Responde Aí
Acesse com GoogleAcesse com AppleAcesse com Facebook

Enunciado

FenTrans, MecFlu, TransCal e TransMassa - Incropera - Fundamentos de Transferência de Calor e Massa- Ed: 7º - Capítulo 14.Problemas - Ex. 28

Hidrogênio ultrapuro é requerido em aplicações desde a fabricação de semicondutores até na alimentação de células a combustível. A estrutura cristalina do paládio permite somente a transferência de hidrogênio atômico (H) através de sua espessura e, consequentemente, membranas de paládio são usadas para filtrar hidrogênio de correntes contaminadas contendo misturas de hidrogênio e outros gases. As moléculas de hidrogênio (H2) são primeiramente absorvidas sobre a superfície do paládio e então dissociadas em átomos (H), que em sequência se difundem através do metal. Os átomos H se recombinam no lado oposto da membrana, formando H2 puro. A concentração superficial de H toma a forma C H = K s p H 2 0,5 , sendo K s   ≈   1,4   k m o l / ( m 3   ·   b a r 0,5 ) conhecida como constante de Sievert. Considere um purificador de hidrogênio industrial constituído por uma série de tubos de paládio com uma extremidade ligada em um tubo coletor a outra extremidade fechada. A matriz de tubos é inserida em um casco. H2 impuro, a   T   =   600   K ,   p   =   15   b a r   e   x H 2   =   0,85 é introduzido no casco enquanto H2 puro, a p   =   6   b a r ,   T   =   600   K é extraído através dos tubos. Determine a taxa de produção de hidrogênio puro (kg/h) para N = 100 tubos que têm diâmetro interno D i   =   1,6   m m , espessura de parede t   =   75   μ m e comprimento L   =   80   m m . A difusividade mássica do hidrogênio (H) no paládio a 600   K é aproximadamente D A B   =   7   x   10 - 9   m 2 / s .

Passo 1

Nessa questão nós temos as dimensões de N = 100 tubos de paládio fechados, as pressões e temperatura de hidrogênio (H2) em ambos os lados da parede do tubo e a difusividade em massa de hidrogênio atômico (H) através do paládio e a constante de Sievert.

E com essas informações queremos encontrar a taxa horária de produção de hidrogênio puro (H2).

Passo 2

Para resolver essa questão vamos assumir:

(1) Propriedades constantes e condições de estado estacionário;

(2) Meio estacionário.

Passo 3

A concentração de hidrogênio atômico (H) nas superfícies externa e interna do tubo é,

C H , s a i = 1,4 k m o l m 3 b a r 1 2   x 0,85   x   15   b a r 1 2 = 5   k m o l / m 3

C H , e n t r a = 1,4 k m o l m 3 b a r 1 2   x 6   b a r 1 2 = 3,43   k m o l / m 3

As resistências de difusão de espécies unidimensionais para a parede e a extremidade de um tubo são

R m , d i f , w = ln ⁡ r 2 r 1 2 π L D A B = ln ⁡ 0,8 × 10 - 3   m + 75 × 10 - 6   m 0,8 × 10 - 3   m 2 π   x   80 × 10 - 3   m   x   7 × 10 - 9   m 2 / s = 25,5 × 10 6   s / m 3

R m , d i f , e = t D A B A e = 75 × 10 - 6   m π   x   0,8 × 10 - 3   m 2 x   7 × 10 - 9   m 2 / s   = 5,33 × 10 9   s / m 3

A taxa de transferência molar de hidrogênio atômico (H) em um tubo é, portanto,

N H = 5 - 3,43 k m o l / m 3 25,5 × 10 6   s / m 3 + 5 - 3,43 k m o l / m 3 5,33 × 10 9   s / m 3 = 61,9 × 10 - 9 k m o l s

A taxa de transferência molar de hidrogênio molecular (H2) é, portanto,

N H 2   =   0,5 N H   =   30,95   k m o l   /   s  

A taxa de produção total, N H 2 , t, em k g   /   h é

N H 2 , t = N H 2 x   M H 2 x   N   x   t = 30,95   k m o l s   x   2   k g k m o l   x   3600   s h   x   100   t u b o s = 0,022   k g h

Resposta

N H 2 , t = 0,022   k g h

Ver Outros Exercícios desse livro

Exercícios de Livros Relacionados

Uma panela aberta com 0,2m de diâmetro e 80m m de altura (acima da água a 27 ° C ) está exposta ao ar ambiente a 27 ° C e com 25 % de umidade relativa. Determine a taxa de evaporação, admitindo que oc
Estime valores da difusividade mássica D A B em misturas binárias dos seguintes gases a 350K e 1a t m : amônia–ar e hidrogênio–ar.
Um cilindro oco de ferro, com 100m m de comprimento, está exposto a um gás de carburização (uma mistura de C O e C O 2 ) a 1000 ° C nas suas superfícies interna e externa com raios 4,30 e 5,70m m , re
Um medicamento encontra-se no interior de um velho frasco farmacêutico de vidro. A boca está fechada com uma rolha de borracha que tem 20m m de altura, com 10m m de diâmetro na extremidade inferior, a
Uma gota esférica do líquido A, com raio r o , evapora para uma camada estagnada de um gás B. Deduza uma expressão para a taxa de evaporação da espécie A em termos da pressão de saturação de A, p A (