: a

água (Sistema I - SI) ou o benzeno (Sistema II - SII). Com base nos diagramas de equilíbrio T-x-y anexos, responda as

seguintes questões, sempre justificando.

(a) Qual o sistema mais apropriado considerando a posterior separação das misturas formadas por destilação?

(b) Se fosse possível optar pelo “flash”, qual dos dois sistemas daria o melhor resultado?

(c) No caso do processo escolhido ser o de destilação, qual sistema, formado pela torre de destilação, condensador

e refervedor, teria o melhor desempenho para a mesma pureza de ácido acético recuperado?

(d) Faça uma análise global do problema, considerando também os aspectos ambientais, e faça a sua escolha: qual

o sistema mais apropriado?

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.Fração molar - Benzeno (1)

0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

Fração molar - Água (1)

370

375

380

385

390

395

Tem

pera

tura

[K]

Curva de Equilíbrio Água (1) Ácido Acético (2)@ 1.0133 bar

350

355

360

365

370

375

380

385

390

395

Tem

pera

tura

[K]

Curva de Equilíbrio Benzeno (1) Ácido Acético (2)@ 1.0133 bar

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Exercício 21 - Destilação Uma torre de destilação foi projetada para a separação de benzeno e tolueno a uma pressão de 1 atm. A carga da torre,

cuja vazão é de 500 kmol/h (F) e composição de 60% molar de benzeno, é introduzida na torre a 89.3°C (362.5 K). O

vapor do topo da torre (V1) sai a 82°C, que é condensado totalmente no condensador de topo, produzindo líquido no

ponto de bolha (D). A razão de refluxo de projeto é de 2:1. O líquido sai da torre, no seu último estágio, a 108°C e é

vaporizado parcialmente no refervedor, cuja a temperatura de equilíbrio é de 109°C (B). Pede-se:

(a) A temperatura do destilado de topo (D), se a concentração de benzeno nesta corrente é 96.6%molar;

(b) A concentração de benzeno na corrente de resíduo de fundo (B);

(c) Quais os valores de B e D em kmol/h;

(d) Sabendo que a carga térmica do refervedor é de 1.54x109 J/h , a entalpia das correntes do sistema estão na

tabela abaixo, calcule a carga térmica do condensador;

(e) O número de estágios teóricos do sistema de destilação fracionada;

(f) . O número de estágios teóricos na coluna de destilação;

(g) A relação entre a razão de refluxo e a razão de refluxo mínima.

Correntes Temperatura

[ ºC ]

Composição

[% molar de benzeno]

Entalpia

[ J / mol ]

D TD 96.6 7.923E+3

B 109 ? 1.667E+4

F 89.3 60 1.049E+4

Observações: 1E+4 = 1 x 104, verifique as unidades utilizadas.

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Exercício 22 - Destilação Um sistema de destilação fracionada separa benzeno e tolueno a partir de uma corrente que totaliza 100 kmol/h. No

diagrama y-x, fornecido em anexo, foi construído o gráfico segundo o método McCabe - Thiele que corresponde a este

sistema. Baseando-se neste gráfico e, quando necessário, no diagrama T-x-y, responda:

(a) Qual a fração molar do tolueno na alimentação (carga) da coluna?

(b) Qual a fração molar do benzeno no destilado de fundo (refervedor)?

(c) Em qual estágio da coluna ocorre a alimentação do sistema?

(d) Qual é o número de estágios teóricos necessários na coluna?

(e) Qual a razão de refluxo?

(f) Qual a vazão de destilado no topo em kmol/h?

(g) Qual a Temperatura de equilíbrio do 3º (terceiro) estágio da coluna?

(h) Qual a condição (em termos de equilíbrio de fases) da corrente de alimentação?

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Exercício 23 - Absorção Através de uma coluna de pratos absorve-se a acetona, contida em uma mistura com ar, com óleo não volátil. O gás que

entra na coluna contém 25% molar de acetona, e o óleo que entra está isento de acetona. Absorve-se 90% da acetona

contida no ar e o licor concentrado, no fundo da torre, contém 20% molar de acetona. A massa molecular média do

óleo pode ser considerada 220 g /mol. A relação de equilíbrio é dada pela equação:

y x x( ) ,9= ⋅1

(a) Faça um estudo da vazão mínima de solvente necessária para tratar 1000 kg/h da mistura gasosa;

(b) .Construa a linha de operação, pela equação já definida, e determine o número de estágios ideais.

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Exercício 24 - Absorção Em uma coluna de absorção recheada de anéis cerâmicos de Rasching de 1/2”, deseja-se recuperar, com água, 98% do

gás amoníaco, NH3 , contido em uma mistura gasosa binária com ar. A concentração de NH3 medida na corrente a ser

tratada foi de 6% v.v.. A absorção se dará @ 26°C e 760 mmHg, e a vazão da corrente a ser tratada é de 1000 kg/h. O

ar nestas condições é considerado inerte. Calcular:

(a) A quantidade mínima de solvente necessária, considerando a água pura;

(b) A concentração do líquido na saída da coluna se a quantidade de água empregada for 10 vezes a vazão mínima;

(c) O diâmetro da torre, sendo o fator de projeto igual a 0.6;

(d) O número de estágios necessários para realizar esta operação, caso a coluna empregada seja de pratos ;

(e) A altura do recheio se a altura da unidade de transferência é igual a HOG= 0,40 m ;

Observações:

• Considerar que a curva de equilíbrio seja expressa pela equação de uma reta (solução diluída), e igual a:

y x x( ) .= ⋅0185

• µH2O = 1 cPoise

• ρH2O = 1 g/cm3 = 62.4 lb/ft3 .

• R = 1.987 cal / ( mol. K) = 82.06 atm.cm3 / (mol. K) = 0.7302 atm.ft3 / (lbmol. R)

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Exercício 25 - Absorção Uma coluna de absorção de uma planta química recupera 99% da amônia contida em uma corrente de ar. A coluna foi

projetada para trabalhar a 25ºC e 760 mmHg. A corrente de gás que entra na coluna tem 3% molar de amônia e uma

vazão de 1000 kg/h (35,12 kmol/h). A coluna está recheada com anéis cerâmicos de Rasching de 1/2” . Está sendo

operada utilizando água pura como solvente para absorção da amônia. Sabendo que a torre tem 0,352 m de diâmetro,

responda:

(a) Qual a vazão mínima de solvente?

(b) Qual a concentração de amônia na saída de fundo de solvente se for utilizada uma vazão de solvente 15 vezes

maior que a vazão mínima de solvente?

(c) Para a vazão de solvente de 15 vezes a vazão mínima de solvente, qual será a condição da torre em termos de

afastamento da condição de inundação? (Anéis de Rasching de ½” tem um cf = 580 e a = 400 m2 / m3)

(d) Haveria alteração desta condição se fosse substituído o recheio?

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Exercício 26 - Absorção Uma coluna de absorção recupera 80 % da amônia contida em uma corrente com ar. A concentração de NH3 nesta

corrente é de 8 moles para cada 100 moles de ar. Utiliza-se para absorver uma corrente de água que não contém NH3.

A corrente de entrada do gás corresponde a 108 kmol/h e a equação de equilíbrio a 0.3y x= ⋅ .

(a) Qual a concentração, em razão molar, de NH3 no gás de saída?

(b) Qual a vazão mínima de solvente?

(c) Qual a relação minS

opS

LL

se for considerada a reta de operação correspondente ao gráfico abaixo?

(d) Qual a concentração, em razão molar, de NH3 no líquido que sai da coluna para ? opSL

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0.15

0

Y Xg( )

Yop Xg( )

Ymin Xg( )

0.40 Xg0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

0.11

0.12

0.13

0.14

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Exercício 27 - Absorção Deseja-se reter 98 % de todo o SO2 contido em uma corrente de ar em uma torre de absorção. A concentração de SO2

na corrente a 30°C é de 10 % molar. A solubilidade do SO2 em água, a 30°C, é dada pela expressão:

para a pressão total igual a 1,0133 bar. Deseja-se inicialmente utilizar água como solvente de absorção

na coluna construída. A corrente total de saída corresponde a 200 kmol/h.

xy ⋅= 05.4

(a) Qual a vazão mínima de solvente, se a água utilizada como solvente tiver 0,1 % molar de SO2 ?

(b) Quais os efeitos esperados da solubilização do SO2 na água ?

(c) O que poderia ser adicionado à água para melhorar o desempenho do sistema de absorção

(d) Na tabela abaixo, escolha um dos recheios disponíveis, justifique a sua escolha listando as características do

recheio escolhido e seu impacto no sistema

Recheio Material a [m2/m3] cf R$/m3

sela Berl 1” cerâmica 250 110 820

anel de Pall 1” cerâmica 220 52 710

anel de Pall 1” polipropileno 206 52 380

anel de Raschig 1” aço 203 115 350

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Exercício 28 - Extração Uma unidade de extração em contra corrente é utilizada para separar acetona (A) de uma mistura com água (C), através

da extração com MIBK (B) a uma temperatura de 25°C. A alimentação consiste de uma mistura de 15% de acetona e

85% de água em massa. É utilizada uma massa igual de solvente puro na alimentação da corrente de extração.

(a) Como determinar as concentrações no extrato e rafinado finais?

(b) Quantos estágios ideais são necessários para se extrair 95% da acetona presente na corrente de alimentação?

(c) Qual a composição do extrato na saída da bateria de misturadores decantadores?

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Exercício 29 - Extração Uma corrente de 30% de acetona em água, com uma vazão de 1000 kg/h é tratada em corrente cruzada com MIK (ou

MIBK - metil isobutilcetona). Utiliza-se para calcular o ELL o diagrama de equilíbrio que define o sistema de

solventes parcialmente miscíveis para água - acetona - MIK. Em todos os estágios é utilizado solvente de extração

puro, no caso o MIK. Determine:

(a) o número de estágios necessários para que, com uma vazão de solvente de 500 kg/h, seja possível recuperar no

mínimo 90% da acetona que entra no sistema;

(b) a vazão de solvente que garante uma recuperação de 98% no mesmo número de estágios do item anterior.

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Exercício 30 - Extração Uma corrente de 100 kg/h de uma solução de acetaldeído em tolueno, com composição de 5% em peso de acetaldeído, é

submetida a um processo de extração em corrente cruzada. Emprega-se como co-solvente a água com uma vazão de

30kg/h em cada estágio de separação. Considere que: a água e o tolueno são completamente imiscíveis; a relação de

equilíbrio, expressa em razões mássicas, é dada pela expressão: Y X' . '= ×2 20

onde Y’ é a razão mássica entre o soluto (acetaldeído) e o solvente (tolueno) e X’ a razão mássica entre o soluto e o co-

solvente (água); a água empregada é pura. Pede-se então para calcular:

(a) a razão de recuperação de acetaldeído em um estágio;

(b) compare o resultado com a operação em dois estágio utilizando em cada 15 kg/h de água;

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Exercício 31 - Extração Estão disponíveis 1000 kg/h de uma solução aquosa de ácido benzóico, com concentração igual a 0.3% em peso de

ácido. Para separar o ácido benzóico submete-se esta solução a um processo de extração a 20°C, utilizando como

solvente o benzeno.

Os dados de equilíbrio disponíveis para o sistema ácido benzóico (A), benzeno (B) e água (C), a 20°C, são:

- X’ e Y’ são as razões mássicas de ácido benzóico nas fases aquosa e

orgânica respectivamente.

Y X X' . * ( ') . * ' .= − +145514 0 901851 0 0007935862

C.C.= 0.999769

X' Y'

0.000915 0.001025

0.001135 0.0016

0.001525 0.00291

0.00204 0.00533

0.00256 0.00794

0.00399 0.0201

0.00523 0.036

(a) Calcule a recuperação em um processo de extração com corrente cruzada, com 3 estágios de equilíbrio,

utilizando como solvente em cada estágio 600 kg/h de benzeno puro;

(b) Calcule a recuperação em um processo de extração em contra corrente, com 3 estágios de equilíbrio, utilizando

como solvente 1800 kg/h de benzeno puro;

(c) Compare e comente os resultados para os dois processos.

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Exercício 32 - Extração Deseja-se concentrar o soluto A em uma fase aquosa composta principalmente pela água e denominada co-solvente C.

O soluto A encontra-se inicialmente solubilizado no solvente orgânico. A partir da análise dos diagramas dos Sistemas

I e II que são caracterizados pelos solventes orgânicos B1 e B2, responda as seguintes questões:

(a) Qual a relação de solubilidade entre A, C e B1 ou B2 ?

(b) Qual sistema é o mais adequado para utilização como desejado ?

(c) Considerando a densidade de B1 como 0,83, a de B2 como 0,86 e a da água 1,00, faça um diagrama indicando

a distribuição das fases para o sistema selecionado.

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Exercício 33 - Adsorção Foi montada uma coluna de adsorção com carvão ativo de alta porosidade. A coluna tem 5 m de altura e 50 cm de

diâmetro, sendo que 3/4 deste volume está preenchido com o adsorvente. Pretende-se tratar uma corrente que contém

fenol por adsorção neste equipamento. Os dados de equilíbrio correspondente a este sistema estão relacionados na

tabela abaixo:

C [kg/m3] X’ 0,322 0,150 0,117 0,122 0,039 0,094 0,0061 0,059 0,0011 0,045

Onde: C é a concentração de fenol ma fase líquida e X’ é a razão mássica do fenol na fase sólida em relação à massa de

carvão ativo. Se a concentração de fenol na corrente a ser tratada for de 0,08 kg de fenol por m3, calcule:

(a) A capacidade total de retenção de fenol na coluna construída, considerando a massa específica aparente do

carvão ativo igual a 0,25 g/cm3.

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Exercício 34 - Adsorção Em uma coluna de adsorção com carvão ativo de alta porosidade e com massa específica aparente igual a 0,25 g/cm3. A

coluna tem 5 m de altura e 112,83 cm de diâmetro, sendo que 4/5 deste volume está preenchido com o adsorvente.

Pretende-se tratar por adsorção uma corrente que contém fenol e água neste equipamento, sendo a concentração de

fenol na corrente a ser tratada de 0,05 kg de fenol por m3. Os dados de equilíbrio correspondente a este sistema estão

relacionados na tabela abaixo:

Co [kg/m3] X’ 0,322 0,150 0,117 0,122 0,039 0,094

0,0061 0,059 0,0011 0,045

Onde: Co é a concentração inicial de fenol na fase líquida e X’ é a razão mássica do fenol na fase sólida em relação à

massa de carvão ativo. Sabendo que o sistema é alimentado com uma vazão de 0,5 m3/h, responda:

(a) Qual a capacidade total de retenção de fenol na coluna, em kg de fenol como adsorbato ?

(b) Qual o tempo de operação em dias ?

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Exercício 35 - Adsorção Em um reator de adsorção com carvão ativo de alta porosidade e com massa específica aparente igual a 0,25 g/cm3,

pretende-se tratar por adsorção uma corrente que contém fenol e água. Neste equipamento tem-se 0,04 m3 de carvão

ativo novo e a concentração de fenol na corrente a ser tratada é de 0,30 kg de fenol por m3(C0). Os dados de equilíbrio

correspondente a este sistema estão representados pela equação:

218415.0191.0' eqCX ⋅=

Onde: Ceq é a concentração no equilíbrio de fenol na fase líquida e X’ é a razão mássica do fenol na fase sólida em

relação à massa de carvão ativo. Sabendo que o sistema é alimentado por batelada com 10 m3 de solução de fenol em

água.

(a) Qual a concentração no equilíbrio?

(b) Qual a porcentagem de fenol retida?

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