A reforma a vapor de hidrocarbonetos é uma maneira de produzir hidrogênio gasoso para aplicação em células combustíveis. Entretanto, o gás rico em produzido por esse processo se apresenta contaminado com monóxido de carbono (CO), em um teor molar porcentual de 1,0 %. Esse contaminante provoca envenenamento do catalisador da célula combustível e deve ser removido para permitir melhor operação da célula. Deseja-se separar CO do gasoso empregando uma membrana cerâmica microporosa catalítica. O diâmetro médio do poro da membrana é de 15 nm , a tortuosidade tem o valor de 4,0 e a fração de vazios do sistema é 0,30 . O sistema opera a 5,0 atm de pressão e de temperatura.
b. Estime o coeficiente de difusão molecular do CO em para a mistura gasosa a 5,0 atm e .

Passo 1

Beleza, vamos dar uma olhada no que o exercício está pedindo. Temos um gás rico em hidrogênio ( ) que está contaminado com monóxido de carbono (CO) a 1,0% molar. Precisamos separar o CO do usando uma membrana cerâmica microporosa. Para isso, queremos estimar o coeficiente de difusão molecular do CO em na mistura gasosa que está operando a 5,0 atm e 400°C. Vamos precisar usar conceitos de difusão molecular em sistemas gasosos e aplicar algumas fórmulas para calcular esse coeficiente.

Passo 2

Primeiro, vamos entender que o coeficiente de difusão molecular ( ) nos diz quão rapidamente uma substância se espalha através de outra. Para gases, uma fórmula comum para estimar é a equação de Chapman-Enskog, que relaciona com temperatura, pressão e as propriedades das moléculas envolvidas.
A fórmula da equação de Chapman-Enskog é:
Onde:
  • é a constante de Boltzmann,
  • é a temperatura absoluta,
  • é a pressão,
  • é o diâmetro efetivo das moléculas,
  • é a massa reduzida das moléculas.

Passo 3

Vamos ajustar essa fórmula para o nosso caso. Primeiro, precisamos converter todos os valores para as unidades corretas.
A temperatura está em Celsius, então vamos converter para Kelvin:
A pressão está em atm, vamos converter para pascal (1 atm = 101325 Pa):

Passo 4

Agora, precisamos determinar o diâmetro efetivo ( ) das moléculas. Geralmente, usamos o diâmetro de colisão, que pode ser encontrado em tabelas para gases puros. Supondo que o diâmetro de colisão para o CO seja aproximadamente 3,76 Å (angstroms), o que é comum em tabelas de propriedades gasosas.
Convertendo angstroms para metros:
ÅÅ

Passo 5

Em seguida, calculamos a massa reduzida ( ) das moléculas de CO e . A massa reduzida é dada por:
As massas molares são:
Convertendo para kg:
Calculando :

Passo 6

Agora, podemos usar a constante de Boltzmann ( ) e substituir todos os valores na fórmula de Chapman-Enskog:

Passo 7

Vamos calcular passo a passo:
Primeiro, calculemos :
Elevar isso ao poder de :
Agora, calculamos :
E :
Agora, substituindo esses valores na fórmula:
Calculando o denominador:
Finalmente:

Resposta

O coeficiente de difusão molecular do CO em para a mistura gasosa a 5,0 atm e é aproximadamente .

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a. Estime a concentração molar de CO na mistura.
Estime o coeficiente de difusão do em hexano a utilizando-se a correlação de Wilke e Chang. Compare o resultado com o valor experimental . (Adaptado do CREMASCO, 3ed. 2015)
Dê uma pequena barragem, parte uma canalização de 250 mm de diâmetro, com poucos metros de extensão, havendo depois uma redução para 125 mm , do qual a água passa para a atmosfera sob forma de jato. A vazão na tubulação foi medida, encontrando-se . Utilize a massa específica e . Calcular:
a) a pressão manométrica na seção inicial da tubulação de 250 mm ;
b) a altura de água na barragem;
c) a potência do jato em W (watts) e em hp, sabendo que e .
Escoamento no tubo de um reservatório: Queda de pressão desconhecida - Um tubo horizontal com 100 m de comprimento está ligado a um grande reservatório. Que profundidade, , deve ser mantida no reservatório para produzir uma vazão de de água? diâmetro interno do tubo (rugosidade, ) é 75 mm . A entrada é reentrante e a água descarrega para a atmosfera. Admita as seguintes propriedades do fluido (água): massa específica viscosidade absoluta m.s.
Sabendo que o comprimento total da tubulação é de 122 m e que a rugosidade relativa é 0,001. Calcule a potência requerida pela bomba em hp, sendo o rendimento da bomba de .