UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIAFACULDADE DE ENGENHARIA QUÍMICA GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE ALIMENTOS FEQUI OPERAÇÕES UNITÁRIAS III - LISTA 1 1) Revise de forma sucinta, os seguintes conceitos da termodinâmica química: a) equilíbrio líquido-vapor; lei de Raoult; lei de Dalton; lei e constante de Henry. b) diagramas termodinâmicos: diagrama ELV, curva de solubilidade. c) análise e construção dos diagramas ELV: diagrama pressão-composição, diagrama temperatura-composição, diagrama entalpia-composição, e diagrama y versus x. 2) Determinar as frações molares dos componentes de uma solução aquosa de etanol numa mistura com 30 %, em peso, de etanol. Dados - pesos moleculares: C2H5OH: 46 H2O: 18 3) Usualmente o ar atmosférico contém (porcentagens em volume) 79 partes de nitrogênio (peso molecular de 28 - N2) e 21 partes de oxigênio (peso molecular de 32 - O2). Calcule as frações molares dos componentes e o peso molecular médio da mistura. 4) Calcular a variância do sistema NH3 - H2Ona fase vapor. Quais são as variáveis que você escolheria para a especificação completa desse sistema. 5) A constante da lei de Henry para o CO2 em água à 25 ºC é de 1, 6 105 kPa fração molar de CO na água . Calcular a solubilidade percentual do 2 CO2 (peso) na água nessas condições (25 ºC) se a pressão de vapor do dióxido de carbono na água é de 200 kPa. Dado - lei de Henry: p AS H x ,A em que pAS : pressão de vapor do componente A (CO2) no líquido; H : constante de Henry para o sistema (nesse caso, CO2 e H2O); xA : fração molar de A (CO2) no líquido. Av. João Naves de Ávila, 2121 – Campus Santa Mônica – Bloco 1K –CEP: 38408-144 – Uberlândia – MG – Brasil - Tel.: 34 3230-9401 a 3230-9408 Av. Getúlio Vargas, 230 – Campus Patos de Minas – Palácio de Cristal - CEP: 38700-128 - Tel.: 34 3823-1917 ou 34 3821-0588 www.feq.ufu.br – e-mail: [email protected] c) a temperatura do ponto de bolha da mistura com concentração molar de 20 % de C3H8O e 80 % H20 a 50.67 kPa. e) a temperatura do ponto de orvalho da mistura com concentração molar de 20 % de C3H8O. . 7) Equilíbrio líquido-vapor: Os dados de pressão de vapor para a mistura hexano-octano são apresentados na Tabela 1 a seguir: Tabela 1: Pressão de vapor do n-hexano e n-octano (101. b) a temperatura de ebulição da H20 pura a 50. Figura 1: diagrama T versus xy para o sistema C3H8O-H20 a 50.67 kPa.6) Para o sistema C3H8O (isopropanol)-H20 a 50. da Figura 1: a) a temperatura de ebulição do C3H8O puro a 50. f) a composição do líquido em equilíbrio com o vapor na condição de azeótropo.67 kPa. d) a composição do vapor em equilíbrio com o líquido na temperatura de bolha encontrada em "c".67 kPa.67 kPa. determinar no diagrama de fases (ELV).325 kPa). 9) Uma mistura à 200 mol/h de líquido à temperatura de ebulição.608 110. d) destilação multicomponente. Encontrar também a eficiência global.788 0. 8) Sobre a operação de destilação (modos de operar/conduzir.487 0.185 0. com 42 % molar de um componente A.2 0.8 0. em que x e y são as frações molares de A. e) queda de pressão do vapor num prato de uma coluna de pratos.904 100.7 0.2 0.233 122.335 0. é submetida a um processo de fracionamento numa coluna de pratos operando à 101. A razão de refluxo é de refluxo com líquido saturado é de 2.0 0. b) destilação extrativa. alimentação múltipla.000 129.000 1. dissertar a respeito de: a) destilação por arraste.2 0. Determine o número real de estágios/pratos necessários para a separação. altura ou nível de líquido equivalente no downcomer.729 106.251 0. c) destilação azeotrópica.32 kPa. Montar o diagrama de ponto de ebulição (T versus composição ou T versus x e y) para esse sistema. Deve-se produzir um destilado com 97 % molar de A e um produto de fundo com 1.514 116.080 0.5 1. Tabela 2: Dados de equilíbrio para A-B à 101.5 0. Neste sentido.000 . neste caso.000 0.963 98.0 0.914 0.5:1. correntes laterais etc).651 0. f) método Ponchon-Savarit para cálculo de colunas de pratos. projeto de equipamentos etc) determinados conceitos ou especificidades não foram abordados em sala de aula (por exemplo. métodos de cálculo. Os Dados de equilíbrio para o sistema binário estão apresentados a seguir (Tabela 2 e/ou Figura 2).9 0.834 103. que a eficiência de Murphree para os pratos é de 55 %.32 kPa Temperatura Fração molar (ºC) líquido vapor 136. Estima-se.428 119.1 % molar de A. máxima velocidade do vapor na coluna de pratos perfurados. 4. Obs. ou seja. B . produtos de elevada pureza. 10) Uma planta química deve separar uma mistura com 75 % molar de metanol e 25 % molar de água.005 0.: A . Dica: dividir o diagrama em três regiões: Região I: Região II: Região I: 0.90 ≤ x ≤0.9999 .heptano. e o refluxo é constituído de líquido saturado.etil benzeno. A razão de refluxo no topo da coluna é de 1. b) o refluxo mínimo.90 0.00002 ≤ x ≤0.002 %.15 mols de vapor saturado ascendente é condensado no prato de alimentação. de tal forma que cada mol da corrente de alimentação. A alimentação é constituída de líquido frio ou sub-resfriado. O destilado deve conter 99.99 % molar de metanol e o produto de fundo de 0.005 < x <0. Os dados de equilíbrio para o sistema metanol-água são fornecidos Tabela 3 (ou Figura 3). Figura 2: Dados de equilíbrio para A-B à 101. Calcule: a) o número mínimo de estágios.32 kPa. 0. 517 65.915 87.080 0.7 0.779 93.000 1.870 89.230 71.0 x (Fração molar do metanol na fase líquida) 11) Seja o EX.2 0.2 0.3 0.9 0.5 0.8 0.5 0.1 0. 1.979 81.4 0. Tabela 3: Dados de equilíbrio para mistura metanol-água à 101.020 0.958 84.100 0.8 0.150 0.005 de acetona.000 75.6 0.3 0.0 y (Fração molar do metanol na fase vapor) 0.1 resolvido em sala de aula.1 0.3 0.300 0.9 1. para uma absorção de acetona de 97%.0 0.729 96.665 Figura 3: Dados de equilíbrio para mistura metanol-água à 101.3 0.1 0. exercício de absorção de acetona por um óleo: determine o número de estágios ideais requeridos para a coluna.0 0.418 66.0 0. As demais condições operacionais são mantidas.5 0.400 0.304 69.0 0.4 0.825 91.3 0.0 0.200 0.7 0.6 0. sabendo que óleo absorvedor é alimentado no topo da coluna com uma fração molar de 0.950 0.600 0.000 78.32 kPa.700 0.000 0.134 73.2 0.7 0.900 0.060 0.4 0.0 0.579 64.7 0.6 0.2 0.32 kPa Temperatura Fração molar Temperatura Fração molar (ºC) xA yA (ºC) xA yA 100.365 67.800 0.040 0.4 0.5 1.500 0. . Figura 4: esquema do sistema de separação por coluna de destilação. a quantidade de líquido residual. A separação é feita a 1.825 0.3 0.959 1. a composição do líquido residual.729 0.32 kPa X 0.0 y 0.579 0.8 0.5 0.2 % (molar) de metanol.780 0.1 0. A carga inicial de 50 mols da mistura contém 80 % (molar) de metanol.6 0.915 0. Encontrar a quantidade de destilado recolhida. Deseja-se produzir um destilado com composição média de 89. São dados a respeito das cargas alimentadas nos pratos ótimos: .871 0. Tabela 4: Dados de equilíbrio para mistura metanol-água à 101.417 0.0 atm e os dados de equilíbrio encontram-se na Tabela 4.4 0.000 13) Seja a seguinte coluna de destilação (Figura 4).2 0.12) Deseja-se utilizar uma unidade simples de destilação de separação por vaporização (apenas um estágio de equilíbrio) para separar metanol e água.9 1.699 0. operada para separar uma mistura formada por benzeno (A) e tolueno (B).7 0. com uma mistura de líquido saturado.78. Sabendo que a razão de refluxo operacional é igual a 4. Pede-se: a) a taxa (vazão) (mols/s) e a fração molar do componente mais volátil no produto de fundo. sabe-se: benzeno no produto de topo: 90 % (em mols). levando em conta as suposições de McCabe-Thiele. 15) Uma coluna de destilação contínua em multiestágios (retificação) deve ser projetada para separar uma alimentação com 25 % molar de acetona e 75 % molar de metanol. respectivamente. b) a taxa (vazão) (mols/s) das fases líquido e vapor. respectivamente. b) a taxa de produto de topo. no ponto de bolha. na alimentação (corrente) F1: 100 mols/s de A e 100 mos/s de B. deve ser separada em uma coluna de destilação operando a 101. na seção intermediária da coluna. na alimentação (corrente) F2: 30 mols/s de A e 70 mos/s de B.32 kPa. 90 % e 10 % de benzeno. benzeno recuperado no topo: 90 %. A eficiência de Murphree dos pratos é de 70 %. A razão de refluxo deve ser de 8. operação com razão de refluxo igual a 2. c) a taxa de produto de fundo. e o produto de fundo é retirado neste reboiler. d) a razão de refluxo mínimo. com 70 % da mistura vaporizada. para produzir um destilado com 78 % molar de acetona e um produto de fundo com 1 % molar de acetona. 14) Uma alimentação de 100 mols/h de uma mistura equimolar de benzeno e tolueno. produzindo um produto de topo e um produto de fundo com. Os calores latentes de ambos componentes são de . Em relação à separação. A alimentação é constituída de uma mistura contendo 30 % de líquido e 70 % de vapor. Li e Vi . O condensado (refluxo e produto de fundo) deixa o condensador a 25 ºC e o refluxo retorna para a coluna nesta temperatura. determine: a) o número ideal de estágios. Um refervedor externo deve ser utilizado.52. isto é. contendo 35 % em base molar de etanol é destilada a 101.300 0.6 0.600 0. cp = 1 cal/g K). b) o calor retirado no condensador total e fornecido pelo refervedor.65 0. e uma razão de refluxo de refluxo igual a 3. 7700 cal/gmol.700 0.513 56.55 0. Os dados de equilíbrio são apresentados na Tabela 6. Tabela 5: Dados de equilíbrio para mistura acetona-metanol à 760 mmHg Fração molar de acetona Temperatura (ºC) líquido vapor 64. Os dados de equilíbrio (temperatura-composição) para o sistema acetona-metanol mostrados na Tabela 5.725 55.400 0. b) o calor requerido no refervedor.322 58.800 56. em Btu/(mol de produto de topo).500 0.0 0.102 62. composições e temperaturas do destilado e do produto de fundo. c) a quantidade de água no condensador (ΔT: 20 a 40 º C.5 0. 16) Uma corrente de etanol-água. OBS. c) o calor removido no condensador.000 63.32 kPa para obter um destilado com 82 % e um produto de fundo contendo 2 % de álcool em base molar.3 0.000 1.200 0.800 0. Determine: a) as quantidades.05* 0.000 0. .050 0.656 55.186 60. Tem-se uma alimentação de 12000 kmol/h. cuja entalpia é de 4000 kJ/kmol.1 1.428 57.586 56.7 0.2 0. em Btu/(mol de produto de topo).: adotar como base de cálculo: 1 mol de destilado.5 0.4.100 0.000 * azeótropo Determinar: a) o número real de pratos dispostos em posição abaixo e acima do prato de alimentação. 0 0.4773 0. A relação y* = 1.1436 0.8022 8944 48703 78.7788 0.0000 0.3 0.3 0.3036 7124 48237 87.8.5685 7393 48389 81.9x representa o equilíbrio nas condições operacionais.0 0.8 0.3 1.4273 6879 48267 84. uma mistura de acetona e ar deve ser separada de modo que 90 % da acetona serão absorvidos por um óleo. a concentração molar de acetona no líquido (óleo absorvedor+acetona) é de 1. Visando analisar o desempenho da separação. qual a composição das correntes que saem do estágio? . Tabela 6: Dados de equilíbrio para o sistema etanol-água a 101.0000 1. calcular analiticamente (por Kremser) o número teórico (ou ideal) de pratos.32 kPa Temperatura Fração molar Entalpia (kJ/kmol) (ºC) líquido vapor líquido vapor 100. A operação resulta em 60 e 40 mols.0000 7540 48148 95.1 0. respectivamente.7028 8471 48638 78.7 0. e) o número teórico de pratos e a localização do prato de alimentação.3699 0.4929 6915 48302 82. Considerando os dados de equilíbrio fornecidos na Tabela 7.2813 0.1 0.0891 0. 18) Um estágio simples de equilíbrio é utilizado a pressão absoluta de 101.0202 0.0417 0. de líquido e vapor.6013 7750 48412 80. respectivamente.33 kP para vaporizar 100 mols de uma mistura formada por 40 e 60 % (em mols) de n-pentano e n-heptano. Na corrente que entra topo.6102 0.5 %.6438 8105 48440 79. A mistura entra na base da coluna com uma concentração de 25 % (em mols) de acetona.1915 7311 48148 91.0 0.0000 9523 48950 17) Em uma coluna de pratos.2 0. d) a quantidade de vapor saturado requerido no refervedor a 10 atm. No efluente a base da coluna (líquido) a fração molar de acetona é de 0. 925 0.000 .836 0.000 0.059 0.32 kPa.521 0.984 0.271 0.154 0.254 0.Tabela 7: Dados de equilíbrio para o sistema a 101.398 0.000 1.000 0.867 0. Fração molar líquido vapor 1.701 0.594 0.