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Alberto M. Sereno, Ph.D.
Universidade do Porto, Faculdade de Engenharia
Depto. de Engenharia Química

ENSINO

2002/03

 OT   Ant    IIB2

2001/02

 OT   Ant    IIA2

2000/01

 OT   IEQ   BioB1

OPERAÇÕES DE TRANSFERÊNCIA (2000/2001)
3º ANO - 1º SEMESTRE

Ficha

 Exame de 1FEV

Exame modelo

Exame de 15FEV
Exame de 18JAN Exame de 23MAR

 

FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO

Departamento de Engenharia Química

OPERAÇÕES DE TRANSFERÊNCIA

3ºano - 1º semestre – 2000/2001

DOCENTE: Alberto M. Sereno, professor associado c/agregação

OBJECTIVOS:

  • Aprender a projectar instalações industriais para transporte de fluidos, a calcular a potência necessária à sua movimentação e a definir quais as principais características do respectivo equipamento;
  • Descrever o movimento de fluidos através de leitos porosos assentes e fluidizados, incluindo o transporte pneumático;
  • Estudar as operações de agitação e mistura e calcular a potência necessária a esse fim.
  • Aprender a projectar permutadores de calor industriais e a definir as características técnicas do equipamento mais adequado às diferentes utilizações na indústria química;
  • Estudar algumas das principais operações de separação físico-mecânica utilizadas na industria química: filtração, sedimentação, centrifugação e moagem; descrição técnica do equipamento habitualmente mais utilizado nessas operações.

PROGRAMA

  1. Apresentação dos objectivos da disciplina, programa e método de avaliação.
  2. Breve revisão de alguns conceitos fundamentais da transferência de momento.
    1. Introdução. Viscosidade dos fluidos (2.4).
    2. Regimes de fluxo e número de Reynolds (2.5).
    3. Balanço de massa e equação da continuidade (2.6).
    4. Balanço de energia e equação de Bernoulli (2.7).
  3. Aplicações e projecto de instalações envolvendo fluxo de fluidos.
    1. Equações de projecto para o fluxo laminar e turbulento em tubagens (2.10).
    2. Fluxo compressível de gases (2.11).
    3. Fluxo com objectos imersos, em leitos porosos assentes e fluidizados (3.1).
    4. Medição e medidores de caudal (3.2).
    5. Bombas e equipamento para movimentação de gases (3.3).
    6. Agitação e mistura de fluidos; cálculo da potência necessária (3.4).
    7. Fluidos não-Newtonianos (3.5).
    8. Análise dimensional aplicada ao fluxo de fluidos (3.11).
  4. Princípios e projecto de unidades de transferência de calor em estado estacionário.
    1. Introdução e mecanismos de transferência de calor (4.1).
    2. Transferência de calor por convecção forçada em tubagens (4.5).
    3. Transferência de calor por convecção forçada no exterior de várias geometrias (4.6).
    4. Transferência de calor por convecção natural (4.7).
    5. Ebulição e condensação (4.8).
    6. Permutadores de calor (4.9).
    7. Transferência de calor por radiação; utilizações principais (4.10).
    8. Transferência de calor com fluidos não-Newtonianos (4.12).
    9. Coeficientes de transferência de calor especiais (4.13).
    10. Análise dimensional em operações de transferência de calor (4.14).
  5. Processos de separação físico-mecânica.
    1. Introdução e classificação das operações de separação físico-mecânica (14.1).
    2. Elutriação e sedimentação na separação de partículas (14.3).

AVALIAÇÃO

Exame final

BIBLIOGRAFIA

Base (capítulos indicados acima):

Geankoplis, C.J., 1993. "Transport Processes and Unit Operations, 3rd ed.", Prentice Hall International, Inc., New Jersey, USA

Complementar:

Foust, A.S., et al., 1960. "Principles of Unit Operations", Wiley Intern Ed., N.Y., USA.

McCabe, W.L., Smith, J.C., Harriot, P., 1993. "Unit Operations of Chemical Engineering, 5th ed.", McGraw Hill, N.Y., USA.

Coulson, Richardson, 1993. "Engenharia Química, vol.1", Fund. Calouste Gulbenkian, Lisboa.

Perry, R.H., Green, D.W., Maloney, J.O., eds., 1997. "Perry´s Chemical Engineering Handbook, 7th ed., McGraw Hill, N.Y., USA.

[TOPO]

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Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Departamento de Engenharia Química

Operações de Transferência

3º ano, 1º semestre, 2000/01 modelo, Janeiro de 2000

O exame tem a duração de 2h e 30min. Não é permitida a consulta de bibliografia; os problemas devem ser resolvidos com base nos dados fornecidos com o enunciado. O uso de máquina de calcular é restringido à realização de cálculos. Todas as respostas devem ser devidamente justificadas

1. Responda às seguintes questões:
    1. Descreva os métodos que estudou para "contabilizar" as perdas de pressão por atrito sofridas por um fluido ao passar por acessórios (p.ex. cotovelos e válvulas) e acidentes (p.ex. expansões ou contracções, saídas de tanques) existentes numa instalação de fluxo de fluidos. (2 val.)
    2. Diga para que servem os medidores de orifício e os tubos de Venturi. Indique quais são as vantagens (e desvantagens) relativas desses dois instrumentos. Diga qual deles usaria para medir velocidades pontuais no seio de um fluido em movimento. (2 val.)
    3. Relativamente às operações a seguir indicadas, indique-as por aquela que considera ser a ordem crescente de resistência à transferência de calor (2 val.):
        1. Aquecimento de uma corrente de ar que atravessa o exterior de um feixe tubular interiormente aquecido;
        2. Condensação de vapor saturado na carcassa de um permutador de carcassa e tubos;
        3. Aquecimento de água num permutador de placas;
        4. Perdas de calor para o ar circundante da parede exterior de um forno a 80 ºC;
        5. Arrefecimento de um óleo com a viscosidade de 50 cp nos tubos de um permutador de carcassa e tubos;
    4. Com base nos conhecimentos adquiridos em OT, descubra os erros existentes na frase seguinte e indique-os. Proponha um texto alternativo que lhe pareça correcto (2 val.).

"Um minério parcialmente triturado suspenso numa corrente de água, sofre uma moagem fina num moinho de vazio antes dos sólidos serem separados numa centrífuga de discos. A água que sai da centrífuga é acumulada num recipiente de recolha, de onde é transferida periodicamente para um tanque de armazenagem por uma bomba de engrenagens internas, em regime turbulento. Os sólidos retirados na centrífuga são secos num ciclone e em seguida transportados por um parafuso sem fim para um silo de armazenagem."

2. Um "pipeline" com 0.5 m de diâmetro interno e 1200 m de comprimento é utilizado para transportar petróleo bruto com densidade de 950 kg/m3 e viscosidade de 0.01 Pa.s a um caudal de 0.4 m3/s, desde um tanque de armazenagem até um terminal de carga. A tubagem com rugosidade de 0.5 mm, contém 20 cotovelos a 90º e 4 válvulas de globo; a descarga do "pipeline" está localizada 10 m acima do nível de petróleo no tanque de armazenagem.

  1. Faça um esquema da instalação e calcule as perdas por atrito na tubagem (2 val.).
  2. Calcule a potência em kW que deve ter um sistema de bombagem capaz de movimentar o petróleo, supondo que esse sistema de bombagem tem uma eficiência mecânica de 86% (2 val.).
  3. Estime qual seria o caudal na mesma instalação e com o mesmo sistema de bombagem, se o petróleo a movimentar tiver a densidade de 980 kg/m3 e a viscosidade de 0.02 Pa.s (2 val.)

3. A água que alimenta uma central produtora de vapor, a 15ºC, é previamente desionizada fazendo-a atravessar em fluxo descendente um leito de uma resina pemutadora de iões. O leito tem 1.2 m de diâmetro e 1.8 m de altura. As partículas de resina, previamente peneiradas, podem ser consideradas esféricas com um diâmetro entre 1.65 a 2.36 mm e uma densidade de 1400 kg/m3. O caudal de água utilizado é de 0.1 m3/s.

  1. Calcule a queda de pressão sofrida pela água ao atravessar o leito (2 val.).
  2. A regeneração da resina é feita com uma corrente ascendente de uma solução aquosa a 40ºC, de viscosidade idêntica à da água, cuja densidade é 1100 kg/m3. Calcule o caudal máximo que se pode utilizar na operação de forma a evitar o arrastamento de partículas de resina (2 val.).

 

4. Pretende-se aquecer um óleo (cp = 2.0 kJ/kg.K) de 300 a 325 K num permutador de calor do tipo carcassa e tubos. O óleo circula nos tubos (diâmetro interno 10 mm), fazendo duas passagens no permutador. O meio de aquecimento é água que circula numa única passagem na carcassa, entrando a 372 K e saindo a 361 K. O coeficiente global de transferência de calor é de 230 W/m2K. Calcule o comprimento que devem ter os tubos no permutador (2 val.).

(Alberto M. Sereno)

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Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Departamento de Engenharia Química

Operações de Transferência

3º ano, 1º semestre, 2000/01 18 de Janeiro de 2001

O exame tem a duração de 3 horas. Não é permitida a consulta de bibliografia; os problemas devem ser resolvidos com base nos dados fornecidos com o enunciado. O uso de máquina de calcular é restringido à realização de cálculos. Todas as respostas devem ser devidamente justificadas

1. Responda às seguintes questões:
    1. Diga em que situações recomenda a utilização de uma bomba de engrenagens para movimentar um fluido. Justifique. (2 val.)
    2. Diga como pode calcular a velocidade mínima de fluidização de um leito de areia que está a ser atravessado por uma corrente ascendente de água. (2 val.)
    3. Um permutador de carcassa e tubos vai ser utilizado para arrefecer uma corrente aquosa de 95ºC a 35ºC utilizando água de arrefecimento a 20ºC. Se o caudal de água de arrefecimento for o dobro do da corrente processual, obter-se-á um coeficiente global de transferência de calor mais elevado se a água de arrefecimento circular nos tubos ou na carcassa. Justifique sucintamente. (2 val.)
    4. Com base nos conhecimentos adquiridos em OT, descubra os erros que em sua opinião existem na frase seguinte e indique-os. Proponha um texto alternativo que lhe pareça correcto (2 val.):

"No processo de extracção do cobre existente num minério, este começa por ser triturado num britador de maxilas, passando em seguida sucessivamente por um moinho de engrenagens e um moinho de bolas para obter um produto fino. A este último adiciona-se água para formar uma suspensão. Para separar o minério (pirite, densidade 7.8 g/cm3) da ganga siliciosa (densidade 3.5 g/cm3) a suspensão sofre uma elutriação numa coluna vertical onde circula uma corrente ascendente de água. A maior parte da pirite sai pelo topo da coluna, sendo enviada a uma unidade de recuperação química. Pelo fundo saem as partículas maiores que depois de secas vão ser enviadas a um ciclone onde a sílica é separada."

2. Uma solução de 60% de sacarose a 10ºC (r = 1500 kg/m3, m = 1.14 poise) flui de um evaporador que se encontra à pressão absoluta de 20 kPa até um depósito fechado em que a pressão absoluta é de 1.7 atm. A tubagem de aço sch. No. 40 com 1.5" de diâmetro tem 20 m de comprimento e inclui um medidor de orifício com 20 mm de diâmetro, uma válvula de globo, dois cotovelos a 90º e uma bomba. A descarga da solução no depósito está localizada 14.5 m abaixo do nível no evaporador. Calcule:

  1. A potência teórica da bomba capaz de manter um caudal de 3 litros/s (2.5 val.).
  2. A leitura que indicará um manómetro de mercúrio (r = 13.6 g/cm3) ligado a ambos os lados do medidor de orifício. (2.5 val.).

3. A queda de pressão por atrito sofrida por um fluido que atravessa um leito de partículas pode ser utilizada para determinar a área específica e o tamanho médio das partículas. Dados obtidos com um leito de um minério triturado são de Dp/L = 1.9 MPa/m com ar a uma velocidade superficial de 0.5 cm/s. A porosidade medida do leito é de 0.47 e a esfericidade das partículas 0.7. Calcule o tamanho médio e a área específica das partículas (r = 4.1 g/cm3). (2.5 val.).

 

4. Considere um permutador de tubos concêntricos a funcionar em co-corrente:

  1. Calcule qual seria a variação percentual da área de transferência necessária se se passasse a operar o permutador de calor em contracorrente, supondo que o fluido quente arrefece de 130ºC a 80ºC e o fluido frio aquece de 25ºC a 60ºC. Suponha que o coeficiente global de transferência de calor é o mesmo em ambos os casos. (2.5 val.)
  2. Diga se considera esta última hipótese realista e porquê. (2 val.).

(Alberto M. Sereno)

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Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Departamento de Engenharia Química

Operações de Transferência

3º ano, 1º semestre, 2000/01 1 de Fevereiro de 2001

O exame tem a duração de 3 horas. Não é permitida a consulta de bibliografia; os problemas devem ser resolvidos com base nos dados fornecidos com o enunciado. O uso de máquina de calcular é restringido à realização de cálculos. Todas as respostas devem ser devidamente justificadas

1. Responda às seguintes questões:
  1. Diga o que entende por NPSH de uma instalação de bombagem e refira as consequências que podem resultar da sua não observância (2 val.).
  2. Indique qual dos esquemas de bombagem de um líquido de um evaporador apresentados a seguir é susceptível de levantar menos problemas de NPSH e explique porquê (2 val.)

    3.  

     

     

    Fig.1 fig. 2 fig. 3

     

  3. Diga resumidamente como varia a queda de pressão sofrida por um fluido que atravessa um leito de partículas esféricas até ficar completamente fluidizado (2 val.).
  4. Com base nos conhecimentos adquiridos em OT, descubra os erros que em sua opinião existem na frase seguinte e indique-os. Proponha um texto alternativo que lhe pareça correcto (2 val.):

"Numa fábrica de pasta de tomate, o fruto de pois de triturado é homogeneizado num tanque agitado por uma turbina de lâminas a 45º. A pasta é movimentada em seguida por uma bomba centrífuga de dois andares através de um pasteurizador constituído por um feixe tubular numa carcassa de aquecimento por água a 85ºC, de onde segue para uma máquina de embalagem."

2. Uma instalação industrial de funcionamento contínuo consome 40 m3/hr de água que é aspirada de um rio próximo, cujo nível está localizado 15 m abaixo da descarga no tanque de armazenagem da fábrica.

  1. Faça um esquema da instalação (1 val.)
  2. Proponha um diâmetro que julgue adequado para a tubagem, de aço comercial Sch. No. 40, que deverá ter 240 m de comprimento e incluir 4 cotovelos e duas válvulas de globo (2 val.)
  3. Calcule, nas condições que especificou na alínea a), o custo diário de bombagem supondo que o kWh custa esc. 15$00 e o rendimento da bomba é de 80% (2 val.)
  4. Diga que tipo de bomba recomendaria para essa instalação e porquê (1 val.)

3. Um reactor com 15 m de altura e 6 m de diâmetro está cheio com um catalisador constituído por esferas com 25 mm de diâmetro. Um gás com propriedades idênticas ao ar (massa molar 30g/mol) entra pelo topo a uma temperatura de 200ºC e sai a 260ºC . A pressão absoluta do gás à saída deve ser de 2 atm. O tempo de contacto do gás com o catalisador deve ser de 10 s. Calcule a pressão que deverá ter o gás à entrada do reactor (3 val.)

4. Numa tubagem de aço de 2" Sch. No. 40 com 30 m de comprimento circula vapor saturado a 121 ºC. A tubagem está revestida por um material isolante com 25 mm de espessura (valores médios da condutibilidade térmica: aço 45 W/m.K ; material isolante 0.182 W/m.K)

  1. Supondo que a temperatura exterior do isolamento é de 26ºC a quantidade de vapor que condensa devido a essa perda de calor (2 val.)
  2. Qual a temperatura da interface entre o tubo e o isolamento (1 val.)

(Alberto M. Sereno)

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Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Departamento de Engenharia Química

Operações de Transferência

3º ano, 1º semestre, 2000/01 15 de Fevereiro de 2001

O exame tem a duração de 3 horas. Não é permitida a consulta de bibliografia; os problemas devem ser resolvidos com base nos dados fornecidos com o enunciado. O uso de máquina de calcular é restringido à realização de cálculos. As respostas devem ser devidamente justificadas.

1. Responda às seguintes questões:
  1. Deseja-se bombear água de um poço para um depósito de abastecimento de uma fábrica. A altura total a vencer (incluindo as perdas por atrito) é de 21.5 m. Pretende-se utilizar para o efeito uma associação de duas bombas centrífugas existentes, modelos Q50/110 e Q65/100 cujas curvas características são apresentadas na figura. Diga como associaria as bombas e qual seria o caudal a esperar atingir na instalação. (3 val.)
  2. Diga quais as principais diferen-ças entre um tubo de Pitot, um medidor de Venturi e um de orifício. (2 val.)
  3. (i) Descreva os métodos que poderia usar para separar em quatro lotes, correspondentes a outras tantas gamas de tamanho de partículas, uma corrente de minério moído, supondo que se trata de um material único e uniforme. (2 val.)

(ii) Será que a sua resposta seria diferente se se tratasse de uma mistura de dois materiais com densidades distintas? Como ? Justifique. (1 val.)

2. Uma fracção petrolífera constituída por uma mistura de hidrocarbonetos líquidos é transportada ao longo de 2 km por uma tubagem de aço comercial com 150 mm de diâmetro interno, desde uma unidade de destilação até um reservatório de armazenagem, a um caudal de 40 litros/s.

  1. Calcule a queda de pressão sofrida pelo fluido na tubagem e a potência que deve ter uma bomba centrífuga capaz de o movimentar, supondo que esta tem uma eficiência de 50% (suponha que não há desníveis a vencer) (2 val.).
  2. Suponha que ao longo de alguns anos de uso as extremidades do rótor foram-se rompendo, de modo que a pressão na saída da bomba é somente metade da pressão original. Estime a redução observada no caudal. (2 val.)

(densid. do líquido = 0.705 g/cm3; viscosidade do líquido = 0.8 mPa.s; rugosidade da tubagem = 0.004mm)

3. Pretende-se fazer circular ar a um caudal de 10 m3/min através um leito de partículas com um diâmetro médio efectivo de 2.5 mm (caudal medido nas condições de entrada no leito: 25ºC, 1.5 atm). O leito tem 75 cm de diâmetro, 3 m de altura e pesa 4.1 ton. A densidade do sólido é de 7.8 g/cm3.

  1. Calcule a porosidade do leito e estime a esfericidade das respectivas partículas (2 val.)
  2. Calcule a potência teórica de um ventilador capaz de fazer circular o ar através do leito (3 val.)

 

4. Um reactor químico, com 1 m de diâmetro por 5m de comprido, opera a uma temperatura de 1073 K. Está revestido por uma camada de 10 cm de espessura de um material isolante com uma condutividade térmica de 0.03. W/m K. A perda de calor através da superfície cilíndrica para o ambiente é de 3.5 kW.

  1. Calcule o respectivo ‘coeficiente global’ de transferência de calor se o ambiente estiver a 293 K (2 val.)
  2. Que aconteceria ao valor das perdas de calor se a superfície cinzenta clara do isolamento fosse pintada de preto ? Justifique.(1 val.)

(Alberto M. Sereno)

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Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Departamento de Engenharia Química

Operações de Transferência

3º ano, 1º semestre, 2000/01 Prova Especial 23 de Março de 2001

O exame tem a duração de 3 horas. Não é permitida a consulta de bibliografia; os problemas devem ser resolvidos com base nos dados fornecidos com o enunciado. O uso de máquina de calcular é restringido à realização de cálculos. As respostas devem ser devidamente justificadas.

1. Responda às seguintes questões:
  1. É necessário aumentar a capacidade de processamento de um reactor semi-industrial, implicando isso o aumento da capacidade actual de bombagem do efluente (com propriedades idênticas às da água). Dispõe-se de uma bomba Q65/100. A altura total a vencer (incluindo as perdas por atrito) é de 8 m. Pretende-se utilizar para efeito de aumento de caudal uma bomba adicional Q50/100.

- Diga qual o caudal actual.

  • Diga e justifique como devem as bombas ser associadas (série ou paralelo) e qual o aumento máximo de caudal que poderemos obter.

(as curvas características das bombas são as apresentadas na figura.) (3 val.)
    1. Diga o que entende por NPSH e qual a razão da importância deste parâmetro no projecto de instalações de bombagem. (2 val.)
    2. Diga sucintamente em que condições processuais os permutadores de placas devem ser preferidos aos permutadores de carcaça e tubos (2 val.)

2. Uma bomba com 3.5 kW e 70% de eficiência deve movimentar uma solução de amoníaco a 20% contido num depósito, ao longo de uma tubagem com 100 metros de comprimento equivalente, com um caudal de 10 m3/min. A descarga está localizada 15 m acima do nível de amónia no depósito. Calcule o diâmetro que deve ter a tubagem em aço comercial Sch.no. 40. (Propriedades da amónia: viscos. 1.15 cp; densid. 0.905 g/cm3) (4 val.)

3. Considere uma coluna vertical (fig.2) com 0.5 m de diâmetro e 1.5 m de altura onde é possivel fazer ensaios de sedimentação/classificação de partículas sólidas. A alimentação constituída por partículas de galenite moída (dens.=7.5 g/cm3) entra a um metro do fundo. As partículas de galenite têm tamanhos entre 20 e 100 mm e podem ser supostas esféricas.

  1. Suponha a coluna cheia com água (velocidade = 0) a 25 ºC e que se introduz uma pequena quantidade de sólido pela alimentação. Calcule ao fim de quanto tempo chegam ao fundo a primeira e a última partícula de galenite (suponha que na sedimentação as partículas não interferem entre si). (2 val.)
  2. Suponha agora que se quer separar em duas partes uma alimentação contínua desses sólidos com uma corrente ascendente de água, de modo a retirar as partículas de tamanho superior a 60 mm. Qual o caudal teórico de água que deve ser utilizado (supondo igualmente não interacção das partículas). (3 val.)

4. Numa tubagem de aço de 2" Sch. No. 40 circula um óleo de aquecimento a 180º C, à velocidade de 0.7 m/s. A tubagem foi revestida com um material isolante de 2 cm de espessura e condutibilidade térmica k = 0.36 kcal/(m.hr.ºC). Supondo que a temperatura ambiente é de 20ºC, calcule as perdas de calor através da superfície, por metro de tubo (despreze as perdas por radiação). (Propriedades do óleo: m = 1.3 cpoise; r=0.90 g/cm3; cp=0.57 cal/(g.ºC), k=0.066 Btu/(pé.hr.ºF) (4 val.)

(Alberto M. Sereno)

[TOPO]

actualização: 09SET01