Preparação para o exame FE Chemical: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 24 exercícios, com soluções completas no final.

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1Fórmulas e métodos

Balanço de massa

Regime permanente
entrada = saída
Balanço total
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
Balanço por componente
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
Evaporador
F·xF = P·xP, W = F − P

Balanço de energia

Calor sensível
Q = ṁ·cp·ΔT
Calor latente
Q = ṁ·hfg
Mistura
ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
Água
cp ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Lei dos gases ideais

Lei dos gases ideais
pV = nRT
Constante dos gases
R = 8,314 J/(mol·K)
Lei geral dos gases
p1V1/T1 = p2V2/T2
Mols
n = m/M
Temperatura
T[K] = T[°C] + 273,15

Estequiometria

Mols
n = m/M
Concentração
c = n/V
Razão molar
use os coeficientes da equação balanceada
Reagente limitante
o que acaba primeiro
Rendimento percentual
real / teórico × 100%

Método

  1. Escreva e balanceie a equação química.
  2. Converta a massa dada em moles: n = m/M.
  3. Use os coeficientes como razão molar para encontrar os mols da substância desejada.
  4. Converta de volta para massa com m = n·M. Com dois reagentes, encontre primeiro o reagente limitante.

Equilíbrio químico

Constante de equilíbrio
Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
Tabela ICE
Inicial, Variação (×coeficiente), Equilíbrio
Equação do segundo grau
x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Método

  1. Escreva Kc com os produtos sobre os reagentes, cada um elevado ao seu coeficiente.
  2. Monte uma tabela ICE: Inicial, Variação (em passos de x vezes os coeficientes), Equilíbrio.
  3. Coloque as expressões de equilíbrio em Kc e resolva para x.
  4. Verifique se x é pequeno o bastante para uma aproximação; caso contrário, resolva a equação do segundo grau.

Calorimetria e entalpia

Calor
q = m·c·ΔT
Água
c = 4,18 J/(g·°C)
Calorímetro
calor cedido = calor recebido
Entalpia de reação
ΔH° = ΣΔH°f(products) − ΣΔH°f(reactants)

Cinética química

Primeira ordem
ln(CA/CA0) = −kt
Meia-vida (primeira ordem)
t½ = ln 2/k
Segunda ordem
1/CA = 1/CA0 + kt
Arrhenius
k = A·e−Ea/(RT)
Duas temperaturas
ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)

Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Tempo espacial
τ = V/Q
CSTR, primeira ordem
τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + kτ)
PFR, primeira ordem
τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−kτ
Conversão a partir do volume
CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e−kτ
N CSTRs iguais em série
X = 1 − 1/(1 + kτi)N

Trocadores de calor (LMTD)

Carga térmica
Q = U·A·ΔTlm
Média logarítmica das diferenças de temperatura
ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
Balanço de uma corrente
Q = ṁcp(Tin − Tout)

Condução de calor

Lei de Fourier
Q̇ = kAΔT/L
Resistência de condução
R = L/(kA)
Resistência de convecção
R = 1/(hA)
Resistências em série
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
Transmitância U
U = 1/(ΣR·A)

Atrito em tubulações e perda de carga

Número de Reynolds
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Regime de escoamento
laminar abaixo de Re ≈ 2000, turbulento acima de Re ≈ 4000
Velocidade média
V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
Perdas localizadas
hm = ΣK·V²/(2g)
Valores típicos de K
entrada 0,5, saída 1,0, curva de 90° ≈ 0,3
Queda de pressão
Δp = ρ·g·hf
Dois reservatórios abertos
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Saída livre
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Bombas e potência de bombas

Potência hidráulica
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Potência no eixo
Pshaft = Ph/ηpump
Potência elétrica
Pel = Pshaft/ηmotor
Altura manométrica da bomba
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Perdas do sistema
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2Exercícios

1.Balanço de massaMédia
MisturadorCorrente 1250 kg/h · 5% salCorrente 2ṁ₂ = ? · 35% salProduto15% sal

Quanto da corrente 2 deve ser adicionado por hora à corrente 1 para que o produto da mistura contenha 15% de sal? Encontre ṁ2.

ṁ1 = 250 kg/hx1 = 5 %x2 = 35 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F4300 kg/h · 8% açúcarProduto PP = ? · 45%Vapor W (água pura)0% açúcar

Um evaporador concentra uma solução de açúcar evaporando água pura. Encontre a vazão de produto P em kg/h.

F = 4300 kg/hxF = 8 %xP = 45 %
P = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado frioóleo leve · 170 °C80 °Cágua · 15 °Ct = ? °C

óleo leve quente resfria água em um trocador de calor em contracorrente sem perda de calor. Encontre a temperatura de saída da água tout.

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 170 → 80 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado frioóleo leve · 150 °C80 °Cágua · 20 °C75 °C · ṁ = ?10% perdido

óleo leve quente aquece água em um trocador que perde para o ambiente 10% do calor liberado pela corrente quente. Encontre a vazão de água ṁc necessária.

ṁh = 3 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 150 → 80 °Ct: 20 → 75 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 10 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
220 g de ArP = 800 kPaT = 5 °CV = ?

Que volume V ocupam 220 g de Ar a 800 kPa e 5 °C? Trate como gás ideal.

m = 220 gM = 39,95 g/molP = 800 kPaT = 5 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Lei dos gases ideaisDifícil
Estado 1Estado 2

Uma quantidade fixa de N₂ passa de 350 kPa, 20 L, 35 °C para 500 kPa e 150 °C. Encontre o novo volume V2.

P1 = 350 kPaV1 = 20 LT1 = 35 °CP2 = 500 kPaT2 = 150 °C
V2 = L
7.EstequiometriaMédia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

12 g de H2 e 48 g de O2 reagem segundo 2H2 + O2 → 2H2O. Que massa m de H2O se pode formar?

M(H2) = 2,016M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.EstequiometriaDifícil
m(Al)n(Al)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(Al)× 2/2× M(AlCl3​)

Na reação 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3, 12 g de Al reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 48,63 g de AlCl3. Calcule o rendimento percentual Y.

M(Al) = 26,98 g/molM(AlCl3) = 133,33 g/molreal: 48,63 g
Y = %
9.Equilíbrio químicoMédia
H2​I2​HII0,10,10C−x−x+2xE0,1 − x0,1 − x2x

0,1 mol/L de H₂ e 0,1 mol/L de I₂ são colocados em um recipiente e reagem: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, com Kc = 16. Calcule a concentração no equilíbrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,1 mol/LKc = 16
[H2] = mol/L
10.Equilíbrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I100C−x+x+xE1 − xxx

O PCl₅ se decompõe: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, com Kc = 0,2 na temperatura da reação. Um recipiente começa apenas com 1 mol/L de PCl₅. Calcule a concentração no equilíbrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 1 mol/LKc = 0,2
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria e entalpiaMédia
Tf​ = ?Cobrem = 50 gT = 130 °Cc = 0,385 J/(g·°C)Águam = 400 gT = 22 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Um bloco de 50 g de cobre (c = 0,385 J/(g·°C)) a 130 °C é colocado em 400 g de água (c = 4,18 J/(g·°C)) a 22 °C em um copo isolado. Calcule a temperatura final Tf.

mmetal = 50 gcmetal = 0,385 J/(g·°C)Tmetal = 130 °Cmwater = 400 gTwater = 22 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria e entalpiaDifícil
H2C4​H10​ + 13O₂reagentes8CO₂ + 10H₂O(l)produtosΔH° = ?

Use as entalpias padrão de formação para calcular o ΔH° da reação 2C4H10 + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O(l).

ΔH°f(C4H10) = −125,6 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
ΔH° = kJ
13.Cinética químicaMédia
t (min)X (%)t = ?99%

Uma reação de primeira ordem em um reator batelada tem k = 0,2 min⁻¹. Quanto tempo leva para chegar a 99% de conversão? Encontre t.

k = 0,2 min⁻¹X = 99 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk30 °C0,140 °C0,276

A constante de velocidade de uma reação é 0,1 min⁻¹ a 30 °C e 0,276 min⁻¹ a 40 °C. Encontre a energia de ativação Ea.

k1 = 0,1 min⁻¹T1 = 30 °Ck2 = 0,276 min⁻¹T2 = 40 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
QX = 75%mesmos Q, k e X que o CSTR

Uma reação de primeira ordem em fase líquida deve atingir 75% de conversão. Quantas vezes maior um CSTR precisa ser que um PFR para a mesma vazão de alimentação, constante de velocidade e conversão? Encontre a razão VCSTR/VPFR.

X = 75%primeira ordem, mesmos k e Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil
V = 1000 LQ = 5 L/minX = ?

Uma reação de primeira ordem em fase líquida (k = 0,1 min⁻¹) ocorre em um CSTR de 1000 L alimentado a 5 L/min. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre a conversão X em porcentagem.

V = 1000 LQ = 5 L/mink = 0,1 min⁻¹
X = %
17.Trocadores de calor (LMTD)Média
comprimentoT85 °C50 °C45 °C15 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Um trocador de calor em contracorrente transfere 200 kW. O fluido quente esfria de 85 para 50 °C e o fluido frio aquece de 15 para 45 °C. O coeficiente global de transferência de calor é 200 W/(m²·K). Encontre a área de troca térmica A necessária.

Q̇ = 200 kWU = 200 W/(m²·K)Th: 85 → 50 °CTc: 15 → 45 °C
A = m²
18.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
comprimentoT165 °C105 °C47,01 °C25 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Óleo quente (1 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) esfria de 165 para 105 °C em um trocador em contracorrente. Ele aquece 1,5 kg/s de água (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) que entra a 25 °C. Com U = 200 W/(m²·K), encontre a área de troca térmica A necessária.

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 165 → 105 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 25 °CU = 200 W/(m²·K)
A = m²
19.Condução de calorMédia
Lã mineral, k = 0,04250 mmPoliestireno expandido, k = 0,03550 mm16 °C1 °CQ̇ = ?

Uma parede é feita de 250 mm de lã mineral e 50 mm de poliestireno expandido, com área de 12 m². As faces externas estão a 16 °C e 1 °C. Encontre o fluxo de calor Q̇ pela parede.

L1 = 250 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 16 °CT3 = 1 °C
Q̇ = W
20.Condução de calorDifícil
Madeira, k = 0,17100 mmVidro, k = 0,96150 mmambiente 22 °Cexterior -4 °CQ̇ = ?

Uma parede de 100 mm madeira e 150 mm vidro separa um ambiente a 22 °C do ar externo a -4 °C. Os coeficientes de convecção são 6 W/(m²·K) por dentro e 25 W/(m²·K) por fora, e a área da parede é 4 m². Encontre a perda de calor Q̇ pela parede.

L1 = 100 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 4 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -4 °C
Q̇ = W
21.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia
Q = 4 L/sD = 50 mmL = 50 mf = 0,03

Água escoa a 4 L/s em uma tubulação de 50 m de comprimento com diâmetro interno de 50 mm. Use o fator de atrito de Darcy f = 0,03 e g = 9,81 m/s². Encontre a perda de carga por atrito hf.

Q = 4 L/sL = 50 mD = 50 mmf = 0,03g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Atrito em tubulações e perda de cargaDifícil
K = 2Δz = ?L = 100 m, D = 100 mm, f = 0,0252× curva (K = 0,3)

Dois reservatórios abertos estão ligados por uma tubulação de 100 m de comprimento com diâmetro interno de 100 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,025. As perdas localizadas são uma entrada de cantos vivos (K = 0,5), 2 curvas (K = 0,3 cada), uma válvula (K = 2) e a saída no reservatório inferior (K = 1,0). Use g = 9,81 m/s². Que diferença de nível d'água Δz entre os reservatórios dá uma vazão de 15 L/s?

Q = 15 L/sL = 100 mD = 100 mmf = 0,025Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Δz = m
23.Bombas e potência de bombasMédia
PQ = 15 L/sH = 26 m

Uma bomba com rendimento de 82% fornece 15 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) contra uma altura manométrica de 26 m. Use g = 9,81 m/s². Encontre a potência no eixo Pshaft necessária, em kW.

Q = 15 L/sH = 26 mη = 82%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Bombas e potência de bombasDifícil
PQ = 100 L/sΔz = 14 mL = 150 m, D = 250 mm, f = 0,015, ΣK = 5

Uma bomba transporta 100 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) de um reservatório inferior aberto para um tanque superior cuja superfície da água está 14 m mais alta. A tubulação tem 150 m de comprimento, diâmetro interno de 250 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,015; os coeficientes de perda localizada somam ΣK = 5 (entrada e saída incluídas). Use g = 9,81 m/s². Encontre a altura manométrica H que a bomba deve acrescentar.

Q = 100 L/sΔz = 14 mL = 150 mD = 250 mmf = 0,015ΣK = 5
H = m

3Soluções

1.Balanço de massa

Resposta: ṁ2 = 125 kg/h

Balanço de massa em regime permanente: entrada = saída para o total e para cada componente. Problemas de mistura combinam os dois.

Balanços

Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
sal: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Resolva para ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 250·(5 − 15)/(15 − 35) = 125 kg/h

Resposta

ṁ2 = 125 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: P = 764,4 kg/h

Componente de amarração: um componente que passa inalterado em uma só corrente (aqui o soluto) liga as vazões diretamente. Depois o balanço total dá o resto.

Balanço do soluto

F·xF = P·xP → P = 4300·8/45 = 764,4 kg/h

Resposta

P = 764,4 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 45,14 °C

Balanço de energia do trocador: sem perdas, ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).

Calor liberado pela corrente quente

Q = 2·2,1·(170 − 80) = 378 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 378/(3·4,18) = 45,14 °C

Resposta

tout = 45,14 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 1,726 kg/s

Balanço de energia com perdas: calor liberado = calor absorvido + calor perdido.

Calor liberado

Qh = 3·2,1·(150 − 80) = 441 kW

Calor que chega à água

Qc = (1 − 0,1)·441 = 396,9 kW

Vazão de água

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 396,9/(4,18·55) = 1,726 kg/s

Resposta

ṁc = 1,726 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: V = 15,92 L

Lei dos gases ideais: PV = nRT, com n = m/M.

Mols

n = 220/39,95 = 5,507 mol
T = 5 + 273,15 = 278,1 K

Volume

V = nRT/P = 5,507·8,314·278,1/800 = 15,92 L

Resposta

V = 15,92 L
6.Lei dos gases ideais

Resposta: V2 = 19,22 L

Lei geral dos gases: para uma quantidade fixa de gás ideal, P1V1/T1 = P2V2/T2.

Temperaturas absolutas

T1 = 308,1 K, T2 = 423,1 K

Lei geral dos gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(350/500)·(423,1/308,1) = 19,22 L

Resposta

V2 = 19,22 L
7.Estequiometria

Resposta: m = 54,06 g

Estequiometria: uma equação acertada conta partículas, não gramas. Converta a massa em moles com n = m/M, use os coeficientes da equação como razão molar e volte à massa com m = n·M. Com dois reagentes, o reagente limitante é o que se esgota primeiro e fixa quanto produto se forma.

Moles de cada reagente

n(H2) = 12/2,016 = 5,952 mol
n(O2) = 48/32 = 1,5 mol

Reagente limitante

5,952/2 = 2,976, 1,5/1 = 1,5 → O2

Massa de produto

n(H2O) = 1,5·2 = 3 mol
m = 3·18,02 = 54,06 g

Resposta

m = 54,06 g
8.Estequiometria

Resposta: Y = 82 %

Estequiometria: uma equação acertada conta partículas, não gramas. Converta a massa em moles com n = m/M, use os coeficientes da equação como razão molar e volte à massa com m = n·M. Com dois reagentes, o reagente limitante é o que se esgota primeiro e fixa quanto produto se forma.

Rendimento teórico

n(Al) = 12/26,98 = 0,4448 mol
m = 0,4448·2/2·133,33 = 59,3 g

Rendimento percentual

Y = 48,63/59,3·100 = 82%

Resposta

Y = 82%
9.Equilíbrio químico

Resposta: [H2] = 0,03333 mol/L

Equilíbrio químico: para aA + bB ⇌ cC + dD, a constante de equilíbrio é Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), usando as concentrações no equilíbrio. Uma tabela ICE (Inicial, Variação, Equilíbrio) liga as quantidades iniciais às quantidades no equilíbrio por meio de uma única incógnita x, multiplicada pelos coeficientes.

Expressão do equilíbrio

16 = (2x)²/(0,1 − x)²

Tire a raiz quadrada

4 = 2x/(0,1 − x) → x = 0,1·4/(2 + 4) = 0,06667 mol/L

Concentração no equilíbrio

[H₂] = 0,1 − x = 0,03333 mol/L

Resposta

[H2] = 0,03333 mol/L
10.Equilíbrio químico

Resposta: [PCl5] = 0,6417 mol/L

Equilíbrio químico: para aA + bB ⇌ cC + dD, a constante de equilíbrio é Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), usando as concentrações no equilíbrio. Uma tabela ICE (Inicial, Variação, Equilíbrio) liga as quantidades iniciais às quantidades no equilíbrio por meio de uma única incógnita x, multiplicada pelos coeficientes.

Expressão do equilíbrio

0,2 = x²/(1 − x) → x² + 0,2·x − 0,2 = 0

Resolva a equação do segundo grau

x = (−0,2 + √(0,2² + 4·0,2))/2 = 0,3583 mol/L

Concentração no equilíbrio

[PCl₅] = 1 − 0,3583 = 0,6417 mol/L

Resposta

[PCl5] = 0,6417 mol/L
11.Calorimetria e entalpia

Resposta: Tf = 23,23 °C

Calor e entalpia: aquecer uma substância exige q = m·c·ΔT. Em um calorímetro, o calor cedido pelo corpo quente é igual ao calor recebido pelo frio. A variação de entalpia de uma reação vem das entalpias de formação: ΔH° = ΣΔH°f(produtos) − ΣΔH°f(reagentes), cada uma multiplicada pelo seu coeficiente.

Balanço de calor

50·0,385·(130 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 22)

Isole a temperatura final

Tf = (19,25·130 + 1672·22)/(19,25 + 1672) = 23,23 °C

Resposta

Tf = 23,23 °C
12.Calorimetria e entalpia

Resposta: ΔH° = −5755 kJ

Calor e entalpia: aquecer uma substância exige q = m·c·ΔT. Em um calorímetro, o calor cedido pelo corpo quente é igual ao calor recebido pelo frio. A variação de entalpia de uma reação vem das entalpias de formação: ΔH° = ΣΔH°f(produtos) − ΣΔH°f(reagentes), cada uma multiplicada pelo seu coeficiente.

Entalpia de reação

ΔH° = [8·(−393,5) + 10·(−285,8)] − [2·(−125,6) + 13·0] = −5755 kJ

Resposta

ΔH° = −5755 kJ

Negativo: a reação libera calor (exotérmica).

13.Cinética química

Resposta: t = 23,03 min

Velocidades de reação: para uma reação de primeira ordem −dC/dt = kC, então C = C₀·e−kt e a meia-vida ln 2/k não depende da concentração. Para uma reação de segunda ordem 1/C = 1/C₀ + kt. A constante de velocidade aumenta com a temperatura segundo Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Conversão e concentração

C/C0 = 1 − X = 0,01

Resolva para o tempo

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,01)/0,2 = 23,03 min

Resposta

t = 23,03 min
14.Cinética química

Resposta: Ea = 80,13 kJ/mol

Velocidades de reação: para uma reação de primeira ordem −dC/dt = kC, então C = C₀·e−kt e a meia-vida ln 2/k não depende da concentração. Para uma reação de segunda ordem 1/C = 1/C₀ + kt. A constante de velocidade aumenta com a temperatura segundo Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Temperaturas absolutas

T1 = 303,1 K, T2 = 313,1 K

Resolva Arrhenius para Ea

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·1,015/(-1,053e-4) = 80128 J/mol
Ea = 80,13 kJ/mol

Resposta

Ea = 80,13 kJ/mol
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: VCSTR/VPFR = 2,164

Reatores ideais, reação de primeira ordem (−rA = k·CA) em regime permanente, com tempo espacial τ = V/Q. Um CSTR é perfeitamente misturado, então todo o volume reage na baixa concentração de saída: τ = X/(k·(1 − X)) e CA = CA0/(1 + k·τ). Em um PFR cada fatia de fluido reage como um pequeno reator em batelada: τ = ln(1/(1 − X))/k e CA = CA0·e−k·τ. Para a mesma conversão, um CSTR sempre precisa de mais volume que um PFR.

k·τ para cada reator

CSTR: k·τ = X/(1 − X) = 0,75/0,25 = 3
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(4) = 1,386

Razão de volumes

VCSTR/VPFR = 3/1,386 = 2,164

Resposta

VCSTR/VPFR = 2,164

A diferença cresce rapidamente em conversões altas.

16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: X = 95,24 %

Reatores ideais, reação de primeira ordem (−rA = k·CA) em regime permanente, com tempo espacial τ = V/Q. Um CSTR é perfeitamente misturado, então todo o volume reage na baixa concentração de saída: τ = X/(k·(1 − X)) e CA = CA0/(1 + k·τ). Em um PFR cada fatia de fluido reage como um pequeno reator em batelada: τ = ln(1/(1 − X))/k e CA = CA0·e−k·τ. Para a mesma conversão, um CSTR sempre precisa de mais volume que um PFR.

Tempo espacial

τ = V/Q = 1000/5 = 200 min, kτ = 0,1·200 = 20

Conversão

X = kτ/(1 + kτ) = 20/(1 + 20) = 95,24%

Resposta

X = 95,24%
17.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 26,71 m²

Método da LMTD: a diferença de temperatura entre as correntes muda ao longo do trocador, então a equação de taxa usa sua média logarítmica: Q̇ = U·A·ΔTlm, com ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), onde ΔT₁ e ΔT₂ são as diferenças nas duas extremidades. Para as mesmas temperaturas de entrada e saída, a contracorrente dá um ΔTlm maior que correntes paralelas.

Diferenças de temperatura nas extremidades

Em contracorrente a entrada quente fica de frente para a saída fria, e a saída quente de frente para a entrada fria.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 85 − 45 = 40 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 50 − 15 = 35 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (40 − 35)/ln(40/35) = 37,44 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 200000/(200·37,44) = 26,71 m²

Resposta

A = 26,71 m²
18.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 7,058 m²

Método da LMTD: a diferença de temperatura entre as correntes muda ao longo do trocador, então a equação de taxa usa sua média logarítmica: Q̇ = U·A·ΔTlm, com ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), onde ΔT₁ e ΔT₂ são as diferenças nas duas extremidades. Para as mesmas temperaturas de entrada e saída, a contracorrente dá um ΔTlm maior que correntes paralelas.

Carga térmica e temperatura de saída da água

Q̇ = ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = 1·2,3·60 = 138 kW
Tc,out = 25 + 138/(1,5·4,18) = 47,01 °C

Diferenças de temperatura nas extremidades

Em contracorrente a entrada quente fica de frente para a saída fria, e a saída quente de frente para a entrada fria.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 165 − 47,01 = 118 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 105 − 25 = 80 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (118 − 80)/ln(118/80) = 97,77 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 138000/(200·97,77) = 7,058 m²

Resposta

A = 7,058 m²
19.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 23,44 W

Resistência térmica: o fluxo de calor permanente através de camadas em série se comporta como corrente em resistores em série: Q̇ = ΔT/ΣR, com R = L/(kA) para uma camada condutora e R = 1/(hA) para uma superfície com convecção. A queda de temperatura em cada camada é proporcional à sua resistência.

Resistências das camadas

R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,04·12) = 0,5208 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,035·12) = 0,119 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 15/0,6399 = 23,44 W

Resposta

Q̇ = 23,44 W
20.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 109,3 W

Resistência térmica: o fluxo de calor permanente através de camadas em série se comporta como corrente em resistores em série: Q̇ = ΔT/ΣR, com R = L/(kA) para uma camada condutora e R = 1/(hA) para uma superfície com convecção. A queda de temperatura em cada camada é proporcional à sua resistência.

Resistências em série

Ri = 1/(hiA) = 1/(6·4) = 0,04167 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,17·4) = 0,1471 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,96·4) = 0,03906 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·4) = 0,01 K/W
ΣR = 0,2378 K/W

Perda de calor

Q̇ = (22 − (-4))/0,2378 = 109,3 W

Resposta

Q̇ = 109,3 W
21.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: hf = 6,346 m

Escoamento em tubulações: o número de Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue o escoamento laminar (Re abaixo de cerca de 2000) do turbulento (acima de cerca de 4000). O atrito ao longo de uma tubulação custa a perda de carga de Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Conexões, válvulas, a entrada e a saída acrescentam perdas localizadas hm = ΣK·V²/(2g). Entre duas superfícies livres de reservatórios, a equação da energia dá Δz = hf + hm, incluindo a perda na saída K = 1.

Velocidade média

A = π·0,05²/4 = 0,001963 m²
V = Q/A = 0,004/0,001963 = 2,037 m/s

Carga cinética

V²/(2g) = 2,037²/(2·9,81) = 0,2115 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(50/0,05)·2,037²/(2·9,81) = 6,346 m

Resposta

hf = 6,346 m
22.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: Δz = 5,41 m

Escoamento em tubulações: o número de Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue o escoamento laminar (Re abaixo de cerca de 2000) do turbulento (acima de cerca de 4000). O atrito ao longo de uma tubulação custa a perda de carga de Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Conexões, válvulas, a entrada e a saída acrescentam perdas localizadas hm = ΣK·V²/(2g). Entre duas superfícies livres de reservatórios, a equação da energia dá Δz = hf + hm, incluindo a perda na saída K = 1.

Velocidade

V = Q/A = 0,015/0,007854 = 1,91 m/s
V²/(2g) = 0,1859 m

Coeficientes de perda

f·L/D = 0,025·100/0,1 = 25
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 2 + 1,0 = 4,1

Perda de carga total

hf = 25·0,1859 = 4,648 m
hm = 4,1·0,1859 = 0,7622 m
Δz = hf + hm = 5,41 m

Resposta

Δz = 5,41 m
23.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pshaft = 4,666 kW

Potência de bombas: a potência fornecida à água é a potência hidráulica Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. O eixo precisa fornecer mais porque a bomba perde parte dela: Pshaft = Ph/ηpump, e o motor consome Pel = Pshaft/ηmotor. A altura manométrica H da bomba decorre da equação da energia: desnível geométrico + carga de pressão + todas as perdas por atrito e localizadas.

Potência hidráulica

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,015·26 = 3,826 kW

Potência no eixo

Pshaft = Ph/η = 3,826/0,82 = 4,666 kW

Resposta

Pshaft = 4,666 kW
24.Bombas e potência de bombas

Resposta: H = 16,96 m

Potência de bombas: a potência fornecida à água é a potência hidráulica Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. O eixo precisa fornecer mais porque a bomba perde parte dela: Pshaft = Ph/ηpump, e o motor consome Pel = Pshaft/ηmotor. A altura manométrica H da bomba decorre da equação da energia: desnível geométrico + carga de pressão + todas as perdas por atrito e localizadas.

Velocidade

V = Q/A = 0,1/0,04909 = 2,037 m/s
V²/(2g) = 0,2115 m

Perdas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (9 + 5)·0,2115 = 2,961 m

Altura manométrica da bomba

As duas superfícies estão abertas e praticamente em repouso, então os termos de pressão e de velocidade desaparecem.

H = Δz + hL = 14 + 2,961 = 16,96 m

Resposta

H = 16,96 m

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