(Nilo, p. 287, q. 26) Uma mistura equimolar de benzeno e tolueno a 50{ }^{\circ} \mathrm{C} é aquecida e parcialmente vaporizada a 150^{\circ} \mathrm{C} e a mistura líquido-vapor formada é separada em um tambor. Deseja-se que 60 \% do benzeno presente na carga esteja presente na fase vapor. A composição do benzeno no vapor deve ser de 63,2 \% em base molar. O aquecimento será efetuado em um trocador de calor, cujo fluido de aquecimento é vapor d’água saturado a 1,0 \mathrm{MPa}, que é totalmente condensado. Se a vazão molar da mistura líquida é 100,0 \mathrm{kmol} / \mathrm{h}, calcule:
a) A taxa de calor necessária para a vaporização parcial da mistura. R: 841,9 kW.
b) A vazão mássica de vapor d’água usada para aquecimento. R: 0,418 kg/s.
Passo 1
O enunciado trata de um aquecimento e vaporização parcial de uma carga líquida (mistura equimolar de benzeno e tolueno) em um trocador, usando vapor d’água a 1{,}0,MPa (totalmente condensado). Precisamos usar balanço de massa para determinar as vazões de líquido e vapor de saída e balanço de energia para calcular a taxa de calor Q no trocador e, a partir dela, a vazão mássica de vapor d’água. Usaremos as propriedades dos componentes (capacidades caloríficas e calor latente) obtidas nas tabelas de Nilo (p. 287).
Passo 2
Balanço de massa global e parcial em benzeno:
– Carga F=100{,}0,kmol/h, fração molar de benzeno z_B=0{,}5.
– Deseja-se que 60\% do benzeno fique na fase vapor. Logo, mol de benzeno no vapor
– Sabendo que a composição molar do vapor é y_B=0{,}632, vem
V = \frac{\dot N_{B,V}}{y_B} = \frac{30{,}0}{0{,}632} = 47{,}468\\ \mathrm{kmol/h}.
– A porção líquida é L = F - V = 100{,}0 - 47{,}468 = 52{,}532,kmol/h.
Passo 3
Balanço de energia – parte sensível: aquecimento de toda a carga líquida de 50{ }^{\circ}\mathrm{C} a 150{ }^{\circ}\mathrm{C}.
Propriedades médias (Nilo, p. 287):
Balanço de energia – parte de vaporização: vaporizam-se V = 47{,}468,kmol/h à 150{ }^{\circ}\mathrm{C}.
Calor latente (Nilo, p. 287): \Delta H_{\mathrm{vap}}^\text{Benz} = 30\,720\\ \mathrm{kJ/kmol}, \Delta H_{\mathrm{vap}}^\text{Tol} = 38\,960\\ \mathrm{kJ/kmol}.
Mistura de vapor com y_B=0{,}632 ⇒ calor latente médio