Exercícios – Balanço de energia com e sem reações Interprete todos os valores encontrados como resposta.

1) Questões introdutórias a balanços de energia

a. Quanto calor deve ser fornecido para transformar água em vapor? Expresse a resposta por massa e por mol de água. b. Qual o calor de vaporização da água a 85°C? c. Vapor saturado a 26 °C é condensado. Qual a variação de entalpia? d. Vapor saturado a 200 kPa condensa. Qual a variação de entalpia? e. Qual a entalpia da água líquida a 35°C, adotando como estado de referência (H=0) a temperatura de 10°C? f. Qual o estado físico da água a 100 °C e 100 kPa? E a 100 °C e 500 kPa? g. Qual a mudança de entalpia associada com o aquecimento de ácido succínico de 15 a 120°C? E com o resfriamento de etileno glicol de 20 a 10°C? h. Explique o que é um sistema em estado estacionário e transiente. i. Quais os tipos de energia envolvidos em bioprocessos, e porque alguns termos da equação geral do balanço de energia são desconsiderados? j. O que é trabalho de eixo? k. Quais as unidades de calor e trabalho no SI e AE, e qual a relação entre elas? l. Classifique as seguintes propriedades como intensivas ou extensivas: Concentração, Massa molar, Fração mássica e fração molar, Temperatura, Massa, Peso, volume específico, Entalpia (H), Pressão atmosférica, aceleração da gravidade, vazão mássica, vazão molar, ponto de ebulição, calor específico, calor padrão de combustão (∆h°c).

2) (Exercício 5.4 Pauline) Vapor é usado para aquecer um meio nutriente em um processo contínuo. Vapor saturado a 150 °C entra em uma serpentina que envolve um recipiente de aquecimento e é completamente condensado. Meio entra no recipiente a 15 °C e sai a 44 °C. Perdas de calor para a vizinhança são estimadas como 0,22 kW. Se a vazão de meio é 3250 kg.h

-1 e Cp = 0,9 cal.g

-1.°C

-1, qual a massa de vapor necessária? Rta.:

168 kg.

3) (Exemplo 22.4 Himmelblau adaptado). Uma corrente de meio de cultivo entra a 15 °C em um trocador de calor contínuo, e sai a 25 °C. Água é usada para o aquecimento, fluindo em uma serpentina, na qual entra a 70 °C e sai a 35 °C. Qual deve ser a razão entre a vazão mássica de água e de meio? Considere um meio diluído, cujas propriedades são iguais às da água. O trocador de calor é perfeitamente isolado, nenhum calor é perdido para o ambiente. Rta.: 0,29

4) (Exemplo 5.8 Pauline). Ácido cítrico é produzido em cultivo submerso em um reator batelada operado a 30°C. Em um período de 2 dias, 2500 kg de glicose e 860 kg de oxigênio são consumidos, amônia é usada como fonte de nitrogênio, produzindo 1500 kg de ácido cítrico, 500 kg de biomassa, CO2 e água. Um impelidor consome 15 kW, considere inexistência de atrito, de modo que toda energia consumida é transferida para o líquido. Cerca de 100 kg de água é evaporada durante a batelada. Estime o resfriamento necessário. Assuma que o calor de reação a 30 °C é -460 kJ.gmol

-1 de O2 consumido. Rta.: 1,51.10

7 kJ.

5) (Exemplo 24.8 Himmelblau adaptado) Para esterilizar um meio de cultivo, vapor saturado a 300 kPa entra em um trocador de calor e é condensado completamente. Para evitar destruição térmica de nutrientes, por aquecimento em pontos específicos, o meio é continuamente agitado, por um impelidor que consome 2,0 kW, desconsidere qualquer perda de energia por atrito nas partes móveis do sistema de agitação, de modo que esta energia é totalmente transferida ao líquido. 150 kg/min de meio em uma corrente contínua entra a 50°C e é considerado esterilizado quando alcança 75°C na saída. Embora o sistema tenha um isolamento, calor é perdido para o ambiente a 1,63 kW. Qual deve ser a injeção de vapor? Obs.: considere as propriedades do meio iguais às da água. Rta.: 7,08 kg.min

-1.

6) (Exemplo 5.5 Pauline) No processo de downstream do ácido glicônico, meio de fermentação concentrado contendo 20% (w/w) de ácido glicônico é resfriado em um trocador de calor, para posterior cristalização. 2000 kg.h

-1 deste meio deixa um evaporador a 90°C e deve ser resfriado até 6°C. O resfriamento é feito com 2700

kg.h-1

de água inicialmente a 2°C. Se a temperatura final da água de resfriamento é 50 °C, qual é a taxa de perda de calor do ácido para a vizinhança? Assuma Cp do ácido igual a 0,35 cal g

-1.°C

- 1 Outros componentes do meio

podem ser considerados água. Rta.: 69.529 kJ/h. resolvido em aula 2015

Universidade Federal do Rio Grande - FURG

Escola de Química e Alimentos

Curso de Engenharia Bioquímica

Disciplina de Introdução aos Bioprocessos Industriais

Professora Michele da Rosa Andrade Zimmermann de Souza – 2015