Universidade do Estado do Rio de Janeiro
Faculdade de Tecnologia - DEQA
Curso de Engenharia de Produção
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
C:\Documents and Settings\Alexandre\Meus documentos\Documentos\OperacoesUnitarias5\Exercicios\Coletaneas\Coletanea_Exercicios.doc
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.
8
10
12
6
1
Moinho 1
2
3
Moinho 2
4
Moinho 3
5
7
9
11
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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
Coeficiente
a
b
c
d
Benzeno
155.6259
-0.2710512
6.750819 x10-4
0
Tolueno
147.0419
-0.01140537
4.896709x10-4
0
Vapor
Benzeno
-43.78138
0.5232929
-3.76271x10-4
1.066125x10-7
Tolueno
-43.64749
0.603542
-3.994507x10-4
1.043824x10-7
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Exercício 4 – Princípios Fundamentais
No processo representado pelo fluxograma abaixo, é realizada no reator a seguinte reação:
P,T
C8H18 + 4H2 ⎯⎯⎯→ 4 CH4 + C 4 H10
Considerando a reação e o fluxograma de processo complete os campos marcados na tabela de controle do processo.
F
J
E
B
H
Tambor de Flash 2
A
G
C
Reator
Tambor de Flash 1
D
Correntes (Frações Molares)
Comp.
Subst.
A
1
CH4
0
4
C4H10
0
8
C8H18
1
0
H2
0
B
C
D
E
F
0.01
0,199
0
0.85
0.005
0
0
0
G
H
J
0.05
0
0
025
0
0
0.7
0
0
0
1
1
Vazões Molares [kmol/h]
n1
n4
n8
1000
20
n0
Total
nT
V.Mássica
mT
4000
90
4523.5
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.
S-105
S-102 (Sólidos)
S-104 (Extrato)
V-101
S-106
Tambor de Flash
S-101 (CO2)
ESC-101
S-101 (Resíduo)
Extrator Supercrítico
(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
36.7
26.7
5
19.6
4.4
10
11.5
6.4
20
2.6
18.4
40
7.6
31.8
60
15.4
40.3
100 26.1
51.9
200 42.2
69.5
400 60.6
89.5
760 80.1 110.6
Dados do REID
- Temperatura (coluna 1) [K] e Pressão Crítica (coluna 2) [bar] (linha 1 - Benzeno; linha 2 Tolueno)
562.2 48.9
PROPC
591.8 41.0
- Coeficientes da Equação de Wagner por coluna - a, b, c, d): (linha 1 - Benzeno; linha 2 Tolueno)
6.98273 1.33213 2.62863 3.33399
CW
7.28607 1.38091 2.83433 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 )
TC . .
a 1
PC. exp
T
T
TC
b. 1
T
TC
1.5
c. 1
T
TC
3
d. 1
T
6
TC
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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
385
380
Temperatura [K]
375
370
365
360
355
350
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Fração molar - Benzeno (1)
0.7
0.8
0.9
1.0
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Curva de Equilíbrio (y-x)
Sistema Binário: Benzeno(1) e Tolueno(2)
@ P = 1.0133 bar
1.0
0.9
Fração molar do benzeno no vapor y1
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
Fração molar do benzeno no líquido x1
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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
F
V-101
L
Tambor de Flash
(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:
b ⎤
⎡
P vap = exp⎢ a −
[P]= bar; [T]= K
T + c ⎥⎦
⎣
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:
M
Massas molares:
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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2
523
1.5
1.013
1
0.5
0
250
300
350
400
450
500
550
600
Temperaura [K]
ácido benzóico
ciclohexeno
Figura 1
ART
2500
2000
alpha(T)
Pressão de Vapor [bar]
356.1
1500
1000
500
0
350
αm
400
450
500
550
Temperatura [K]
Figura 2
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ART
P = 1.013 bar
540
z1 F
530
520
510
500
490
480
470
Temperatura [K]
460
vTPB
i
1
vTPO
i
1
450
440
430
420
TF
410
400
390
380
370
360
350
340
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
xg
i 1
Fração Molar de Ácido benzóico
Figura 3
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ART
P = 1.013 bar
1.2
1.1
1
0.9
0.8
y
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
x
Eq. Modelo alpha médio
y=x
Eq. Modelo alpha=f(T)
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:
S-102
S-103
S-104
S-101
S-105
C-101
Destilador
(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 ?
1.0
Fração molar no Refervedor
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0
20
40
60
80
% 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.
Curva de Equilíbrio Octano & Etilbenzeno
@ 1.0133 bar
410
Temperatura [K]
405
400
395
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Fração molar - Benzeno (1)
0.7
0.8
0.9
1.0
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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?
Curva de Equilíbrio Água (1) Ácido Acético (2)
@ 1.0133 bar
Curva de Equilíbrio Benzeno (1) Ácido Acético (2)
@ 1.0133 bar
395
395
390
390
385
Temperatura [K]
Temperatura [K]
380
375
370
385
380
365
360
375
355
350
370
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Fração molar - Benzeno (1)
0.7
0.8
0.9
1.0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Fração molar - Água (1)
0.7
0.8
0.9
1.0
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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
Composição
Entalpia
[ ºC ]
[% molar de benzeno]
[ 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 ) = 1,9 ⋅ x
(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) = 0.185 ⋅ x
• 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
y = 0.3 ⋅ 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
Lop
S
Lmin
S
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
Lop
S ?
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0.15
0.14
0.13
0.12
0.11
0.1
0.09
0.08
Y( Xg )
Yop( Xg )
Ymin( Xg )
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0
0
0
0
0.05
0.1
0.15
0.2
Xg
0.25
0.3
0.35
0.4
0.4
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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:
y = 4.05 ⋅ x 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.
(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 ' = 2.20 × X '
onde Y’ é a razão mássica entre o soluto (acetaldeído) e o solvente (tolueno) e X’ a razão mássica entre o soluto e o cosolvente (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
X'
Y'
0.000915
0.001025
0.001135
0.0016
0.001525
0.00291
0.00204
0.00533
0.00256
0.00794
Y ' = 145514
. * ( X ') 2 − 0.901851 * X '+0.000793586
0.00399
0.0201
C.C.= 0.999769
0.00523
0.036
orgânica respectivamente.
(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]
0,322
0,117
0,039
0,0061
0,0011
X’
0,150
0,122
0,094
0,059
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]
0,322
0,117
0,039
0,0061
0,0011
X’
0,150
0,122
0,094
0,059
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:
X ' = 0.191 ⋅ Ceq
0.218415
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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