Balanços de Massa e Energia: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 8 exercícios, com soluções completas no final.

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1Fórmulas e métodos

Balanço de massa

Regime permanente
entrada = saída
Balanço total
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
Balanço por componente
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
Evaporador
F·xF = P·xP, W = F − P

Balanço de energia

Calor sensível
Q = ṁ·cp·ΔT
Calor latente
Q = ṁ·hfg
Mistura
ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
Água
cp ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Lei dos gases ideais

Lei dos gases ideais
pV = nRT
Constante dos gases
R = 8,314 J/(mol·K)
Lei geral dos gases
p1V1/T1 = p2V2/T2
Mols
n = m/M
Temperatura
T[K] = T[°C] + 273,15

Estequiometria

Mols
n = m/M
Concentração
c = n/V
Razão molar
use os coeficientes da equação balanceada
Reagente limitante
o que acaba primeiro
Rendimento percentual
real / teórico × 100%

Método

  1. Escreva e balanceie a equação química.
  2. Converta a massa dada em moles: n = m/M.
  3. Use os coeficientes como razão molar para encontrar os mols da substância desejada.
  4. Converta de volta para massa com m = n·M. Com dois reagentes, encontre primeiro o reagente limitante.

2Exercícios

1.Balanço de massaMédia
MisturadorCorrente 1600 kg/h · 35% açúcarCorrente 2ṁ₂ = ? · 20% açúcarProduto30% açúcar

Quanto da corrente 2 deve ser adicionado por hora à corrente 1 para que o produto da mistura contenha 30% de açúcar? Encontre ṁ2.

ṁ1 = 600 kg/hx1 = 35 %x2 = 20 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F4300 kg/h · 8% NaOHProduto P40% NaOHVapor W (água pura)W = ? kg/h

Um evaporador concentra uma solução de NaOH evaporando água pura. Encontre a água evaporada W em kg/h.

F = 4300 kg/hxF = 8 %xP = 40 %
W = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado frioetanol · 130 °C90 °Cágua · 15 °Ct = ? °C

etanol quente resfria água em um trocador de calor em contracorrente sem perda de calor. Encontre a temperatura de saída da água tout.

ṁh = 2,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 130 → 90 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado friomistura de glicol · 180 °C100 °Cágua · 10 °C80 °C · ṁ = ?5% perdido

mistura de glicol quente aquece água em um trocador que perde para o ambiente 5% do calor liberado pela corrente quente. Encontre a vazão de água ṁc necessária.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 180 → 100 °Ct: 10 → 80 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 5 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
350 g de O₂P = 250 kPaT = 45 °CV = ?

Que volume V ocupam 350 g de O₂ a 250 kPa e 45 °C? Trate como gás ideal.

m = 350 gM = 32 g/molP = 250 kPaT = 45 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Lei dos gases ideaisDifícil
Estado 1Estado 2

Uma quantidade fixa de N₂ passa de 100 kPa, 20 L, 40 °C para 750 kPa e 80 °C. Encontre o novo volume V2.

P1 = 100 kPaV1 = 20 LT1 = 40 °CP2 = 750 kPaT2 = 80 °C
V2 = L
7.EstequiometriaMédia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

20 g de CH4 e 48 g de O2 reagem segundo CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. Que massa m de H2O se pode formar?

M(CH4) = 16,04M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.EstequiometriaDifícil
m(Fe2​O3​)n(Fe2​O3​)n(Fe)m(Fe)÷ M(Fe2​O3​)× 2/1× M(Fe)

Na reação Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2, 16 g de Fe2O3 reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 10,18 g de Fe. Calcule o rendimento percentual Y.

M(Fe2O3) = 159,69 g/molM(Fe) = 55,85 g/molreal: 10,18 g
Y = %

3Soluções

1.Balanço de massa

Resposta: ṁ2 = 300 kg/h

Balanço de massa em regime permanente: entrada = saída para o total e para cada componente. Problemas de mistura combinam os dois.

Balanços

Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
açúcar: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Resolva para ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 600·(35 − 30)/(30 − 20) = 300 kg/h

Resposta

ṁ2 = 300 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: W = 3440 kg/h

Componente de amarração: um componente que passa inalterado em uma só corrente (aqui o soluto) liga as vazões diretamente. Depois o balanço total dá o resto.

Balanço do soluto

F·xF = P·xP → P = 4300·8/40 = 860 kg/h

Balanço total

W = F − P = 4300 − 860 = 3440 kg/h

Resposta

W = 3440 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 34,46 °C

Balanço de energia do trocador: sem perdas, ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).

Calor liberado pela corrente quente

Q = 2,5·2,44·(130 − 90) = 244 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 244/(3·4,18) = 34,46 °C

Resposta

tout = 34,46 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 1,403 kg/s

Balanço de energia com perdas: calor liberado = calor absorvido + calor perdido.

Calor liberado

Qh = 1,5·3,6·(180 − 100) = 432 kW

Calor que chega à água

Qc = (1 − 0,05)·432 = 410,4 kW

Vazão de água

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 410,4/(4,18·70) = 1,403 kg/s

Resposta

ṁc = 1,403 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: V = 115,7 L

Lei dos gases ideais: PV = nRT, com n = m/M.

Mols

n = 350/32 = 10,94 mol
T = 45 + 273,15 = 318,1 K

Volume

V = nRT/P = 10,94·8,314·318,1/250 = 115,7 L

Resposta

V = 115,7 L
6.Lei dos gases ideais

Resposta: V2 = 3,007 L

Lei geral dos gases: para uma quantidade fixa de gás ideal, P1V1/T1 = P2V2/T2.

Temperaturas absolutas

T1 = 313,1 K, T2 = 353,1 K

Lei geral dos gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(100/750)·(353,1/313,1) = 3,007 L

Resposta

V2 = 3,007 L
7.Estequiometria

Resposta: m = 27,03 g

Estequiometria: uma equação acertada conta partículas, não gramas. Converta a massa em moles com n = m/M, use os coeficientes da equação como razão molar e volte à massa com m = n·M. Com dois reagentes, o reagente limitante é o que se esgota primeiro e fixa quanto produto se forma.

Moles de cada reagente

n(CH4) = 20/16,04 = 1,247 mol
n(O2) = 48/32 = 1,5 mol

Reagente limitante

1,247/1 = 1,247, 1,5/2 = 0,75 → O2

Massa de produto

n(H2O) = 0,75·2 = 1,5 mol
m = 1,5·18,02 = 27,03 g

Resposta

m = 27,03 g
8.Estequiometria

Resposta: Y = 90,96 %

Estequiometria: uma equação acertada conta partículas, não gramas. Converta a massa em moles com n = m/M, use os coeficientes da equação como razão molar e volte à massa com m = n·M. Com dois reagentes, o reagente limitante é o que se esgota primeiro e fixa quanto produto se forma.

Rendimento teórico

n(Fe2O3) = 16/159,69 = 0,1002 mol
m = 0,1002·2/1·55,85 = 11,19 g

Rendimento percentual

Y = 10,18/11,19·100 = 90,96%

Resposta

Y = 90,96%

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