Operações Unitárias I Listas de exercícios e apêndices Engenharia

C. e Harriott, P. Unit Operations of Chemical Engineering, 6ª Edição, McGraw-Hill, 2001. Coulson, J. M. Handbook of Industrial Mixing, 1ª Edição, Wiley-Interscience, 2004. Moraes Júnior, D. Silva, E. L. e Moraes, M. Em uma empresa de armazenamento de produtos químicos, os funcionários detectaram um problema com um dos seus tanques de estocagem e necessita executar uma operação de manutenção, entretanto, o tanque está preenchido com tolueno líquido estocado a pressão de vácuo de 0,6 Kgf/cm². O tolueno será transportado por uma bomba centrífuga até um tanque reserva com pressão manométrica de 2Kgf/cm². Calcule a perda de carga das tubulações da sucção e descarga pelo método K. Dados: 𝜌𝑡𝑜𝑙𝑢𝑒𝑛𝑜 = 870 𝐾𝑔/𝑚3 ; 𝜇𝑡𝑜𝑙𝑢𝑒𝑛𝑜 = 0,59 𝑐𝑃; 𝑔 = 10𝑚/𝑠² ;  Vazão volumétrica de tolueno  200 m³/h;  Nível constante nos dois tanques;  Tubulação de aço carbono Sch 40;  Desnível de 32,5 m;  Comprimento de tubo reto na sucção  16,8 m;  Comprimento de tubo reto na descarga  289,4 m;  Acessórios na sucção: 1 entrada de borda, 1 válvula de gaveta aberta, 3 curvas de 90° (R/D=1), 3 uniões e 1 válvula de retenção leve;  Acessórios na descarga: 6 válvulas de gaveta abertas, 3 válvulas de globo abertas, 1 válvula de retenção leve, 12 curvas de 90° (R/D=1), 8 cotovelos de 45° e 1 saída de canalização.

Adaptado de Moraes Júnior, D. ´ 7) O óleo combustível é um derivado do petróleo, sendo utilizado no aquecimento de fornos e caldeiras. A sua produção ocorre a partir do fracionamento do petróleo em uma coluna de pratos, conforme ilustrado na Figura 1. Figura 1 – Unidade de fracionamento de petróleo Selecione e forneça as especificações da bomba B-02, no catalogo das Gould Model Pumps, para o transporte de 250 m³/h de óleo combustível a 21°C do tanque T-02 para o tanque T-03. Verifique se a bomba sofrerá cavitação. Dados: 𝜌 = 960 𝐾𝑔/𝑚3 ; 𝜇 = 595,2 𝑐𝑃; 𝑔 = 9,8𝑚/𝑠² ; 𝛾 = 960 𝐾𝑔𝑓/𝑚³  Nível constante nos tanques; Adote  1 Kgf = 10 N;  Carga de pressão atmosférica de 10 m no tanque T-02  Pressão de vapor a 21°C  2,17 mmHg;  Tubulação de aço carbono Schedule 40;  Diâmetro nominal da sucção e racalque, 10 in.

respectivamente;  Desnível entre (1) e (2) de 8,3 m;  Comprimento reto da sucção  15,8 m; Comprimento reto do recalque  62,3 m;  Acessórios na sucção: 2 válvulas de gaveta aberta, 1 válvula de retenção leve, 3 curvas de 90° (R/D=1) e 1 entrada normal;  Acessórios no recalque: 5 válvulas de gaveta aberta, 2 válvulas de globo aberta, 11 curvas de 90° (R/D=1), 1 válvula de retenção leve e 1 saída de canalização; Dados para a construção da curva da bomba H (m) Q (m³/h) H (m) Q (m³/h) 55 0 24 3,8 43 2,5 12 5,0 35 3,2 5 6,2 11) Uma bomba centrifuga operando a 1480 rpm tem uma maior eficiência para uma vazão de 300 GPM. Nesse caso, em GPM, qual será a vazão para a bomba operar com a maior eficiência a 750 rpm? 12) Petrobras (engenheiro de processamento júnior – 2008) Gasolina a 20°C é bombeada através de uma tubulação com 12 cm de diâmetro e 10 km de comprimento com uma vazão de 75 m³/h.

No ponto de entrada, a pressão absoluta é de 24 atm e no ponto de saída, que está 150 m mais alto que a entrada, tem-se a pressão atmosférica. Nessa situação, e sabendo que a densidade da gasolina é 500 kg/m³, o valor da perda de carga no final da tubulação é igual a a) 800 m b) 830 m c) 850 m d) 900 m e) 1. m 13) Petrobras (engenheiro de processamento júnior – 2011) Uma instalação hidráulica deve ser construída para transportar 0,015 m3/s de água (massa específica = 1 000 kg/m3) entre dois tanques, distantes 100 m um do outro, através de uma tubulação com 100 mm de diâmetro, conforme a figura abaixo. a; d) Velocidade de mínima fluidização em m/h. e) Tipo de fluidização. Dados: viscosidade do ar de 0,0316 cP e fator de lava (λ) de 1,4.

Adaptado de Laboratório de Operações Unitárias II, Moraes 2012). Um leito de partículas de esferas de vidros é fluidizado por água a 28°C. al). Um catalisador, com partículas esféricas de Dp= 50 mícrons e com ρ=1,65 g/cm³, é usado para craquear vapores de hidrocarbonetos, num reator a leito fluidizado que opera a 900°F, sob pressão de 2 atm. O leito, em repouso, tem a porosidade de 0,35 e uma altura de 3 ft. Nas condições de operação, a viscosidade do fluido é 0,02 cP e a sua densidade 0,21 lb/ft³. A vazão de gás é de 20 m³/h e a porosidade do leito é 0,51 (condições de projeto). A altura do leito estático é de 2m. Determinar: a) A velocidade de mínima fluidização; b) A altura do leito durante a fluidização; c) A vazão de gás necessária para fluidizar o leito (Nm³/h); d) A perda de carga, em m.

c. a, no início da fluidização. Gomide, Vol I). Calcule a vazão de ar necessária para iniciar a fluidização. Calcule também a expansão do leito quando se usar uma vazão de ar quatro vezes mais do que a do início de fluidização. A viscosidade do ar é de 0,013 cP e a sua densidade 1,32 kg/m³. Um leito de partículas esféricas de vidro recobertas com bactérias é fluidizado com água poluída a 25°C e pressão local de 1 atm. As partículas possuem um diâmetro de 1 mm e o leito fixo possui uma profundidade de 1,23 metros com porosidade de 0,12. O pitch é 1:1 (pitch igual ao diâmetro). O motor disponível possui uma potência de 8 kW. Este motor é adequado para uma rotação de 800 rpm do agitador? 2) (McCabe, Smith e Harriot).

Qual a potência para o agitador do tanque descrito no exercício 1 se o líquido for trocado por outro líquido com viscosidade de 1 P e as demais condições forem mantidas constantes? 3) (McCabe, Smith e Harriot). Suponha que o impulsor mecânico do exercício 1 tenha sido substituído por um impulsor tipo turbina com 6 pás planas com 400 mm de diâmetro, e o fluido a ser agitado é do tipo pseudoplástico, o qual segue as leis de potência, possuindo uma viscosidade aparente de 15 P e um gradiente de velocidade de 10 s-1. A mesma reação deve ser realizada em um tanque com 7 ft de diâmetro, para o qual uma turbina com 3 ft de diâmetro está sendo avaliada. Quais condições que dão o mesmo tempo de mistura no tanque maior? Qual seria a variação percentual de energia por unidade de volume? Dados: a densidade do líquido é de 60 lb/ft³ e a viscosidade é 5 cP.

McCabe, Smith e Harriot). Uma turbina com 6 pás planas (diâmetro de 3 ft) é usada para a dispersão do gás hidrogênio em um reator contendo linoneato de metila a 90°C e 60 lbf/in² manométrico com 1% de partículas suspensas de catalisador (diâmetro médio de 50 microns e densidade de 44 g/cm³). O reator tem um diâmetro de 9 ft e uma profundidade de líquido de 12 ft. Quando o número de Reynolds é 10000, o tempo de mistura de dois líquidos miscíveis é de 15 segundos. A potência requerida é de 0,4 kW/m³ de líquido. Qual a potência requerida para um tanque co 6ft de diâmetro mantendo-se o mesmo tempo de mistura do tanque da planta piloto? Qual deve ser o tempo de mistura do tanque de 6 ft se a potência por unidade de volume for a mesma que a do tanque da escala piloto? Diagrama de Moody Fonte: Aplicações Industriais de Estática e Dinâmica dos Fluidos I – Deovaldo de Moraes Júnior / Edson Luiz Silva / Marlene Silva de Moraes Fonte: Aplicações Industriais de Estática e Dinâmica dos Fluidos I – Deovaldo de Moraes Júnior / Edson Luiz Silva / Marlene Silva de Moraes Fonte: Aplicações Industriais de Estática e Dinâmica dos Fluidos I – Deovaldo de Moraes Júnior / Edson Luiz Silva / Marlene Silva de Moraes Fonte: Aplicações Industriais de Estática e Dinâmica dos Fluidos I – Deovaldo de Moraes Júnior / Edson Luiz Silva / Marlene Silva de Moraes Fonte: Aplicações Industriais de Estática e Dinâmica dos Fluidos I – Deovaldo de Moraes Júnior / Edson Luiz Silva / Marlene Silva de Moraes Goulds Model 3196 Chemical Process Pumps Designed for Total Range of Industry Services ◦ Capacities to 7000 GPM (1364 m3/h) ◦ Heads to 730 feet (223 m) ◦ Temperatures to 700°F (371° C) ◦ Pressures to 375 PSIG (2586 kPa) Outstanding Features for Outstanding Performance Extended Pump Life • X-Series Power Ends • Patented TaperBoreTM PLUS Seal Chamber • BigBoreTM Seal Chambers • ANSI PLUS ™ Features Ease of Maintenance • Back Pull-out Design • External Impeller Adjustment • Maximum Interchangeability • Optional C-Face Motor Adapter Optimum Hydraulic Performance • Fully Open Impeller • Full 50/60 Hz Coverage • 29 Sizes • Computerized Pump Selection Safety • ANSI B15.

Coupling Guard • Ductile Iron Frame Adapter • Optional Shaft Guard Proven Performance Every day in over 500,000 installations, the Goulds 3196 ASME/ANSI (B73. M) process pump proves why it’s the industry standard for performance. Meets ANSI B16. requirements. Class 150 flanges standard, optional Class 150 RF, 300 FF/RF. CASING ◦ Top centerline discharge for air handling, self-venting. • Class 150 pumps have Class 300 wall thickness as standard. I. DuPont. CHEM-1A 18 Construction Details All dimensions in inches and (mm). STX MTX LTX XLT-X Shaft Diameter at Impeller. Diameter in Stuffing Box/Seal Chamber (Less Sleeve) (With Sleeve) 1. Power Limits HP (kW) per 100 RPM 1. Maximum Liquid Temperature Maximum Liquid Temperature — Oil/Grease Lubrication without Cooling 350° F (177° C) Maximum Liquid Temperature — Oil Lubrication with High Temp. Option 700°F (370° C) Casing Corrosion Allowance. inch sizes have 21⁄4 inch (57) shaft diameters in stuffing box/seal chamber with sleeve.

Shaft sleeve O. Provide 10-year average bearing life within design operational range. C Oil Seals Carbon–filled Teflon* labyrinth seals. Prevent primary cause of premature bearing failure—lubricant contamination. Also prevent loss of oil. D Bearing Frame Larger oil sump. Pre-drilled lubrication ports. Provide lubrication flexibility. Easy conversion to flood oil lubrication, grease, oil mist as conditions require. Liquid End E Casing Extra corrosion allowance. Bonus thickness—Class 150 pumps feature Class 300 wall thickness—longer life under corrosive/erosive conditions. Impeller O-ring. Protects threaded area against corrosion. G Seal Chamber Enlarged (BigBore™ and TaperBore™ PLUS) bores designed specifically for mechanical seals. Improved lubrication and cooling of seal faces extend mechanical seal life. Accommodate larger diameter mechanical seals allowing use of “new generation” seal designs. Pre-drilling at factory allows easy field conversion (flood oil to oil mist back to flood oil lubrication) without modifying parts.

Flexible design accommodates oil mist configurations to meet users practices. LTX Power End For High Load Applications MTX POWER END WITH OIL MIST GREASE LUBRICATION Although Goulds X-Series Power Ends are designed for tough conditions, some applications push a power end beyond ANSI design limits. Three examples are: 1) a pump is operated at reduced flows, 2) pumping high specific-gravity liquids, 3) overhung belt drive applications. These cause excessive loads which result in increased shaft deflection. X-Series power ends are interchangeable with 7 different Goulds models: 3196 (CHEM-1A), LF 3196 (CHEM-1B), CV 3196 (CHEM-1C), 3796 (CHEM-1D), 3996 (CHEM-1E), NM 3196 (CHEM-2A) and 3198 (CHEM-2B). CARBON-FILLED TEFLON* LABYRINTH OIL SEALS Prevent contamination of lubricant, the primary cause of premature bearing failure. EXTRA LARGE OIL SUMP Large oil capacity provides optimum heat transfer for cooler running bearings.

SHAFT/BEARINGS ASSEMBLY Shaft designed for minimum deflection for long seal and bearing life. Bearings sized for optimum life. I. DuPont reg. trademark 21 CHEM-1A Parts List and Materials of Construction Item Number Part Name Material Ductile Iron 316SS CD4MCu Alloy 20 Monel Nickel Hastelloy B & C Titanium 100 Casing Ductile Iron 316SS CD4MCu Alloy 20 Monel Nickel Hastelloy Titanium 101 Impeller Ductile Iron 316SS CD4MCu Alloy 20 Monel Nickel Hastelloy Titanium 105 Lantern Ring Glass-Filled Teflon* 106 Stuffing Box Packing Teflon* Impregnated Fibers 108 Frame Adapter Ductile Iron 112 Thrust Bearing Double Row Angular Contact** 122 Shaft—Less Sleeve (Optional) SAE4140 316SS Alloy 20 Monel Nickel Hastelloy Titanium 122 Shaft—With Sleeve SAE4140 316SS 126 Shaft Sleeve 316SS Alloy 20 Monel Nickel Hastelloy Titanium 136 Bearing Locknut and Lockwasher Steel 168 Radial Bearing Single Row Deep Groove 184 Stuffing Box Cover (Packed Box) Ductile Iron 316SS CD4MCu Alloy 20 Monel Nickel Hastelloy Titanium 184M Seal Chamber (Mechanical Seal) Ductile Iron 316SS CD4MCu Alloy 20 Monel Nickel Hastelloy Titanium 228 Bearing Frame Cast Iron (Ductile Iron for STX Group) 250 Gland 316SS CD4MCu Alloy 20 Monel Nickel Hastelloy Titanium 262 Repeller/Sleeve (Dynamic Seal Option) CD4MCu Monel Nickel Hastelloy Titanium 264 Gasket, Cover to Backplate (Dynamic Seal) Teflon* 265A Stud/Nut, Cover to Adapter 304SS 319 Oil Sight Glass Glass/Steel 332A Labyrinth Oil Seal (Outboard) Carbon-Filled Teflon* with Viton O-ring 333A Labyrinth Oil Seal (Inboard) Carbon-Filled Teflon* with Viton O-ring 351 Casing Gasket Aramid Fiber with EPDM Rubber 358A Casing Drain Plug (Optional) Steel 316SS CD4MCu Alloy 20 Monel Nickel Hastelloy Titanium 360 Gasket, Frame-to-Adapter Manila Paper 360A Gasket, Bearing End Cover Vellumoid 370 Cap Screw, Adapter-to-Casing Steel 304SS 418 Jacking Bolt 304SS 444 Backplate (Dynamic Seal Option) Ductile Iron 316SS CD4MCu Alloy 20 Monel Nickel Hastelloy Titanium 469B Dowel Pin Steel 496 O-ring, Bearing Housing Buna Rubber 496A O-ring, Impeller Glass-Filled Teflon* *E.

I. DuPont reg. Corrosion resistant construction. Recommended for temperatures over 350°F (177°C). JACKETED CASING Cast-in jacket for heating or cooling pumpage. Safety Features Goulds recognizes users’ concern for safe pump operation and offers options to meet plant safety requirements. ANSI COUPLING GUARD Meets all requirements of ANSI B15. A baseplate must also be able to withstand forces and moments of plant piping systems. Goulds offers a complete range of mounting systems to meet plant requirements, and to make maintenance easier. Pressurized circulation lubricates double seal faces. BASEPLATE SELECTION GUIDE STANDARD OPTIONAL TYPE 3 Fabricated Steel TYPE 4 Enhanced Feature Fabricated Baseplate 25 *Engineered option–requires special baseplate CHEM-1A Maximum Sealing Flexibility Engineered Seal Chamber Selection Guide Goulds engineered seal chambers are designed to provide the best seal environment for selected sealing arrangements/services.

A Ideally Suited B Acceptable C Not Recommended Service TYPE 1 Standard Bore Designed for packing. Retrofit kits are readily available. Dimensions Model 3196 All dimensions in inches and (mm). Not to be used for construction. DIMENSIONS Group Pump Size ANSI Designation Discharge Size Suction Size X A B D SP Bare Pump Weight Lbs. kg) STX 1x11/2-6 AA 1 11/2 6. XLT-X 6x8-13 A90 6 8 16 (406) 27. x10-13 A100 8 10 18 (457) 670 (304) 6x8-15 A110 6 8 610 (277) 8x10-15 A120 8 10 19 (483) 740 (336) 8x10-15G A120 8 10 710 (322) 8x10-16H A120 8 10 850 (385) 4x6-17 4 6 16 (406) 650 (295) 6x8-17 6 8 18 (457) 730 (331) 8x10-17 8 10 19 (483) 830 (376) 27 CHEM-1A Hydraulic Coverage Model 3196 CAPACITY — 2850 RPM (50 Hz) 0 m3/h 20 40 50 60 80 100 150 200 250 m FT. GPM 100 200 300 400 500 600 700 800 1100 FT. m 220 180 140 100 60 20 800 700 600 500 400 300 200 100 500 400 300 200 100 160 120 80 40 0 0 0 GPM 100 200 300 500 700 900 1100 0 0 1400 0 m3/h 20 40 60 70 80 100 150 200  250 CAPACITY — 3500 RPM (60 Hz)  = Scale Change 0 m3 /h 20 40 60 CAPACITY — 1450 RPM (50 Hz) 100 140 160 200 300 500 600 800 1000 1200 m FT. GPM 100 200 300 400 500 600 700 8001000 1400 1800 2200 2600 3400 4200 5000 FT. m3/h 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 GPM 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 m3/h 1780 RPM CDS 4364-2 1180 RPM CDS 4366-2 CHEM-1A 45 Fonte: Unit Operations of Chemical Engineering – 7ª edição – McCabe / Smith / Harriot.