Este documento apresenta uma série de exercícios sobre balanços de energia em processos envolvendo água e outros fluidos. Inclui questões sobre calor latente de vaporização, mudanças de estado físico, cálculo de calor necessário para aquecimento ou resfriamento, e dimensionamento de equipamentos de troca de calor.

1. 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