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.

Novos exercíciosVoltar à disciplina

Na janela de impressão, escolha “Salvar como PDF” para guardar uma cópia no seu dispositivo.

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 1550 kg/h · 30% açúcarCorrente 2ṁ₂ = ? · 5% açúcarProduto25% açúcar

Quanto da corrente 2 deve ser adicionado por hora à corrente 1 para que o produto da mistura contenha 25% de açúcar? Encontre ṁ2.

ṁ1 = 550 kg/hx1 = 30 %x2 = 5 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F3700 kg/h · 5% NaOHProduto P30% 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 = 3700 kg/hxF = 5 %xP = 30 %
W = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado friomistura de glicol · 170 °C100 °Cágua · 15 °Ct = ? °C

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

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 170 → 100 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado frioóleo leve · 130 °C100 °Cágua · 25 °C45 °C · ṁ = ?10% perdido

óleo leve quente aquece água em um trocador que perde para o ambiente 10% do calor liberado pela corrente quente. Encontre a vazão de água ṁc necessária.

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 130 → 100 °Ct: 25 → 45 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 10 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
20 g de O₂P = 300 kPaT = 5 °CV = ?

Que volume V ocupam 20 g de O₂ a 300 kPa e 5 °C? Trate como gás ideal.

m = 20 gM = 32 g/molP = 300 kPaT = 5 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Lei dos gases ideaisDifícil
Estado 1Estado 2

Uma quantidade fixa de CO₂ passa de 100 kPa, 10 L, 30 °C para 750 kPa e 70 °C. Encontre o novo volume V2.

P1 = 100 kPaV1 = 10 LT1 = 30 °CP2 = 750 kPaT2 = 70 °C
V2 = L
7.EstequiometriaMédia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

30 g de H2 e 80 g de O2 reagem segundo 2H2 + O2 → 2H2O. Que massa m de H2O se pode formar?

M(H2) = 2,016M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.EstequiometriaDifícil
m(Al)n(Al)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(Al)× 2/2× M(AlCl3​)

Na reação 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3, 6 g de Al reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 26,09 g de AlCl3. Calcule o rendimento percentual Y.

M(Al) = 26,98 g/molM(AlCl3) = 133,33 g/molreal: 26,09 g
Y = %

3Soluções

1.Balanço de massa

Resposta: ṁ2 = 137,5 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) = 550·(30 − 25)/(25 − 5) = 137,5 kg/h

Resposta

ṁ2 = 137,5 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: W = 3083 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 = 3700·5/30 = 616,7 kg/h

Balanço total

W = F − P = 3700 − 616,7 = 3083 kg/h

Resposta

W = 3083 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 45,14 °C

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

Calor liberado pela corrente quente

Q = 1,5·3,6·(170 − 100) = 378 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 378/(3·4,18) = 45,14 °C

Resposta

tout = 45,14 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 0,6782 kg/s

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

Calor liberado

Qh = 1·2,1·(130 − 100) = 63 kW

Calor que chega à água

Qc = (1 − 0,1)·63 = 56,7 kW

Vazão de água

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 56,7/(4,18·20) = 0,6782 kg/s

Resposta

ṁc = 0,6782 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: V = 4,818 L

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

Mols

n = 20/32 = 0,625 mol
T = 5 + 273,15 = 278,1 K

Volume

V = nRT/P = 0,625·8,314·278,1/300 = 4,818 L

Resposta

V = 4,818 L
6.Lei dos gases ideais

Resposta: V2 = 1,509 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 303,1 K, T2 = 343,1 K

Lei geral dos gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(100/750)·(343,1/303,1) = 1,509 L

Resposta

V2 = 1,509 L
7.Estequiometria

Resposta: m = 90,1 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(H2) = 30/2,016 = 14,88 mol
n(O2) = 80/32 = 2,5 mol

Reagente limitante

14,88/2 = 7,44, 2,5/1 = 2,5 → O2

Massa de produto

n(H2O) = 2,5·2 = 5 mol
m = 5·18,02 = 90,1 g

Resposta

m = 90,1 g
8.Estequiometria

Resposta: Y = 87,99 %

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(Al) = 6/26,98 = 0,2224 mol
m = 0,2224·2/2·133,33 = 29,65 g

Rendimento percentual

Y = 26,09/29,65·100 = 87,99%

Resposta

Y = 87,99%

ExamProblems · examproblems.com/courses/material-and-energy-balances