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Processos Industriais
Conversão de Unidades.
- A massa específica de uma substância A é 1,20 g/cm^3.
a. (^) Calcule a massa de 250 litros dessa substância, em kg. b. Para uma vazão mássica de 20 lb de A/h determine a vazão volumétrica de A em ml/min. c. Calcule a densidade de uma mistura líquida formada pela mistura de 20 l de A com 3ft3 de uma substância B (d=0,879), assumindo que o volume da mistura é a soma dos volumes de seus componentes.
2. Converta os seguintes dados para as respectivas unidades no SI. a) 30 hp, b) 200 Btu, c) 14 psi Expresse os resultados com dois algarismos significativos. 3. 65 m3/h de benzeno são alimentados em um reator. a) Qual a vazão mássica em kg/h? b) Qual a vazão molar em mols/s? 4. O ácido nítrico à 10oC possui massa específica ρ = 1,531 g/cm3, enquanto uma solução aquosa contendo 40% em peso de HNO3 possui uma massa específica de 1, g/cm3. Você precisa de uma quantidade de solução igual a 40% que contenha exatamente 31,5 g de HNO3. a) Calcule o volume requerido em litros de solução a 40% em peso de HNO3. b) Suponha que você não conhece o valor da massa específica da solução de ácido nítrico. Recalcule o item anterior a partir da consideração de aditividade dos volumes dos componentes da solução. 5. Uma suspensão de partículas de carbonato de cálcio flui em uma tubulação. Você tem a tarefa de determinar a vazão e a composição desta suspensão. Para isso coletaram-se dados experimentais. A suspensão foi coletada em um cilindro graduado durante 1 minuto. Este cilindro foi pesado, a água da suspensão foi evaporada em uma estufa e o cilindro foi pesado novamente. Os seguintes resultados foram obtidos:
- massa do cilindro vazio =65 g
- massa do cilindro + suspensão =565 g
- massa do cilindro após evaporação =215 g Calcule:
a) As vazões mássica e volumétrica de suspensão b) A fração mássica de carbonato de cálcio (CaCO^3 ) na suspensão
6. Uma mistura equimolar de gases contém etileno, etano e propano. Calcule as frações mássicas dos componentes da mistura e a massa molecular média da mesma. 7. A análise do fluxo populacional em uma grande cidade mostrou que, em média, 50.000 pessoas chegam na cidade a cada ano, enquanto 35.000 pessoas deixam a
cidade. Na mesma cidade nascem 22.000 crianças por ano e são registrados 19. óbitos. Escreva um balanço populacional para esta cidade.
8. Qual a quantidade de água a ser removida de um material em um secador, para abaixar o conteúdo de umidade de 100 kg do mesmo de 75% para 12%? Assuma que o conteúdo de umidade é expresso em base úmida (% em peso). 9. Em uma indústria de laticínios, todo o leite recebido é centrifugado para a obtenção de creme de leite e de leite com teor de gordura inferior. Que quantidade de creme de leite com 36% de gordura pode ser obtida a partir de 200 kg de leite integral contendo 3,8% de gordura, sabendo-se que o leite desnatado possui 0,05% de gordura? 10. 100 ml/min de uma solução aquosa de NaOH de concentração 5 molar (densidade relativa, dr=1,18) são misturados a uma solução aquosa 10 molar de NaOH (densidade relativa, dr=1,37) para se produzir uma solução contendo 11,7% em moles de NaOH. Determine a vazão requerida (em ml/min) de solução 10 molar de NaOH. 11. Na indústria de laticínios a “padronização” é o processo de obtenção de um produto com uma composição desejada (padrão desejado), a partir de uma mistura de componentes. Qual a quantidade de leite com 3,5% de gordura deve-se misturar com creme de leite (nata) contendo 35% de gordura para obter-se 3.000 kg de um outro creme de leite com 15% de gordura? 12. Um classificador de maçãs por tamanho classifica as frutas em grandes e pequenas. A separação não é perfeita, mas é importante para a comercialização das frutas. Após a classificação, as frutas saem do equipamento através de duas esteiras, chamadas esteira inferior e esteira superior. A fração de maçãs grandes que saem na esteira superior é cinco vezes superior à fração de maçãs grandes na esteira inferior. Cem mil (100.000) maçãs passam pelo classificador a cada dia, sendo que 40% são classificadas como grandes. Sabe-se também que 30.000 maçãs saem pela esteira superior a cada dia. Encontre as frações de maçãs grandes em cada esteira e o fluxo total de maçãs na esteira inferior. 13. Uma granja produtora de ovos classifica os mesmos em “grandes” e “extragrandes”. Infelizmente, os negócios da empresa não vão bem e a mesma não pode substituir a velha máquina alemã, que data da segunda guerra mundial, a qual, antes de quebrar, realizava a classificação dos ovos. A solução encontrada foi colocar funcionários para realizar a tarefa manualmente. Em uma das esteiras, a empresa colocou um funcionário chamado Orlando, o qual possuía dois carimbos: um com a inscrição “extragrande”, o qual era mantido na sua mão esquerda e outro com a inscrição “grande”, mantido na sua mão direita. No final da esteira, um outro funcionário colocava os ovos em caixas, de acordo com as inscrições carimbadas. Este sistema funcionou bem, mas Orlando tinha a “mão pesada” e quebrava 30% dos 120 ovos que passavam por ele a cada minuto. Por outro lado, uma contagem dos ovos “extragrandes” no final da linha mostrou uma taxa de 70 [ovos/minuto], dos quais 25 [ovos/minutos] estavam quebrados. a) Faça o fluxograma do processo, escreva e resolva os balanços para os ovos quebrados e para os ovos totais. b) Quantos “ovos grandes” passam pela esteira a cada minuto. c) Qual a fração dos “ovos grandes” é quebrada por Orlando? d) O funcionário é destro ou canhoto? 15. Flocos de batata, com umidade inicial igual a 75% (base úmida) são desidratados em um secador operando com fluxos de produto e de ar de secagem em concorrente. A vazão mássica de ar seco que entra no secador é 100 kg ar seco/h, cujas taxas de
24. Deseja-se preparar um suco de laranja doce concentrado. O suco inicial recém extraído possui 5% de sólidos e deseja-se aumentar esta concentração para 10% através da evaporação. Adicionando açúcar depois da evaporação, deseja-se alcançar um suco concentrado com 20% de açúcar. Calcular a quantidade de água que se deve eliminar e o açúcar que se deve adicionar para cada 1000kg de suco inicial extraído (M1). 25. Um leite desnatado possui 90% de água, 4,0% de proteínas, 5,1% de carboidratos, 0,1% de gordura e 0,8% de cinzas. O leite integral (original) tem 4,5% de gordura. Calcular a porcentagem original de cada um dos componentes no leite integral. 26. Para se beneficiar o cacau se utiliza um processo onde se realiza uma lavagem seguida desecagem. Para se secar o cacau utiliza-se ar com uma umidade de 0,015 kg de água/kg de ar seco e uma temperatura de 25ºC. Este ar passa por um pré-aquecedor, de onde sai com a mesma umidade e com 60ºC, seguindo para o secador. O cacau entra no secador com uma umidade de 40% e sai com 8% de umidade (para a conservação do cacau). A alimentação de cacau é de 500kg/h e o ar sai do secador com 0,105kg água/kg de ar seco. Qual a vazão de ar necessária? Quantos kg/h de cacau saem do secador? 27. Na elaboração da farinha, o trigo deve ser processado com uma umidade de 0,15 g água/ g sólidos secos. Os grãos entram no moinho com uma umidade de 11,4% (BU). Qual a quantidade de água deve ser adicionada para cada 100kg de grãos? 28. Uma empresa vende suco de uva concentrado para ser reconstituído, misturando-se uma lata deste concentrado com 3 volumes iguais de água. O volume de concentrado é, portanto, um quarto do volume de suco fresco. Entretanto, descobriu-se que se obteria um sabor e aroma superiores concentrando o suco fresco a um quinto do seu volume inicial e então misturando um certo volume de suco fresco (by pass), para desta forma se obter um “concentrado 1 O teor de sólidos totais é dado pela soma dos sólidos solúveis e dos sólidos não-solúveis presentes no suco (polpa da fruta). O Brix de um suco (medido com o auxílio de um refratômetro) se refere apenas aos sólidos solúveis. superior” contendo um quarto do suco fresco original. Se a alimentação é de 100 litros de suco fresco, quantos litros de superconcetrado se podem preparar para serem adicionados ao suco fresco (para se produzir o concentrado desejado de 1:4? Desprezar a influência do volume de sólidos nos volumes dos sucos. 29. Um processo de produção de lactose cristalizada consiste na pré-concentrção de um xarope (solução) de lactose até 8 lb [lactose/galão de água] em um evaporador, antes de enviar o mesmo para um cristalizador. Sabe-se que 2500 lb de xarope concentrado chegam ao cristalizador, onde a temperatura é reduzida de 135oF até 50oF. A lactose cristaliza com uma (1) molécula de água de cristalização (lactose.H2O). Qual a massa total de lactose cristalizada obtida? Dados: - Solubilidade da lactose a 50oF é igual a 1,5 lb lactose/10 lb de água - Massa molecular da lactose = 342,3 lb/lbmol 30. Deseja-se produzir 1000 kg/h de Na (^) 3PO4.12H (^) 2O cristalizado a partir de uma solução contendo 5,6% em peso de Na3PO4 e traços de impurezas. Esta solução é inicialmente concentrada em um evaporador até 35% em peso de Na3PO4. Após esta etapa a solução
é enviada para um cristalizador, onde a mesma resfriada até a temperatura de 293 K e os cristais hidratados e a solução “mãe” são separados. Um quilograma em cada 10 kg de solução mãe é descartado (rejeito com as impurezas) e o restante é reciclado para o
evaporador. A solubilidade do Na3PO4 à 293 K é 9,91% p/p. Calcule os valores das correntes de solução alimentada e de água evaporada.
31. 1200 g de Ba(NO (^) 3) 2 são dissolvidos em água com 10% em excesso para formar uma solução saturada à 90 °C. Nesta temperatura a solubilidade é de 30,6 g Ba(NO (^) 3) 2 / 100 g de água. A solução é então esfriada até 20°C e, nesta temperatura, a solubilidade é de 3,6 g de Ba(NO (^) 3) (^) 2/100 g de água. Calcular a massa de água necessária para formar essa solução e a massa de cristais obtidos a 20°C. 52. Deseja-se produzir 500 lb de gelo seco por hora, a partir da combustão do heptano. Sabe-se que 50% do CO 2 produzido é convertido em gelo seco. Quantas libras de heptano devem ser queimadas por hora?
Reação: C 7 H 16 + O 2 CO 2 + H 2 O Massas atômicas e moleculares:
TROCADOR DE CALOR
1. INTRODUÇÃO
1.1. O QUE É e COMO SE PROCESSA? Transferência de Calor (ou Calor) é energia em trânsito devido a uma diferença de temperatura. Sempre que existir uma diferença de temperatura em um meio ou entre meios ocorrerá transferência de calor. Por exemplo, se dois corpos a diferentes temperaturas são colocados em contato direto, como mostra a figura 1.1, ocorrera uma transferência de calor do corpo de temperatura mais elevada para o corpo de menor temperatura até que haja equivalência de temperatura entre eles. Dizemos que o sistema tende a atingir o equilíbrio térmico. Está implícito na definição acima que um corpo nunca contém calor, mas calor é indentificado com tal quando cruza a fronteira de um sistema. O calor é portanto um fenômeno transitório, que cessa quando não existe mais uma diferença de temperatura. Os diferentes processos de transferência de calor são referidos como mecanismos de transferência de calor. Existem três mecanismos, que podem ser reconhecidos assim:
- Quando a transferência de energia ocorrer em um meio estacionário , que pode ser um sólido ou um fluido, em virtude de um gradiente de temperatura, usamos o termo transferência de calor por condução. A figura 1.2 ilustra a transferência de calor por condução através de uma parede sólida submetida à uma diferença de temperatura entre suas faces.
- Quando a transferência de energia ocorrer entre uma superfície e um fluido em movimento em virtude da diferença de temperatura entre eles, usamos o termo transferência de calor por convecção. A figura 1.3 ilustra a transferência de calor de calor por convecção quando um fluido escoa sobre uma placa aquecida.
- Quando, na ausência de um meio interveniente , existe uma troca líquida de energia (emitida na forma de ondas eletromagnéticas) entre duas superfícies a
Como visto, a transferência de calor é importante para a maioria de problemas industriais e ambientais. Como exemplo de aplicação, consideremos a vital área de produção e conversão de energia:
- na geração de eletricidade (hidráulica, fusão nuclear, fóssil, geotérmica, etc) existem numerosos problemas que envolvem condução, convecção e radiação e estão relacionados com o projeto de caldeiras, condensadores e turbinas.
- existe também a necessidade de maximizar a transferência de calor e manter a integridade dos materiais em altas temperaturas
- é necessário minimizar a descarga de calor no meio ambiente, evitando a poluição térmica através de torres de refrigeração e recirculação. Os processos de transferência de calor afetam também a performance de sistemas de propulsão (motores a combustão e foguetes). Outros campos que necessitam de uma análise de transferência de calor são sistemas de aquecimento, incineradores, armazenamento de produtos criogênicos, refrigeração de equipamentos eletrônicos, sistemas de refrigeração e ar condicionado e muitos outros.
1.4. METODOLOGIA DE RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS EM TRANSFERÊNCIA
DE CALOR
De modo a se obter maior produtividade, a resolução de problemas de transferência de calor deve seguir um procedimento sistemático que evite a "tentativa-e-erro". Este procedimento pode ser resumido em 5 itens :
- Saber : Leia cuidadosamente o problema
- Achar : Descubra o que é pedido
- Esquematizar : Desenhe um esquema do sistema. Anote o valor das propriedades
- Resolver : Desenvolver a resolução mais completa possível antes de substituir os valores numéricos. Realizar os cálculos necessários para obtenção dos resultados.
- Analisar : Analise seus resultados. São coerentes? Comente se necessário 2. MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR A transferência de calor pode ser definida como a transferência de energia de uma região para outra como resultado de uma diferença de temperatura entre elas. É necessário o entendimento dos mecanismos físicos que permitem a transferência de calor de modo a poder quantificar a quantidade de energia transferida na unidade de tempo (taxa). Os mecanismos são:
- Condução
- Radiação
- Convecção ⇒ depende de um ΔT e transporte de massa
2.1. CONDUÇÃO
A condução pode se definida como o processo pelo qual a energia é transferida de uma região de alta temperatura para outra de temperatura mais baixa dentro de um meio (sólido, líquido ou gasoso) ou entre meios diferentes em contato direto. Este mecanismo pode ser visualizado como a transferência de energia de partículas mais energéticas para partículas menos energéticas de uma substância devido a interações entre elas.
O mecanismo da condução pode ser mais facilmente entendido considerando, como exemplo, um gás submetido a uma diferença de temperatura. A figura 2. mostra um gás entre duas placas a diferentes temperaturas:
- O gás ocupa o espaço entre 2 superfícies (1) e (2) mantidas a diferentes temperaturas de modo que T1 > T2 (o gás não tem movimento macroscópico);
- Como altas temperaturas estão associadas com energias moleculares mais elevadas, as moléculas próximas à superfície são mais energéticas (movimentam-se mais rápido);
- O plano hipotético X é constantemente atravessado por moléculas de cima e de baixo. Entretanto, as moléculas de cima estão associadas com mais energia que as de baixo. Portanto existe uma transferência líquida de energia de (1) para (2) por condução Para os líquidos o processo é basicamente o mesmo, embora as moléculas estejam menos espaçadas e as interações sejam mais fortes e mais freqüentes. Para os sólidos existem basicamente dois processos (ambos bastante complexos )
- sólido mau condutor de calor : ondas de vibração da estrutura cristalina
- sólido bom condutor de calor: movimento dos eletrons livres e vibração da estrutura cristalina.
2.2. CONVECÇÃO
A convecção pode ser definida como o processo pelo qual energia é transferida das porções quentes para as porções frias de um fluido através da ação combinada de : condução de calor, armazenamento de energia e movimento de mistura. O mecanismo da convecção pode ser mais facilmente entendido considerando, por exemplo, um circuito impresso (chip) sendo refrigerado (ar ventilado), como mostra a figura:
- A velocidade da camada de ar próxima à superfície é muito baixa em razão das forças viscosas ( atrito ).
- Nesta região o calor é transferido por condução. Ocorre portanto um armazenamento de energia pelas partículas presentes nesta região.
- Na medida que estas partículas passam para a região de alta velocidade, elas são carreadas pelo fluxo transferindo calor para as partículas mais frias. No caso acima dizemos que a convecção foi forçada, pois o movimento de mistura foi induzido por um agente externo, no caso um ventilador. Suponhamos que o ventilador seja retirado. Neste caso, as partículas que estão próximas à superfície continuam recebendo calor por condução e armazenando a energia. Estas partículas tem sua temperatura elevada e, portanto a densidade reduzida. Já que são mais leves elas sobem trocando calor com as partículas mais frias (e mais pesadas) que descem. 1 0 0 0 C E Neste caso dizemos que a convecção é natural (é óbvio que no primeiro caso a quantidade de calor transferido é maior). Um exemplo bastante conhecido de convecção natural é o aquecimento de água em uma panela doméstica como mostrado na figura 2.3. Para este caso, o movimento das moléculas de água pode ser observado visualmente.
2.5. REGIMES DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR
O conceito de regime de transferência de calor pode ser melhor entendido através de exemplos. Analisemos, por exemplo, a transferência de calor através da parede de uma estufa qualquer. Consideremos duas situações: operação normal e desligamento ou religamento. Durante a operação normal, enquanto a estufa estiver ligada a temperatura na superfície interna da parede não varia. Se a temperatura ambiente externa não varia significativamente, a temperatura da superfície externa também é constante. Sob estas condições a quantidade de calor transferida para fora é constante e o perfil de temperatura ao longo da parede, mostrado na figura 2.5.(a), não varia. Neste caso, dizemos que estamos no regime permanente.
Na outra situação consideremos, por exemplo, o desligamento. Quando a estufa é desligada a temperatura na superfície interna diminui gradativamente, de modo que o perfil de temperatura varia com o tempo, como pode ser visto da figura 2.5. (b). Como consequência, a quantidade de calor transferida para fora é cada vez menor. Portanto, a temperatura em cada ponto da parede varia. Neste caso, dizemos que estamos no regime transiente. Os problemas de fluxo de calor em regime transiente são mais complexos. Entretanto, a maioria dos problemas de transferência de calor são ou podem ser tratados como regime permanente.
2.6. SISTEMAS DE UNIDADES
As dimensões fundamentais são quatro : tempo, comprimento, massa e temperatura. Unidades são meios de expressar numericamente as dimensões. Apesar de ter sido adotado internacionalmente o sistema métrico de unidades denominado sistema internacional (S.I.), o sistema inglês e o sistema prático métrico ainda são amplamente utilizados em todo o mundo. Na tabela 2.1 estão as unidades fundamentais para os três sistemas citados :
SISTEMA TEMPO, t COMPRIMENTO,L MASSA m TEMP. S.I. segundo,s metro,m quilograma,kg Kelvin,k INGLÊS segundo,s pé,ft libra-massa,lb Farenheit,oF MÉTRICO segundo,s metro,m quilograma,kg celsius,oC
VALVULAS
As válvulas dentro de um processo industrial podem representar até 15% de toda a instalação. Esta porcentagem pode ficar ainda mais elevada se a válvula do tipo e tamanho corretos não for especificada.
Afinal o rendimento de uma bomba, ou de algum outro equipamento, que tenha que operar em conjunto com uma válvula, podem ser seriamente reduzidos pela falta de conhecimento sobre esses acessórios. Muitas vezes onde se aplica um determinado tipo de válvula, nem sempre um outro pode ser aplicado.
Se a válvula for selecionada somente pela bitola da tubulação, independente de se escolher o modelo correto para a aplicação, pode resultar numa válvula subdimensionada, causando uma redução na eficiência do processo; por outro lado se estiver superdimensionada pode haver gastos desnecessários com instalação e manutenção. Por exemplo, onde se aplica uma válvula gaveta para bloqueio, se fosse aplicada uma válvula do tipo globo, esta deveria ser até três vezes maior para permitir a mesma quantidade de fluido permitida pela válvula gaveta.
O dimensionamento correto pode ser feito através de cálculos especificos de acordo com o estado físico do fluido, se líquido ou gasoso.
Com isto pode ser selecionada a válvula correta quanto à bitola, materiais corretos quanto a resistência à corrosão de acordo com o fluido e minimizar o ruído e a possibilidade de cavitação com a aplicação de internos apropriados.
Dentro de uma indústria quÍmica, farmacÊutica, petroquímica, papel e celulose, siderurgica, etc, as válvulas podem ser divididas em três segmentos a saber: industriais, segurança e controle.
Industriais : a maioria normalmente são válvulas de acionamento manual e os principais tipos são: gaveta, globo, retenção (acionamento pelo próprio fluido de processo), guilhotina, diafragma, mangote, esfera, borboleta e macho;
De segurança : válvulas de segurança e/ou alívio carregadas com mola e piloto operadas e também são acionadas pela própria ação do fluÍdo e utilizadas em equipamentos sujeitos a pressÕes superiores a pressão atmosférica;
Válvulas automáticas de controle : são válvulas interligadas a uma malha de controle e acionadas em resposta a um comando que pode ser pneumático, elétrico ou eletropneumático, através de sensores e controladores automáticos. elas aumentam ou reduzem a taxa de fluxo dentro de um processo controlando pressão, temperatura, Ph, nível, etc.
Elas não dependem da experiência de um operador como acontece com as válvulas industriais. Estas válvulas (as automáticas de controle) podem ser dos tipos globo sede simples ou sede dupla, globo gaiola, globo três vias, esfera segmentada, obturador excêntrico, dessuperaquecedores de vapor, etc.
O conhecimento das diferenças entre essas válvulas vem auxiliar o usuário na especificação e seleção da válvula correta para uma determinada aplicação. Nem todas podem operar com a mesma pressão e temperatura.
Entre os diversos tipos de válvulas existentes no mercado o usuário pode perceber que não existe uma única válvula que seja ideal para todas as aplicações, porém, que existe sempre uma válvula melhor para cada aplicação.
O sucesso ou fracasso de uma planta industrial depende também da correta seleção destas válvulas. Os problemas com válvulas durante a operação de um processo são muitas vezes mais caros do que o custo de se escolher a válvula correta logo na primeira vez. Elas envolvem custos, porém, quando são selecionadas corretamente, fornecem benefÍcios.
