ELEMENTOS DE ENGENHARIA QUÍMICA · Elementos de Engenharia Química, LEGI - Problemas 1 1- As Indústrias de Processos Químicos e Biológicos em Portugal: Conceitos básicos de

ELEMENTOS DE ENGENHARIA QUÍMICA

Colecção de Enunciados de Problemas de Referência

(Nova Edição/ Julho 2016)

Licenciatura em Gestão Industrial

Departamento de Engenharia Química

Elaborado por:

Prof. Clemente Pedro Nunes

Prof. Susete Martins Dias

Prof. M. Lurdes Serrano

Elementos de Engenharia Química, LEGI - Problemas

1

1- As Indústrias de Processos Químicos e Biológicos em Portugal: Conceitos básicos

de localização industrial

1.1- Indique uma indústria química pesada e/ou média já instalada em cada um dos

seguintes distritos:

- Bragança

- Castelo Branco

- Faro

Indique em seguida uma indústria química que na sua opinião, devidamente justificada,

tenha em princípio boas condições para se desenvolver em cada um dos referidos distritos.

1.2- Indique três indústrias químicas de importância existentes nos distritos de Santarém e

Leiria. Apresente um diagrama de blocos simplificado duma dessas indústrias, indicando as

razões da sua localização.

1.3- Considere que pretendia instalar duas grandes unidades, uma para a produção de

salsichas e conservas de carnes, outra para a produção de sabonetes e desodorizantes,

podendo apenas escolher entre as cidades de Setúbal e da Guarda. Em que cidade instalaria

cada uma dessas unidades? Apresente as principais razões da sua escolha em cada um dos

casos.

1.4- Indique duas importantes fábricas de pasta de celulose e analise criticamente a sua

localização. Referencie de modo sucinto as vantagens da sua interligação com a indústria

do papel.

2 - Grandezas e unidades: Conversões e Análise dimensional. Tratamento de dados

numéricos: Interpolação linear.

2.1- Oxigénio líquido é alimentado a um motor de um foguetão à velocidade mássica de

452 000 lb/ft2s, calcule a velocidade mássica em g/cm2s.

2.2- A massa específica de um dado fluido é dada pela seguinte correlação empírica

ρ = 1,13 exp(1,2x10-8 P)


2

em que ρ é expressa em g/cm3 e a pressão, P, em Pascal.

a) Diga quais as unidades das constantes numéricas que figuram na equação?

b) Que forma assumiria a equação para a Pressão em atm.

2.3- No escoamento turbulento de gases simples como o ar, oxigénio e dióxido de carbono,

o cálculo do coeficiente de transferência de calor (h) pode ser efectuado através da seguinte

equação:

d0,2

0,8G pC 0,0144 h

onde h é o coeficiente de transferência de calor em Btu/(h ft2 °F), CP é a capacidade

calorífica do gás a pressão constante em Btu/(lb°F), G é o fluxo mássico do gás em lb/(h ft2)

e d é o diâmetro interno da tubagem em ft.

a) Diga quais as unidades da constante numérica que figura na equação?

b) Determine o valor da constante no sistema SI.

c) Considerando que numa tubagem com 0,2 m de diâmetro interno circula ar à

temperatura de 70ºC e à pressão de 1 atm (abs) com um caudal de 130 m3/h,

calcule o coeficiente de transferência de calor.

Dados adicionais: Cp(ar), [cal /mol ºC] = 6,713 + 0,04697. 10-2 T + 0,1147.10-5 T2 , T = temperatura em

Kelvin

2.4 - A constante dos gases perfeitos, R, tem o valor de 1,987 se as unidades forem

[cal/(mol K)]. Determine o valor de R se as unidades forem [atm L /( mol K)]

2.5- A tensão de vapor do acetonitrilo líquido (CH3CN) para três valores de temperatura é

indicada na seguinte tabela:

T (K) Pv (mmHg)

268,15 20

289,05 60

300,15 100

Estime a tensão de vapor a 280,85 K usando:

a) Interpolação linear directa com os valores da tabela

b) Interpolação linear baseada na equação de Clausius-Clapeyron:


3

ln (Pv1 / Pv2) = (ΔHvap/R) ((1/T2) - (1/T1))

em que ΔHvap é o calor de vaporização da substância, R a constante dos gases perfeitos e

T a temperatura absoluta.

2.6 - A expressão que permite calcular a viscosidade () de um líquido puro é dada por:

V

T)/ T exp(3,8h N bμ

em que h é a constante de Planck, N é o número de Avogadro, V é o volume molar, Tb é a

temperatura normal de ebulição e T é a temperatura a que se pretende determinar o valor da

viscosidade, ambas em graus absolutos.

a) Faça a análise dimensional da expressão

b) Indique as unidades da viscosidade no sistema CGS.

c) Determine a temperatura normal de ebulição do benzeno tendo em atenção, os

valores da pressão de vapor em função da temperatura indicados na tabela:

Pv (mmHg) T (ºC)

200 42,2

400 60,6

1520 103,8

d) Calcule a viscosidade do Benzeno líquido a 20 ºC sabendo que a d = 0,876

3 – Variáveis do Processo: Cálculos de Volume, Pressão, Caudais, Composição e

densidade

3.1 - Considere uma piscina cujas dimensões internas são 32 ft de comprimento, 16 ft de

largura e 8 ft de profundidade.

a) Sabendo que o volume útil é de 90% da capacidade total da piscina, calcule a

quantidade de água, em m3, que esta contém quando está cheia.

b) Qual o peso desta água em lbf ?

c) Qual o peso da estrutura da piscina em kgf ?

d) Qual a pressão (em atm) exercida sobre o fundo quando a piscina está cheia?


4

Dados adicionais: A piscina é constituída por cimento Portland (densidade relativa 2,5) e as suas

paredes e o fundo têm 4 polegadas de espessura.

3.2- Considere um depósito cilíndrico com um diâmetro = 4 ft e uma altura h = 12 ft onde

se pretende armazenar um óleo com a densidade de 0,85.

a) Determine a capacidade máxima do tanque em m3.

b) Determine a massa de óleo dentro do tanque em lb, se o nível de óleo no

tanque for de 10 ft.

c) Determine a pressão exercida no fundo do tanque em atmosferas. Admita que

o tanque está fechado, a uma temperatura de 20 ºC. O óleo encontra-se sob uma

atmosfera inerte constituída por azoto que exerce uma pressão uniforme de

1300 gf /cm2 sobre a superfície do óleo.

d) Determine a massa de azoto que está contida no tanque, nas condições da

alínea anterior.

3.3 - Considere o esquema a seguir apresentado. O tubo A é um tubo cilíndrico (com 5 cm

de diâmetro) para escape de segurança de um reservatório fechado contendo um líquido

volátil. A peça B, cónica, de ferro-carbono, com o peso de 24 kg apoia-se perfeitamente na

extremidade do tubo cilíndrico A. A tensão do vapor em equilíbrio com o líquido é dada

pela expressão: pV (mmHg) = 210 + 2,1 T + 0,01 T2, em que T é a temperatura de equilíbrio,

em K.

Determine qual a temperatura que terá de ser atingida no interior do reservatório para que

se verifique uma descarga de vapor para a atmosfera. (Problema de exame)

10 cm

5

cm

vapor

Líquido

2,5 m

cm

A

B


5

3.4 - Azoto líquido pressurizado contido num reservatório cilíndrico, com 5 metros de

altura e 3 metros de diâmetro, é libertado na atmosfera que se encontra à temperatura

ambiente de 15ºC.

a) Qual o volume que este azoto vai ocupar na atmosfera?

b) Qual seria esse volume se a temperatura ambiente fosse de 40ºC?

c) O que irá acontecer à temperatura das paredes do reservatório cilíndrico e à da

atmosfera envolvente durante o processo? Justifique e comente.

Dados adicionais: Densidade do azoto líquido: d = 0,808

3.5 - A é uma caldeira fechada contendo azoto comprimido, cuja única saída é para o

manómetro de mercúrio B; este encontra-se aberto para a atmosfera no seu topo e, é

constituído por três troços cilíndricos sobrepostos com o eixo vertical, tendo o superior e o

inferior o mesmo diâmetro, de acordo com a figura:

Calcule, justificando quando apropriado:

a) A que pressão absoluta, em atmosferas, se encontra o vapor na caldeira A, na

situação apresentada na figura.

b) A que pressão absoluta, em psia, se encontraria a caldeira A se, o nível inferior

do líquido no manómetro B estivesse 15 cm mais acima do que na figura e se, se

encontrasse em equilíbrio nessa posição.

Dados adicionais: Densidade do mercúrio (Hg): d = 13,6

1 cm

A

B

5 cm

10 cm

40 cm

20 cm

3 m

Hg


6

3.6 – Considere uma esfera de 4 m de raio onde se encontra armazenado propano à

temperatura de 25 ºC. Abrindo a válvula A, o manómetro de mercúrio (B) aberto para a

atmosfera apresenta um desnível igual a 60 cm.

a) Determine o volume de gás propano que se espalha na atmosfera circundante,

caso haja uma rotura na esfera de armazenagem, se esta se encontrar à

temperatura de 35 ºC.

b) Determine a energia libertada pela combustão deste gás em kWh.

Dados: Poder calorífico do Propano: Pc = 530,605 kcal/mol

3.7 – Petróleo bruto de densidade 30 ºAPI, está armazenado num tanque cilíndrico de

100 000 m3 de capacidade e 25 m de altura.

a) Determine o erro cometido, em toneladas, ao introduzir um erro de um

centímetro na leitura do nível.

b) Diga qual é a densidade deste petróleo no sistema SI.

3.8- Uma esfera de 4 m de raio encontra-se cheia de propano (C3H8) comprimido à

pressão relativa de 4 atm.

a) Determine o erro introduzido na determinação da massa de propano, em

quilogramas, devido a uma deficiente leitura da temperatura do gás em 2ºC.

b) Calcule a densidade do gás no sistema CGS.

3.9 – Pretende-se bombear um caudal de 20 kg /min de gasolina utilizando uma bomba

eléctrica, de modo a vencer um desnível de 30 m. Considerando que a eficiência da bomba

é de 75% e que a perda de carga é desprezável, determine:

a) A pressão que a bomba terá de desenvolver, em atm.

b) A potência que a bomba terá de desenvolver, em kW.

c) O custo da electricidade consumida por dia pela bomba.

Dados adicionais: densidade da gasolina = 0,75; Preço da electricidade = 0,093 € / kWh

(Problema de Exame)

30º 10 cm

C3H8 (g)

T =25ºC

A 60 cm


7

3.10 – Pretende-se bombear 5000 lb/h de ácido sulfúrico puro a 20 ºC, através de uma

tubagem de aço, com 1 polegada de diâmetro, colocada horizontalmente. Calcular a perda

da pressão por unidade de comprimento (P/L) na conduta, sabendo que:

P = 4 f (L/d) ( u2 /2)

em que d e L são, respectivamente o diâmetro e o comprimento da conduta, é a densidade

do fluido, u é a velocidade superficial e f é o factor de atrito da Fanning. Este factor,

adimensional, é função do material da tubagem e do nº adimensional de Reynolds (Re).

Dados adicionais: Número de Reynolds: Re = (d u / ) , em que é a viscosidade do fluido;

Densidade do ácido, = 1,83; Gráfico de f = F( Re, Material)

3.11 - Para determinar a velocidade de escoamento dos fluidos em condutas, existem

diversos tipos de equipamentos disponíveis comercialmente. O medidor de orifício é um

desses equipamentos. A perda de pressão através de um orifício, instalado numa conduta,

pode ser medida através de um manómetro acoplado à conduta (manómetro diferencial),

como indicado na figura.

Reynolds number

Fan

nin

g F

rict

ion F

acto

r

Direcção

do fluxo

Orifício

h

P2

P1


8

Por sua vez a perda de pressão na tubagem, P, está relacionada com a velocidade de

escoamento, u, através da seguinte relação (deduzida com base na Mecânica de Fluidos):

P = C u2

em que é a densidade do fluido processado e C é uma constante.

a) Efectue a análise dimensional da expressão anterior e determine as unidades

da constante C no Sistema Internacional.

b) Considere que na tubagem cilíndrica, com 38 cm de diâmetro interno, circula

água à temperatura de 25 °C. Determine o caudal volumétrico de água,

admitindo que o fluido manométrico é mercúrio e que o desnível registado, h,

é de 7,6 cm.

(considere C = 1,34).

3.12 – Uma solução aquosa de ácido sulfúrico (H2SO4) a 25 ºC tem uma densidade de

1,4940.

a) Diga qual é a composição mássica desta solução.

b) Exprima a concentração do ácido em lb/galão de solução a 80 ºC.

c) Calcule a fracção molar do H2SO4 na solução.

3.13 – Um gás utilizado como combustível, com a seguinte composição:

Metano (CH4) – 90 %, Etano (C2H6) – 7 %, Propano (C3H8) – 3 %

é bombeado à temperatura de 25 ºC e à pressão de 0,6 kg/cm2 para um tanque de

armazenamento, com um caudal de 200 kg/h.

Calcular:

a) A composição mássica deste combustível.

b) O caudal volumétrico de alimentação ao tanque de armazenagem.

4- Processos Industriais de Engenharia Química/Biológica: Diagrama de blocos,

operações unitárias.

4.1 – Indique três operações unitárias que podem ser utilizadas na separação duma solução

líquida binária nos seus componentes. Refira, em cada um dos casos, qual o agente

separador e qual a propriedade físico-química que determinará o maior ou menor sucesso

da separação


9

4.2 – A crivagem, a filtração, a decantação e a destilação são algumas das operações

unitárias utilizadas em processos de separação.

a) Diga para cada uma delas, indique o estado em que se podem encontrar os

componentes a separar e qual o agente separador.

b) A centrifugação pode ser utilizada em alternativa a algumas das operações

indicadas. Diga quais são e refira em que situação optaria pela centrifugação.

4.3 – Indique, justificando, quais as principais vantagens e inconvenientes na utilização da

extracção líquido-líquido como operação unitária de separação. Refira qual o agente

separador e quais as características físico-químicas que se têm de verificar para garantir o

sucesso duma operação unitária deste tipo.

4.4 –

a) Quais os isótopos naturais cindíveis que conhece?

b) Quais os isótopos naturais férteis que conhece? Explique qual é a sua

importância industrial e económica.

c) Quais as razões das dificuldades técnicas do enriquecimento do urânio? Que

operações unitárias podem ser utilizadas neste caso e porquê?

4.5 - Para efectuar uma reacção química exotérmica em fase gasosa na presença de um

catalizador sólido poroso, foi projectado o seguinte equipamento:

Tubos

Partículas de

catalisador de

ferro

Recipiente de

cromo-aço

Produto

gasoso

Gases de

alimentação

Produto

gasoso


10

Os gases de alimentação formam a corrente ascendente que é aquecida pelo contacto com

os tubos que contêm o catalisador até atingirem a temperatura óptima de início de reacção.

A temperatura da corrente descendente, onde tem lugar a reacção, é mantida dentro dos

limites pretendidos pelo calor retirado pela corrente ascendente.

Depois de analisar cuidadosamente esta operação indique:

a) Para projectar convenientemente este equipamento é necessário utilizar

conhecimentos de que operações elementares?

b) No caso da temperatura dos gases de saída se tornar demasiadamente elevada,

como procederia para a baixar? Explique o raciocínio.

c) Poderia este mesmo equipamento servir para efectuar uma reacção endotérmica

catalítica em fase gasosa?

4.6 – Considere atentamente a seguinte descrição dum processo de fabrico de polietileno de

baixa densidade, apresentado por um licenciador de tecnologia.

1) O etileno fresco é misturado com etileno proveniente da recirculação de baixa

pressão e é comprimido numa primeira fase a 300 bar. Nesta recirculação de etileno de

baixa pressão, é introduzido o oxigénio que actua como iniciador da reacção e um

regulador do tipo de cadeia de síntese.

2) Após esta primeira compressão, a corrente recebe o reciclado a média pressão e é

em seguida comprimida à pressão a que se dá a reacção, i.e., acima de 1800 bar. Em

seguida é introduzida no reactor tubular que consiste basicamente em três zonas: pré

aquecimento, polimerização plena e arrefecimento. A alimentação ao reactor faz-se parte

no início e parte no princípio da terceira zona. A mistura final, polímero+etileno é depois

expandida através duma válvula e segue para o processo de separação/purificação.

3) A secção de separação é constituída por uma primeira etapa em que se liberta

etileno a média pressão que é recirculado. Este etileno é em seguida arrefecido, e

purificado da fracção mais pesada antes de ser reintroduzido na corrente de etileno.

4) A corrente rica em polímero, proveniente da primeira etapa de separação, é

expandida através de um válvula e novamente purificada. A corrente gasosa desta etapa de

purificação é arrefecida, eliminando-se a fracção pesada de óleos, e recirculada para a

corrente de etileno, havendo uma saída de gases para a flare.

5) A corrente de polímeros é cortada, seca e granulada, ficando em seguida pronta

para consumo.


11

Desenhar o diagrama de blocos com indicação dos principais equipamentos (flowsheet

simplificado) correspondente ao processo de fabrico descrito.

4.7 – O fabrico de sal refinado a partir das minas de sal-gema é normalmente feito por:

injecção de água a alta pressão nas cavernas de cloreto de sódio, consequente tratamento da

solução e produção das partículas de NaCl com a granulometria pretendida.

Desenhe esquematicamente, num diagrama de fluxos de correntes, o processo global com a

indicação das operações unitárias que julgar mais convenientes para transformar as

matérias-primas (água à pressão atmosférica e rocha de cloreto de sódio numa mina) em sal

refinado seco, com granulometria pretendida.

5 - Cálculos simples de Balanços de Massa em Processos Industriais sem e com

reacção química

5.1 - Uma solução aquosa de NaOH a 20 % é sujeita a diluição com água pura, num tanque,

originando uma solução a 8 % em NaOH.

Calcule a razão entre os caudais das duas correntes de alimentação ao tanque.

5.2 – Pretende-se obter uma solução aquosa de ácido sulfúrico a 80 % a partir de uma

solução a 60 % desse mesmo ácido. Para o efeito, dispõe-se de uma solução aquosa de

ácido sulfúrico a 98 %.

a) Faça o diagrama de blocos deste processo.

b) Calcule os caudais de alimentação necessários para obter 1ton/h de solução a

80 %.

5.3- Uma mistura contendo 45 % de Benzeno e 55 % de Tolueno (em massa) é alimentada,

com um caudal de 2000 kg/h, a uma coluna de destilação. A corrente obtida no topo

contém 95 % de Benzeno e a corrente de base 92 % de Tolueno. Calcule os caudais dos

produtos obtidos no topo e na base da referida coluna.


12

5.4 – Uma fábrica produz papel com 20 % de humidade. Este papel húmido é alimentado

de modo contínuo a um secador, apresentando à saída um teor de 2 % de água. Calcule a

quantidade de água removida por tonelada de papel húmido inicial.

5.5 - Um combustível gasoso contém 34 % de propano (C3H8), 62 % de butano (C4H10) e

4% de pentano (C5H12). Calcule :

a) A sua densidade em lb/ft3 a 34 ºC e 25 inHg.

b) A composição da corrente gasosa à saída do queimador, admitindo combustão

completa na presença de 20 % de excesso de Ar.

5.6 – A análise elementar de um combustível líquido revelou a seguinte composição em

massa: C = 84%, H2 = 11% e O2= 2,1% e N2 = 2,9%. Este combustível é sujeito a queima

numa caldeira de produção de vapor, originando um gás de combustão contendo 13,3 % de

CO2, O2 e N2 (em base seca). O ar utilizado na combustão contém 0,05 mol de água/ mol de

ar seco.

a) Calcule a % de excesso de Ar

b) Sabendo que os gases de combustão à saída do queimador estão a 400 ºF e 31

inHg (abs) calcule o seu volume (em m3) por kg de combustível queimado.

5.7 – A electrólise do cloreto de sódio (NaCl) produz cloro gasoso e hidróxido de sódio

numa célula electrolítica, através da seguinte reacção:

2 NaCl + 2 H2O → 2 NaOH + Cl2 + H2

Na célula 50 % do NaCl admitido é decomposto sendo o restante eliminado na corrente do

hidróxido de sódio (NaOH). A solução de NaOH assim obtida é concentrada num

evaporador, obtendo-se uma solução aquosa de hidróxido de sódio a 50 %, contendo 1,5 %

de NaCl. O NaCl é posteriormente recuperado por cristalização, seguida de filtração.

a) Faça o diagrama de blocos do processo descrito

b) Considerando que a admissão de NaCl é realizada na forma de uma salmoura

pura com uma densidade de 1,19 a 25 ºC , a um caudal de 25 kg/h, calcule a

produção horária de cloro gasoso e de solução de NaOH a 50 %.


13

5.8 - O acetonitrilo é produzido fazendo-se reagir propileno com amoníaco e oxigénio, de

acordo com a seguinte reacção química:

C3H6 + NH3 + 3/2 O2 C3 H3 N + 3 H2O

A alimentação contém: 10 % de propileno, 12 % de amoníaco e 78 % de ar (%s molares),

sendo 30 % a conversão do reagente limitante.

a) Diga qual dos reagentes é o limitante? Qual a % de excesso do(s)

reagente(s) em excesso.

b) Determine a composição dos gases à saída do reactor

5.9 - Uma das etapas do processo de produção de ácido sulfúrico diz respeito à produção de

SO3, segundo o diagrama em anexo. O enxofre (S) é queimado com 100 % de excesso de

ar num queimador (S+ O2 SO2), verificando-se a conversão de 90 % do enxofre

alimentado. Posteriormente, no convertidor ocorre a transformação do SO2 a SO3 com 95%

de conversão.

a) Calcule a massa de ar utilizado por 100 kg de enxofre alimentado ao processo.

b) Calcule a composição dos gases que abandonam o queimador e o convertidor.

5.10 - A hidrogenação do benzeno a ciclohexano segundo a reacção

C6H6 + H2 → C6H12

realiza-se na presença de um excesso de 50 % de hidrogénio, com uma conversão de 85 %.

A mistura reaccional é arrefecida antes de dar entrada num condensador onde se separam

as fases líquida e gasosa. A corrente líquida é seguidamente destilada para obtenção do

ciclohexano comercial a 98 %. De acordo com os dados indicados no diagrama em anexo,

determine o consumo de matérias-primas por tonelada de ciclohexano comercial obtido.

Queimador

Ar

S

S (não

queimado)

Convertidor

SO2

O2

N2

SO2

SO3

O2

N2


14

(Adaptado de problema de exame)

6 - Cálculos simples de Balanços de Energia sem e com reacção química.

Combustíveis.

6.1 – Calcule o calor que é necessário remover para arrefecer 15 kmol/min de ar de 430 ºC

a 100 ºC.

Dados: A equação da capacidade calorífica do ar

Cp (kJ/molºC) = a + bT + c T2

Composto T a .103 b .105 c .108

Ar ºC 28,94 0,4147 0,3191

6.2 - Uma corrente gasosa contendo 60 % de etano e 40 % de butano é aquecida de 50 ºC a

250 ºC. Calcule o calor que é necessário fornecer quando são processadas 100 mol/h da

referida corrente gasosa.

Nota: Consulte as tabelas de EEQ para obter as expressões das capacidades caloríficas.

6.3 – Certas peças de aço maquinadas são submetidas a um forte aquecimento em fornalha.

Determine o calor útil fornecido na fornalha.

Dados: capacidade calorífica (aço) = 0,12 cal /g ºC.

(Adaptado do Caso 1.1 das Folhas de Processos de Engenharia Química II, M. Fátima Farelo, IST)

Fornalha Peças de aço

25 ºC

5 ton/h QF

900 ºC

Reactor H2

CH4

C6H6 (g)

Condensador

H2 – 96%

CH4 – 1%

C6H6 -3%

Co

lun

a de

Des

tila

ção C6H6 -95%

C6H12 -

C6H6 -

C6H12 – 98%

Nota: As % indicadas são molares


15

6.4 – Uma corrente gasosa efluente de uma câmara de combustão é submetida a

arrefecimento, à pressão atmosférica, de 825 ºC a 25 ºC e apresenta a seguinte composição:

5,2 % de O2, 2,0 % de H2O, 12,35 % de CO2 e N2. Calcule a quantidade de calor, em kJ,

que é necessário remover/ m3 de gás efluente a PTS?

Nota: Consulte a tabela dos Cp médios de gases entre 25 e T ºC.

6.5 - Num determinado processo pretende-se vaporizar n-hexano, C6H14, ( P.Eb.N = 69 ºC)

que se encontra inicialmente a 25 ºC e aquecê-lo até à temperatura de 300 ºC.

Considerando que o processo opera à pressão atmosférica normal, determinar o calor útil a

fornecer ao evaporador por kg de n-hexano alimentado ao evaporador.

Dados: n-hexano:

Cp, líquido = 0,527 cal/gºC [0-50ºC]

Cp, gás = (1,657 +0,1319 *T - 6,844E-05 * T^2), cal/mol ºC; T(k)

Calores de vaporização, cal/g: V25ºC = 87,5 ; V69ºC = 80,48

6.6 – Uma mistura líquida, equimolar, de benzeno e tolueno a 25 ºC é parcialmente

vaporizada de modo contínuo num recipiente a 90 ºC, obtendo-se uma corrente gasosa rica

em benzeno (68,4 %) e uma corrente líquida rica em tolueno (60 %), de acordo com o

diagrama em anexo:

Calcule a quantidade de calor que é necessário fornecer por 100 moles de mistura

alimentada.

6.7 – Calcule a entalpia padrão (H0R) da seguinte reacção:

CaC2(s) + 5 H2O (l) CaO (s) + 2 CO2(g) + 5 H2 (g)

Mistura líquida:

50 % Benzeno

50 % Tolueno

T =25 ºC

Vapor:

68,4 % Benzeno

31,6 % Tolueno

Líquido:

40,0 % Benzeno

60,0 % Tolueno

QF

T =90 ºC

T =90 ºC Nota: As % indicadas são todas molares


16

6.8 - 100 mol/h de NH3 e 200 mol/h de O2 a 25 ºC são alimentadas a um reactor, no qual

ocorre a reacção,

4 NH3 (g) + 5 O2 (g) 4 NO (g) + 6 H2O (g)

com 90 % de conversão. A corrente gasosa, à saída, encontra-se a 300 ºC.

a) Calcule a composição dos gases à saída do reactor

b) Calcule o calor transferido de ou para o reactor, admitindo que a pressão do

sistema é de 1 atm.

Dados:

- Cp (NH3, g) = (6,5846+0,6125 . 10-2 T +0,23663 . 10-5 . T2) em cal/mol K, com T (K)

- Tabelas complementares de apoio à disciplina de EEQ, (pág. 51- tabela 19)

6.9 – O óxido de etileno (C2H4O) é produzido através da oxidação catalítica do etileno

(C2H4),

C2H4 + ½ O2 C2H4O

O ar é admitido ao processo num excesso de 25 %, e a conversão no reactor é de 45 %.

Admita que os reagentes à entrada do reactor se encontram a 25 ºC.

a) Calcule a composição dos gases à saída do reactor.

b) Calcule o calor normal da reacção por mole de óxido de etileno produzido

c) Sabendo que a corrente gasosa à saída do reactor se encontra à temperatura de

450 ºC, calcule a quantidade de calor a remover no reactor por mole de produto

produzido.

6.10 – Calcule o Poder Calorífico Superior de um gás natural que contém 88 % de metano

(CH4) e 12 % de etano (C2H6).

6.11 - Calcule para o carvão, cuja composição é a seguir apresentada, o poder calorífico

superior e o poder calorífico inferior.

Composição do carvão

componente C H2 N2 S cinzas O2 Total

% 71,0 5,6 1,6 2,7 6,1 13,0 100


17

6.12 – Um radiador de aquecimento a gás consome 2 kg de gás butano por hora.

a) Qual a potência (em watts) que um aquecimento eléctrico deve ter para

produzir a mesma potência calorífica?

b) Como compara economicamente estes dois aparelhos de aquecimento sabendo

que: 1 kWh custa 0.09 € e 1 kg de butano custa 1 €?

c) Porque é que em Portugal não é autorizada a venda de gás propano comprimido,

em garrafas, para uso doméstico?

Dados:

-Admita que a eficiência dos aquecimentos tanto a gás como eléctrico é de 60 %.

-O poder calorífico do butano é de 21 293 Btu/lb e o do propano é de 21 646 Btu/lb.

6.13 – A instalação de um novo complexo industrial necessita para seu próprio consumo

que se instale uma capacidade de produção de electricidade de 40 MW. Indique:

a) Qual o consumo anual de carvão para essa central, supondo que se decide

instalar uma central termoeléctrica a carvão.

b) Qual o caudal médio, em m3/s, que teria de ter um rio com 35 m de desnível de

queda útil, onde se instalasse uma central hidroeléctrica para se obter a mesma

potência.

Dados:

- Calor de combustão do carvão: - 5 800 kcal/kg

- Eficiência entálpica duma central termoeléctrica a carvão é de 40 %

- Eficiência das turbinas da central hidroeléctrica é de 75 %.

6.14 – O preço do LNG (Gás Natural Liquefeito: 80 % de metano e 20 % de etano) é de

5,20 US$ /106 BTU no porto de carga dum país exportador. Os custos adicionais de

transporte e outros são de 2,0 US$ /106 BTU, para se obter o produto à saída duma

armazenagem já em Portugal. Por outro lado o custo actual do propano e do butano à saída

duma armazenagem, já em Portugal, é de 350 US$ /ton e 340 US$ /ton, respectivamente.

Qual é o combustível mais económico?

Dados adicionais:

- Custo total do LNG = 7,2 US$ /106 BTU

- Custo total do Propano = 350 US$/ton

- Custo total do Butano = 340 US$ /ton

- Calores de combustão:

Metano = -212,798 kcal/mol; Etano = -372,820 kcal/mol;

Propano = -530,605 kcal/mol; Butano = -687,982 kcal/mol


18

6.15–

a) Calcule a quantidade de 235U necessária, por dia, para o funcionamento de uma

central electronuclear com uma potência de 100 MW. Considere que a reacção

nuclear se efectua pela fissão nuclear do 235U, da seguinte forma:

U23592

+ n10

→ oM10042

+ eX13454

+ 2 ( n10

) + 4 ( β01

) + E

em que a massa-grama destas partículas é a seguinte:

U23592

= 235,11240 g oM10042

= 99,94686 g eX13454

= 133,96517 g

n10

= 1,00898 g 4 ( β01

) = 0,00220 g

b) Compare com a quantidade de carvão requerida para gerar a mesma energia,

por combustão ordinária.

Dados: Eficiência global da Central Electronuclear é de 70% e a da Central a Carvão é de 50%.

6.16 – Responda às seguintes questões:

a) Quais as razões para a dificuldade da separação do U23592

dos outros isótopos

existentes no Urânio natural? Raciocine com base nos conhecimentos que

obteve sobre as operações unitárias de separação de massa.

b) Sabendo que o calor libertado pela combustão total do hidrogénio é de

33 887,6 cal/g e do carbono é de 7 831,1 cal/g, coloque por ordem crescente do

seu poder calorífico, em cal/g, o carbono, o metano e o pentano.

c) Tendo em atenção os dados que obteve na alínea anterior coloque por ordem

crescente do seu poder calorífico por unidade de massa, o carvão o gás natural

e o fuelóleo.

d) Como se comparam o poder calorífico duma gasolina e dum fuelóleo?

Justifique.

Dados: Hºf (CH4) = -17 889 cal/mol; Hºf (C5H12) = -35 000 cal/mol


19

7 – Cálculos simples de Reactores Ideais

7.1 - Pretende-se efectuar a síntese do hexano (C6H14) utilizando propileno (C3H6).

a) Que outro reagente necessitará de utilizar para efectuar esta síntese? Escreva a

equação básica desta reacção.

b) Sabendo que: Gºf (C6H14) = -0,91 kcal/mol

Gºf (C3H6) = 14.96 kcal /mol

Comente a viabilidade tecnológica desta reacção.

c) Em ordem a promover a produção de hexano, deverá esta reacção ser

realizada a altas ou baixas pressões?

7.2 – O ciclohexano (C6H12) pode ser obtido por hidrogenação do benzeno (C6H6) em

fase gasosa.

a) Escreva a equação básica desta reacção.

b) Determine se o percurso reaccional indicado é ou não favorável à produção de

ciclohexano. Justifique.

C6H6(g) C6H12 (g)

Gºf (kcal/mol) 30,98 7,59

7.3 –

a) Defina velocidade de reacção e indique a expressão matemática que a

representa, especificando o significado de cada uma das variáveis.

b) Defina ordem global de reacção. Dê um exemplo.

c) Indique as unidades da constante cinética para uma reacção de ordem global 2,

no sistema CGS.

7.4–

a) Deduza a expressão matemática que permite calcular o volume dum reactor

tipo pistão.

b) Considere dois reactores ideais com o mesmo volume, um tipo pistão e outro

contínuo com agitação (CSTR). Indique, justificando devidamente, qual dos

dois reactores permite obter uma maior conversão.


20

7.5 – A saponificação do acetato de etilo (CH3COOC2H5) por hidróxido de sódio (NaOH)

em solução aquosa é uma reacção relativamente rápida em que a reacção inversa é

desprezável. Admitindo que no início da reacção a concentração inicial de NaOH é de

0,05N, tem-se que a reacção é de 2ª ordem relativamente à concentração do éster e a

constante cinética da reacção expressa em L mol-1min-1 é dada por:

5,83 T 0,00754 T

1780 - K log

em que T é a temperatura em Kelvin.

Considerando que a reacção ocorre num reactor descontínuo, determine:

a) O valor da constante cinética a 50 ºC.

b) O tempo necessário para saponificar 95 % do éster a 50 ºC, sendo a

concentração inicial do acetato de etilo de 3,0 g/L.

7.6 – Uma corrente líquida contendo A e B na concentração de CA = 0,1 mol/L e CB = 0,1

mol/L é introduzida num reactor contínuo com o volume útil de 5 L. Considere que a

estequiometria da reacção é: A + B → C, sendo a velocidade da reacção dada pela

expressão (-rA) = k [A] [B], em que k = 2,5 L mol-1min-1.

Admitindo que o caudal de alimentação ao reactor é de 1 L/min e que a densidade se

mantém constante ao longo do processo, determine a concentração final do produto C na

corrente de saída, considerando:

a) Que o reactor é do tipo CSTR

b) Que o reactor é do tipo pistão ou tubular

7.7 – Calcule o volume de um reactor CSTR capaz de realizar a seguinte reacção de 1ª

ordem: A → B, com uma conversão de 95 % do composto A. A alimentação é feita no

estado líquido com um caudal de 15 L/min e uma composição de 0,25 mol/L de A, 0,3

mol/L de C e 0,05 mol/L de B; C é um composto inerte.

Dados: Constante cinética da reacção k = 5,8.10-3 s-1.

7.8 – A reacção A + 2 B → C + D é efectuada em solução aquosa homogénea num reactor

contínuo com agitação (CSTR), com o volume de 20 L. Considera-se que a velocidade da

reacção é dada pela expressão,

B Ak Cr , em que k = 3,5 L mol-1min-1.


21

Sabendo que o caudal de alimentação ao reactor é de 45 L/h e, que tem uma concentração

em A de 0,4 mol/L e em B de 0,3 mol/L determine a concentração de B na corrente de saída

do reactor.

Nota: Considere que a densidade da mistura reaccional é constante.

7.9 – Dois reactores contínuos com agitação, colocados em série, efectuam a síntese do n-

hexano ( C6H14) a partir do propileno (C3H6) e do hidrogénio em fase gasosa, sendo a

velocidade da reacção dada pela expressão:

H Ck r - 63 H 2 , em que k = 0,22 s-1

para as condições de funcionamento do 2º reactor. O caudal à entrada do 1º reactor é de 4

mol/min de C3H6, 4 mol/min de H2 e 2 mol/min de N2, verificando-se uma conversão de

25% das moles de H2 no 1º reactor. Sabendo que o volume do 2º reactor de 40 L, determine

o caudal molar de hexano à saída do 2º reactor, admitindo que esta corrente de saída tem

uma temperatura de 70 ºC e uma pressão de 2 atmosferas absolutas.

7.10 – Uma corrente gasosa contendo 80 % de um reagente A e 20 % de um reagente B

(%s em volume) com um caudal de 5 mol/min é introduzida num reactor contínuo com

agitação (CSTR) com um volume de 150 L, mantido à pressão de 3 atm (abs) e à

temperatura de 25ºC, onde se dá a reacção: A + B → 2 C , em que se admite que:

B Ak r - A , com k= 0,3 L mol-1s-1.

Determine a concentração dos reagentes na corrente de saída do reactor.

7.11– Considere que a seguinte reacção ocorre a 800ºC e à pressão constante de 1atm (abs),

num reactor pistão: CH4 + S → CH3SH, sendo a velocidade da reacção a essa temperatura

dada pela expressão: S CHk r 4SHH3C , em que [CH4] e [S] são expressas em mol /L.

O valor de k a 800ºC é de 1000 L mol-1s-1. A alimentação faz-se no estado gasoso e contém

30% de CH4, 30% de S e 40% de N2 (%s molares).

Reactor 1

Reactor 2


22

Se o caudal de alimentação à entrada do reactor fôr de 0,1 mol s-1 e o diâmetro do reactor

de 3,0 cm, qual terá de ser o seu comprimento de forma a conseguir uma conversão de

50 %?

8 – Análise das Indústrias de Processos Químicos e Biológicos em Portugal

8.1 – A indústria de aproveitamento da gema ou resina do pinheiro, que nos anos 70 foi um

importante sector da indústria química portuguesa, poderá voltar a assumir um papel

significativo na nossa indústria, pois apresenta grandes possibilidades de desenvolvimento.

a) Apresente um diagrama de blocos relativo à separação da resina do pinheiro

nos seus co-produtos.

b) Indique qual a operação unitária mais importante. Descreva-a muito

resumidamente, no contexto deste processo específico.

c) Refira os distritos do país onde é mais lógico instalar uma unidade deste tipo,

mencionando as principais aplicações dos seus dois co-produtos.

8.2 – A indústria da pasta e do papel representa um dos sectores mais competitivos e mais

rentáveis da economia portuguesa.

a) Quais são os principais processos de produção de pasta de papel? Indique

resumidamente as vantagens e inconvenientes de cada um deles (sob o ponto

de vista do processo em si e das utilizações).

b) Comente a importância económica de aproveitamento da floresta em Portugal

e a sua relevância na indústria química.

8.3 - Descreva o diagrama processual de uma refinaria. Indique:

a) Quais os principais produtos obtidos?

b) As unidades processuais que se podem considerar como reactores catalíticos?

c) Qual a fracção obtida numa refinaria que tem utilização química e não

energética.

8.4 –

a) Quais são os principais intermediários petroquímicos em Portugal?


23

b) Diga qual a localização das respectivas unidades produtoras, comentando-a.

c) Indique duas importantes utilizações para os grandes intermediários

petroquímicos, referindo se são produzidos em Portugal.

8.5 –

a) Refira dois exemplos de indústrias agro-alimentares existentes em Portugal.

Justifique a sua importância.

b) Indique os cuidados especiais que são exigidos nas indústrias agro-alimentares e

que normalmente não são necessárias nas outras indústrias químicas. (Tenha em

atenção, nomeadamente, o objectivo da conservação dos alimentos a longo prazo

que está presente na maior parte destas indústrias).

8.6 - Descreva o diagrama de blocos duma unidade de extracção e purificação de óleos

alimentares. Refira a possível ligação duma unidade deste tipo com o fabrico de sabões.

8.7 –

a) Estabeleça a relação que existe entre as indústrias do amoníaco, ácido nítrico e

adubos.

b) Diga onde se situam as diferentes unidades produtoras de ácido nítrico e de

adubos em Portugal.

c) Refira a ligação existente entre a produção de ácido nítrico e a produção dos

poliuretanos.

BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR

M. Fátima Farelo (2012), “Processos de Engenharia Química e Biológica II”, IST

M. Fátima Farelo e M. Lurdes Serrano (2009), “Processos de Engenharia Química”, AEIST

Felder, R.M.; Rousseau, R.W. (2000), “Elementary Principles of Chemical Processes”, 3ª edição, John Wiley, New York

Himmelblau, D.M. (1996), “Basic Principles and Calculations in Chemical Engineering”, 6ª edição, Prentice Hall PTR, New Jersey

Peters, M.S. (1984), “Elementary Chemical Enginnering”, 2ª edição, McGraw-Hill, Inc.

O. A. Hougen; K.M.Watson e R. A. Ragatz (1972), “Princípios dos Processos Químicos I-

Balanços Materiais e Energéticos”, edição Livraria Lopes da Silva, Porto

Documents

ELEMENTOS DE ENGENHARIA QUÍMICA · Elementos de Engenharia Química, LEGI - Problemas 1 1- As Indústrias de Processos Químicos e Biológicos em Portugal: Conceitos básicos de