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 1600 kg/h · 30% NaOHCorrente 2ṁ₂ = ? · 15% NaOHProduto20% NaOH

Quanto da corrente 2 deve ser adicionado por hora à corrente 1 para que o produto da mistura contenha 20% de NaOH? Encontre ṁ2.

ṁ1 = 600 kg/hx1 = 30 %x2 = 15 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F3900 kg/h · 14% NaOHProduto PP = ? · 65%Vapor W (água pura)0% NaOH

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

F = 3900 kg/hxF = 14 %xP = 65 %
P = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado frioetanol · 170 °C140 °Cágua · 20 °Ct = ? °C

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

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 170 → 140 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado frioetanol · 180 °C60 °Cágua · 10 °C45 °C · ṁ = ?15% perdido

etanol quente aquece água em um trocador que perde para o ambiente 15% do calor liberado pela corrente quente. Encontre a vazão de água ṁc necessária.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 180 → 60 °Ct: 10 → 45 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 15 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
180 g de ArV = 50 LT = 55 °CP = ?

Um tanque de 50 L contém 180 g de Ar a 55 °C. Trate como gás ideal e encontre a pressão P.

m = 180 gM = 39,95 g/molV = 50 LT = 55 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Lei dos gases ideaisDifícil
Estado 1Estado 2

Uma quantidade fixa de O₂ passa de 350 kPa, 10 L, 30 °C para 400 kPa e 220 °C. Encontre o novo volume V2.

P1 = 350 kPaV1 = 10 LT1 = 30 °CP2 = 400 kPaT2 = 220 °C
V2 = L
7.EstequiometriaMédia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

6 g de H2 e 64 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(N2​)n(N2​)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(N2​)× 2/1× M(NH3​)

Na reação N2 + 3H2 → 2NH3, 10 g de N2 reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 9,97 g de NH3. Calcule o rendimento percentual Y.

M(N2) = 28,02 g/molM(NH3) = 17,03 g/molreal: 9,97 g
Y = %
9.Equilíbrio químicoMédia
H2​I2​HII110C−x−x+2xE1 − x1 − x2x

1 mol/L de H₂ e 1 mol/L de I₂ são colocados em um recipiente e reagem: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, com Kc = 36. Calcule a concentração no equilíbrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 36
[HI] = mol/L
10.Equilíbrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I1,500C−x+x+xE1,5 − xxx

O PCl₅ se decompõe: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, com Kc = 0,1 na temperatura da reação. Um recipiente começa apenas com 1,5 mol/L de PCl₅. Calcule a concentração no equilíbrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 1,5 mol/LKc = 0,1
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria e entalpiaMédia
Tf​ = ?Cobrem = 75 gT = 150 °Cc = 0,385 J/(g·°C)Águam = 100 gT = 21 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Um bloco de 75 g de cobre (c = 0,385 J/(g·°C)) a 150 °C é colocado em 100 g de água (c = 4,18 J/(g·°C)) a 21 °C em um copo isolado. Calcule a temperatura final Tf.

mmetal = 75 gcmetal = 0,385 J/(g·°C)Tmetal = 150 °Cmwater = 100 gTwater = 21 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria e entalpiaDifícil
HC6​H12​O6​ + 6O₂reagentes6CO₂ + 6H₂O(l)produtosΔH° = ?

Use as entalpias padrão de formação para calcular o ΔH° da reação C6H12O6 + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O(l).

ΔH°f(C6H12O6) = −1274 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 = ?75%

Uma reação de primeira ordem em um reator batelada tem k = 0,1 min⁻¹. Quanto tempo leva para chegar a 75% de conversão? Encontre t.

k = 0,1 min⁻¹X = 75 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk50 °Ck1​?2·k1​

Uma reação tem energia de ativação de 55 kJ/mol. A 50 °C ela é lenta demais. A que temperatura T2 (em °C) ela deve ser aquecida para ficar 2 vezes mais rápida?

Ea = 55 kJ/molT1 = 50 °Ck2/k1 = 2R = 8,314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
Q = 50 L/minX = 95%V = ?, k = 0,1 min⁻¹

Uma reação de primeira ordem em fase líquida A → B com k = 0,1 min⁻¹ é conduzida em um reator de escoamento tubular (PFR) alimentado a 50 L/min. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre o volume do reator V em litros para 95% de conversão de A.

Q = 50 L/mink = 0,1 min⁻¹X = 95%
V = L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil
Q = 20 L/minX = ?V = 250 L

Uma reação de primeira ordem em fase líquida (k = 0,05 min⁻¹) ocorre em um reator de escoamento tubular (PFR) de 250 L alimentado a 20 L/min. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre a conversão X em porcentagem.

V = 250 LQ = 20 L/mink = 0,05 min⁻¹
X = %
17.Trocadores de calor (LMTD)Média
comprimentoT165 °C70 °C25 °C50 °CΔT₁ΔT₂correntes paralelas

Um trocador de calor em correntes paralelas transfere 80 kW. O fluido quente esfria de 165 para 70 °C e o fluido frio aquece de 25 para 50 °C. O coeficiente global de transferência de calor é 800 W/(m²·K). Encontre a área de troca térmica A necessária.

Q̇ = 80 kWU = 800 W/(m²·K)Th: 165 → 70 °CTc: 25 → 50 °C
A = m²
18.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
comprimentoT180 °C150 °C18,25 °C10 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Óleo quente (0,5 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) esfria de 180 para 150 °C em um trocador em contracorrente. Ele aquece 1 kg/s de água (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) que entra a 10 °C. Com U = 200 W/(m²·K), encontre a área de troca térmica A necessária.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 180 → 150 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 10 °CU = 200 W/(m²·K)
A = m²
19.Condução de calorMédia
Placa de gesso, k = 0,17250 mmPoliestireno expandido, k = 0,03525 mm23 °C-4 °CQ̇ = ?

Uma parede é feita de 250 mm de placa de gesso e 25 mm de poliestireno expandido, com área de 8 m². As faces externas estão a 23 °C e -4 °C. Encontre o fluxo de calor Q̇ pela parede.

L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 23 °CT3 = -4 °C
Q̇ = W
20.Condução de calorDifícil
Lã mineral, k = 0,0450 mmPoliestireno expandido, k = 0,03525 mmambiente 22 °Cexterior -9 °CTs​ = ?Q̇

Uma parede de 50 mm lã mineral e 25 mm poliestireno expandido separa um ambiente a 22 °C do ar externo a -9 °C. Os coeficientes de convecção são 6 W/(m²·K) por dentro e 30 W/(m²·K) por fora, e a área da parede é 8 m². Encontre a temperatura Ts da superfície interna da parede.

L1 = 50 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 8 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -9 °C
Ts = °C
21.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia
Q = 4 L/sD = 50 mmL = 100 mf = 0,022

Água escoa a 4 L/s em uma tubulação de 100 m de comprimento com diâmetro interno de 50 mm. Use o fator de atrito de Darcy f = 0,022 e g = 9,81 m/s². Encontre a perda de carga por atrito hf.

Q = 4 L/sL = 100 mD = 50 mmf = 0,022g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Atrito em tubulações e perda de cargaDifícil
K = 5saída livreH = ?L = 300 m, D = 200 mm, f = 0,0183× curva (K = 0,3)

Uma tubulação de 300 m de comprimento com diâmetro interno de 200 mm (fator de atrito de Darcy f = 0,018) sai de um reservatório aberto e descarrega como jato livre no ar. As perdas localizadas são uma entrada de cantos vivos (K = 0,5), 3 curvas (K = 0,3 cada) e uma válvula (K = 5). Use g = 9,81 m/s². A que altura H a superfície do reservatório deve estar acima da saída da tubulação para uma vazão de 40 L/s?

Q = 40 L/sL = 300 mD = 200 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 5
H = m
23.Bombas e potência de bombasMédia
PQ = 20 L/sH = 52 m

Uma bomba com rendimento de 85% fornece 20 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) contra uma altura manométrica de 52 m. Use g = 9,81 m/s². Encontre a potência no eixo Pshaft necessária, em kW.

Q = 20 L/sH = 52 mη = 85%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Bombas e potência de bombasDifícil
PQ = 60 L/sΔz = 11 mL = 100 m, D = 200 mm, f = 0,022, ΣK = 5

Uma bomba transporta 60 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) de um reservatório inferior aberto para um tanque superior cuja superfície da água está 11 m mais alta. A tubulação tem 100 m de comprimento, diâmetro interno de 200 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,022; os coeficientes de perda localizada somam ΣK = 5 (entrada e saída incluídas). Use g = 9,81 m/s². O rendimento da bomba é 78%. Encontre a potência no eixo Pshaft em kW.

Q = 60 L/sΔz = 11 mL = 100 mD = 200 mmf = 0,022ΣK = 5η = 78%
Pshaft = kW

3Soluções

1.Balanço de massa

Resposta: ṁ2 = 1200 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
NaOH: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Resolva para ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 600·(30 − 20)/(20 − 15) = 1200 kg/h

Resposta

ṁ2 = 1200 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: P = 840 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 = 3900·14/65 = 840 kg/h

Resposta

P = 840 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 46,27 °C

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

Calor liberado pela corrente quente

Q = 1,5·2,44·(170 − 140) = 109,8 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 109,8/(1·4,18) = 46,27 °C

Resposta

tout = 46,27 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 0,8506 kg/s

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

Calor liberado

Qh = 0,5·2,44·(180 − 60) = 146,4 kW

Calor que chega à água

Qc = (1 − 0,15)·146,4 = 124,4 kW

Vazão de água

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 124,4/(4,18·35) = 0,8506 kg/s

Resposta

ṁc = 0,8506 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: P = 245,8 kPa

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

Mols

n = m/M = 180/39,95 = 4,506 mol
T = 55 + 273,15 = 328,1 K

Pressão

P = nRT/V = 4,506·8,314·328,1/0,05 = 245,8 kPa

Resposta

P = 245,8 kPa
6.Lei dos gases ideais

Resposta: V2 = 14,23 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 303,1 K, T2 = 493,1 K

Lei geral dos gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(350/400)·(493,1/303,1) = 14,23 L

Resposta

V2 = 14,23 L
7.Estequiometria

Resposta: m = 53,63 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) = 6/2,016 = 2,976 mol
n(O2) = 64/32 = 2 mol

Reagente limitante

2,976/2 = 1,488, 2/1 = 2 → H2

Massa de produto

n(H2O) = 1,488·2 = 2,976 mol
m = 2,976·18,02 = 53,63 g

Resposta

m = 53,63 g
8.Estequiometria

Resposta: Y = 82,02 %

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(N2) = 10/28,02 = 0,3569 mol
m = 0,3569·2/1·17,03 = 12,16 g

Rendimento percentual

Y = 9,97/12,16·100 = 82,02%

Resposta

Y = 82,02%
9.Equilíbrio químico

Resposta: [HI] = 1,5 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

36 = (2x)²/(1 − x)²

Tire a raiz quadrada

6 = 2x/(1 − x) → x = 1·6/(2 + 6) = 0,75 mol/L

Concentração no equilíbrio

[HI] = 2x = 1,5 mol/L

Resposta

[HI] = 1,5 mol/L
10.Equilíbrio químico

Resposta: [PCl5] = 1,159 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

0,1 = x²/(1,5 − x) → x² + 0,1·x − 0,15 = 0

Resolva a equação do segundo grau

x = (−0,1 + √(0,1² + 4·0,15))/2 = 0,3405 mol/L

Concentração no equilíbrio

[PCl₅] = 1,5 − 0,3405 = 1,159 mol/L

Resposta

[PCl5] = 1,159 mol/L
11.Calorimetria e entalpia

Resposta: Tf = 29,34 °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

75·0,385·(150 − Tf) = 100·4,18·(Tf − 21)

Isole a temperatura final

Tf = (28,88·150 + 418·21)/(28,88 + 418) = 29,34 °C

Resposta

Tf = 29,34 °C
12.Calorimetria e entalpia

Resposta: ΔH° = −2802 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° = [6·(−393,5) + 6·(−285,8)] − [1·(−1274) + 6·0] = −2802 kJ

Resposta

ΔH° = −2802 kJ

Negativo: a reação libera calor (exotérmica).

13.Cinética química

Resposta: t = 13,86 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 = 0,25

Resolva para o tempo

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,25)/0,1 = 13,86 min

Resposta

t = 13,86 min
14.Cinética química

Resposta: T2 = 61,33 °C

Reaction rates: for a first-order reaction −dC/dt = kC, so C = C₀·e−kt and the half-life ln 2/k does not depend on concentration. For a second-order reaction 1/C = 1/C₀ + kt. The rate constant rises with temperature following Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Temperatura absoluta

T1 = 323,1 K

Resolva Arrhenius para T₂

1/T2 = 1/323,1 − 8,314·ln(2)/55000 = 3,095 × 10⁻³ − 1,048 × 10⁻⁴ = 2,990 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 334,5 K = 61,33 °C

Resposta

T2 = 61,33 °C
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: V = 1498 L

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 = ln(1/(1 − 0,95))/0,1 = 2,996/0,1 = 29,96 min

Volume

V = Q·τ = 50·29,96 = 1498 L

Resposta

V = 1498 L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: X = 46,47 %

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 = 250/20 = 12,5 min, kτ = 0,05·12,5 = 0,625

Conversão

X = 1 − e−kτ = 1 − e−0,625 = 46,47%

Resposta

X = 46,47%
17.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 1,622 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 correntes paralelas as duas entradas ficam na mesma extremidade, e as duas saídas na outra.

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 165 − 25 = 140 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 70 − 50 = 20 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (140 − 20)/ln(140/20) = 61,67 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 80000/(800·61,67) = 1,622 m²

Resposta

A = 1,622 m²
18.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 1,145 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) = 0,5·2,3·30 = 34,5 kW
Tc,out = 10 + 34,5/(1·4,18) = 18,25 °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 = 180 − 18,25 = 161,7 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 150 − 10 = 140 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (161,7 − 140)/ln(161,7/140) = 150,6 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 34500/(200·150,6) = 1,145 m²

Resposta

A = 1,145 m²
19.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 98,86 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)/(0,17·8) = 0,1838 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,035·8) = 0,08929 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 27/0,2731 = 98,86 W

Resposta

Q̇ = 98,86 W
20.Condução de calor

Resposta: Ts = 19,61 °C

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/(6·8) = 0,02083 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,04·8) = 0,1563 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,035·8) = 0,08929 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·8) = 0,004167 K/W
ΣR = 0,2705 K/W

Perda de calor

Q̇ = (22 − (-9))/0,2705 = 114,6 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 22 − 114,6·0,02083 = 19,61 °C

Resposta

Ts = 19,61 °C
21.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: hf = 9,307 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) = 0,022·(100/0,05)·2,037²/(2·9,81) = 9,307 m

Resposta

hf = 9,307 m
22.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: H = 2,842 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 = 0,04/0,03142 = 1,273 m/s
V²/(2g) = 0,08263 m

Coeficientes de perda

f·L/D = 0,018·300/0,2 = 27
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 5 = 6,4

Equação da energia

O jato na saída ainda carrega sua carga cinética; ela não é uma perda, mas precisa ser fornecida.

H = (1 + 27 + 6,4)·0,08263 = 2,842 m

Resposta

H = 2,842 m
23.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pshaft = 12 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 = 1000·9,81·0,02·52 = 10,2 kW

Potência no eixo

Pshaft = Ph/η = 10,2/0,85 = 12 kW

Resposta

Pshaft = 12 kW
24.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pshaft = 10,55 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.

Velocidade

V = Q/A = 0,06/0,03142 = 1,91 m/s
V²/(2g) = 0,1859 m

Perdas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (11 + 5)·0,1859 = 2,975 m

Altura manométrica da bomba

H = Δz + hL = 11 + 2,975 = 13,97 m

Potência no eixo

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,06·13,97/0,78 = 10,55 kW

Resposta

Pshaft = 10,55 kW

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