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 1550 kg/h · 20% salCorrente 2ṁ₂ = ? · 45% salProduto25% sal

Quanto da corrente 2 deve ser adicionado por hora à corrente 1 para que o produto da mistura contenha 25% de sal? Encontre ṁ2.

ṁ1 = 550 kg/hx1 = 20 %x2 = 45 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F500 kg/h · 17% NaOHProduto PP = ? · 40%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 = 500 kg/hxF = 17 %xP = 40 %
P = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado frioetanol · 130 °C100 °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 = 2,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 130 → 100 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado frioóleo leve · 120 °C70 °Cágua · 20 °C45 °C · ṁ = ?5% perdido

óleo leve quente aquece água em um trocador que perde para o ambiente 5% do calor liberado pela corrente quente. Encontre a vazão de água ṁc necessária.

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 120 → 70 °Ct: 20 → 45 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 5 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
490 g de N₂V = 50 LT = 80 °CP = ?

Um tanque de 50 L contém 490 g de N₂ a 80 °C. Trate como gás ideal e encontre a pressão P.

m = 490 gM = 28,01 g/molV = 50 LT = 80 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Lei dos gases ideaisDifícil
O₂, M = 32 g/molP = 1000 kPaT = 150 °Cρ = ?

Encontre a massa específica ρ de O₂ a 1000 kPa e 150 °C, tratando como gás ideal.

M = 32 g/molP = 1000 kPaT = 150 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.EstequiometriaMédia
m(X)n(X)n(MgO)m(MgO)÷ M(X)× 2/ν× M(MgO)

6 g de Mg e 40 g de O2 reagem segundo 2Mg + O2 → 2MgO. Que massa m de MgO se pode formar?

M(Mg) = 24,31M(O2) = 32M(MgO) = 40,3 g/mol
m = g
8.EstequiometriaDifícil
m(Fe2​O3​)n(Fe2​O3​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(Fe2​O3​)× 3/1× M(CO2​)

Na reação Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2, 16 g de Fe2O3 reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 12,04 g de CO2. Calcule o rendimento percentual Y.

M(Fe2O3) = 159,69 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreal: 12,04 g
Y = %
9.Equilíbrio químicoMédia
H2​I2​HII0,80,80C−x−x+2xE0,8 − x0,8 − x2x

0,8 mol/L de H₂ e 0,8 mol/L de I₂ são colocados em um recipiente e reagem: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, com Kc = 25. Calcule a concentração no equilíbrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,8 mol/LKc = 25
[HI] = mol/L
10.Equilíbrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,500C−x+x+xE0,5 − xxx

O PCl₅ se decompõe: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, com Kc = 0,04 na temperatura da reação. Um recipiente começa apenas com 0,5 mol/L de PCl₅. Calcule a concentração no equilíbrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LKc = 0,04
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria e entalpiaMédia
Tf​ = ?Zincom = 100 gT = 170 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Águam = 300 gT = 18 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Um bloco de 100 g de zinco (c = 0,388 J/(g·°C)) a 170 °C é colocado em 300 g de água (c = 4,18 J/(g·°C)) a 18 °C em um copo isolado. Calcule a temperatura final Tf.

mmetal = 100 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 170 °Cmwater = 300 gTwater = 18 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria e entalpiaDifícil
H50 g C2​H6​2C2​H6​ + 7O₂reagentes4CO₂ + 6H₂O(l)produtosq = ?

Use as entalpias padrão de formação para calcular o calor q liberado quando 50 g de C2H6 (M = 30,07 g/mol) queimam completamente: 2C2H6 + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O(l). Dê q como um número positivo.

ΔH°f(C2H6) = −84,7 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
q = kJ
13.Cinética químicaMédia
t (min)C (mol/L)20 min0,72

Em uma reação de primeira ordem a concentração de A cai de 1,2 mol/L para 0,72 mol/L em 20 min. Encontre a constante de velocidade k.

CA0 = 1,2 mol/LCA = 0,72 mol/Lt = 20 min
k = min⁻¹
14.Cinética químicaDifícil
Tk30 °C0,00250 °C?

Uma reação tem constante de velocidade de 0,002 min⁻¹ a 30 °C e energia de ativação de 40 kJ/mol. Encontre a constante de velocidade k2 a 50 °C.

k1 = 0,002 min⁻¹T1 = 30 °CT2 = 50 °CEa = 40 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
Q = 50 L/minX = 90%V = ?, k = 0,12 min⁻¹

Uma reação de primeira ordem em fase líquida A → B com k = 0,12 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 90% de conversão de A.

Q = 50 L/mink = 0,12 min⁻¹X = 90%
V = L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil
V = 200 LV = 200 LQ = 5 L/minX = ?

Uma reação de primeira ordem em fase líquida (k = 0,12 min⁻¹) ocorre em dois CSTRs iguais em série, cada um com 200 L. A vazão de alimentação é 5 L/min, a densidade é constante e os reatores estão em regime permanente. Encontre a conversão global X em porcentagem.

V = 200 L (×2)Q = 5 L/mink = 0,12 min⁻¹
X = %
17.Trocadores de calor (LMTD)Média
comprimentoT85 °C70 °C15 °C65 °CΔT₁ΔT₂correntes paralelas

Um trocador de calor em correntes paralelas transfere 300 kW. O fluido quente esfria de 85 para 70 °C e o fluido frio aquece de 15 para 65 °C. O coeficiente global de transferência de calor é 200 W/(m²·K). Encontre a área de troca térmica A necessária.

Q̇ = 300 kWU = 200 W/(m²·K)Th: 85 → 70 °CTc: 15 → 65 °C
A = m²
18.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
comprimentoT165 °C??25 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Em um trocador de calor em contracorrente as duas correntes têm a mesma taxa de capacidade térmica, ṁ·cp = 0,5 kW/K. A corrente quente entra a 165 °C e a corrente fria a 25 °C. O trocador tem A = 1 m² e U = 800 W/(m²·K). Encontre a temperatura de saída quente Th,out.

Ch = Cc = 0,5 kW/KTh,in = 165 °CTc,in = 25 °CA = 1 m²U = 800 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Condução de calorMédia
Poliestireno expandido, k = 0,035100 mmPlaca de gesso, k = 0,17150 mm24 °C-13 °CQ̇ = ?

Uma parede é feita de 100 mm de poliestireno expandido e 150 mm de placa de gesso, com área de 6 m². As faces externas estão a 24 °C e -13 °C. Encontre o fluxo de calor Q̇ pela parede.

L1 = 100 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 24 °CT3 = -13 °C
Q̇ = W
20.Condução de calorDifícil
Tijolo, k = 0,7250 mmConcreto, k = 1,450 mmambiente 20 °Cexterior -14 °CQ̇ = ?

Uma parede de 50 mm tijolo e 50 mm concreto separa um ambiente a 20 °C do ar externo a -14 °C. Os coeficientes de convecção são 10 W/(m²·K) por dentro e 20 W/(m²·K) por fora, e a área da parede é 6 m². Encontre a perda de calor Q̇ pela parede.

L1 = 50 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 6 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -14 °C
Q̇ = W
21.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia
V = 1,8 m/sD = 300 mmL = 1000 mf = 0,022

Água escoa com velocidade média de 1,8 m/s em uma tubulação de 1000 m de comprimento com diâmetro interno de 300 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.

V = 1,8 m/sL = 1000 mD = 300 mmf = 0,022g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Atrito em tubulações e perda de cargaDifícil
K = 2Δz = 13 mL = 300 m, D = 200 mm, f = 0,0184× curva (K = 0,3)

Dois reservatórios abertos estão ligados por uma tubulação de 300 m de comprimento com diâmetro interno de 200 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,018. A superfície da água do reservatório superior está 13 m acima da do inferior. As perdas localizadas são uma entrada de cantos vivos (K = 0,5), 4 curvas (K = 0,3 cada), uma válvula (K = 2) e a saída no reservatório inferior (K = 1,0). Use g = 9,81 m/s². Encontre a vazão Q em L/s.

Δz = 13 mL = 300 mD = 200 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Bombas e potência de bombasMédia
PQ = 25 L/sH = 22 m

Uma bomba com rendimento de 60% fornece 25 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) contra uma altura manométrica de 22 m. Use g = 9,81 m/s². Encontre a potência no eixo Pshaft necessária, em kW.

Q = 25 L/sH = 22 mη = 60%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Bombas e potência de bombasDifícil
400 kPa (manométrica)PQ = 100 L/sΔz = 20 mL = 150 m, D = 250 mm, f = 0,02, ΣK = 8

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 20 m mais alta. A tubulação tem 150 m de comprimento, diâmetro interno de 250 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,02; os coeficientes de perda localizada somam ΣK = 8 (entrada e saída incluídas). Use g = 9,81 m/s². O tanque superior é fechado e o ar acima da água está a uma pressão manométrica de 400 kPa. Encontre a altura manométrica H que a bomba deve acrescentar.

Q = 100 L/sΔz = 20 mL = 150 mD = 250 mmf = 0,02ΣK = 8ptank = 400 kPa
H = m

3Soluções

1.Balanço de massa

Resposta: ṁ2 = 137,5 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) = 550·(20 − 25)/(25 − 45) = 137,5 kg/h

Resposta

ṁ2 = 137,5 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: P = 212,5 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 = 500·17/40 = 212,5 kg/h

Resposta

P = 212,5 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 49,19 °C

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

Calor liberado pela corrente quente

Q = 2,5·2,44·(130 − 100) = 183 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 183/(1,5·4,18) = 49,19 °C

Resposta

tout = 49,19 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 0,9545 kg/s

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

Calor liberado

Qh = 1·2,1·(120 − 70) = 105 kW

Calor que chega à água

Qc = (1 − 0,05)·105 = 99,75 kW

Vazão de água

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 99,75/(4,18·25) = 0,9545 kg/s

Resposta

ṁc = 0,9545 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: P = 1027 kPa

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

Mols

n = m/M = 490/28,01 = 17,49 mol
T = 80 + 273,15 = 353,1 K

Pressão

P = nRT/V = 17,49·8,314·353,1/0,05 = 1027 kPa

Resposta

P = 1027 kPa
6.Lei dos gases ideais

Resposta: ρ = 9,096 kg/m³

Massa específica de um gás ideal: ρ = PM/(RT).

Rearranje a lei dos gases

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 150 + 273,15 = 423,1 K

Massa específica

ρ = 1000·32/(8,314·423,1) = 9,096 kg/m³

Resposta

ρ = 9,096 kg/m³
7.Estequiometria

Resposta: m = 9,947 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(Mg) = 6/24,31 = 0,2468 mol
n(O2) = 40/32 = 1,25 mol

Reagente limitante

0,2468/2 = 0,1234, 1,25/1 = 1,25 → Mg

Massa de produto

n(MgO) = 0,1234·2 = 0,2468 mol
m = 0,2468·40,3 = 9,947 g

Resposta

m = 9,947 g
8.Estequiometria

Resposta: Y = 91,01 %

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(Fe2O3) = 16/159,69 = 0,1002 mol
m = 0,1002·3/1·44,01 = 13,23 g

Rendimento percentual

Y = 12,04/13,23·100 = 91,01%

Resposta

Y = 91,01%
9.Equilíbrio químico

Resposta: [HI] = 1,143 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

25 = (2x)²/(0,8 − x)²

Tire a raiz quadrada

5 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·5/(2 + 5) = 0,5714 mol/L

Concentração no equilíbrio

[HI] = 2x = 1,143 mol/L

Resposta

[HI] = 1,143 mol/L
10.Equilíbrio químico

Resposta: [PCl5] = 0,3772 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

0,04 = x²/(0,5 − x) → x² + 0,04·x − 0,02 = 0

Resolva a equação do segundo grau

x = (−0,04 + √(0,04² + 4·0,02))/2 = 0,1228 mol/L

Concentração no equilíbrio

[PCl₅] = 0,5 − 0,1228 = 0,3772 mol/L

Resposta

[PCl5] = 0,3772 mol/L
11.Calorimetria e entalpia

Resposta: Tf = 22,56 °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

100·0,388·(170 − Tf) = 300·4,18·(Tf − 18)

Isole a temperatura final

Tf = (38,8·170 + 1254·18)/(38,8 + 1254) = 22,56 °C

Resposta

Tf = 22,56 °C
12.Calorimetria e entalpia

Resposta: q = 2593 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° = [4·(−393,5) + 6·(−285,8)] − [2·(−84,7) + 7·0] = −3119 kJ

Calor para a massa dada

n = 50/30,07 = 1,663 mol
q = n·|ΔH°/2| = 1,663·1560 = 2593 kJ

Resposta

q = 2593 kJ
13.Cinética química

Resposta: k = 0,02554 min⁻¹

Integrated rate laws: zero order: C = C₀ − kt (straight line, t½ = C₀/(2k)); first order: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); second order: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Conversion X means C = C₀(1 − X).

Lei integrada de primeira ordem

k = ln(CA0/CA)/t = ln(1,2/0,72)/20 = 0,5108/20 = 0,02554 min⁻¹

Resposta

k = 0,02554 min⁻¹
14.Cinética química

Resposta: k2 = 0,005341 min⁻¹

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 = 323,1 K

Razão de Arrhenius

ln(k2/k1) = −(40000/8,314)·(1/323,1 − 1/303,1) = 0,9822
k2 = 0,002·e0,9822 = 0,005341 min⁻¹

Resposta

k2 = 0,005341 min⁻¹
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: V = 959,4 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 − 0,9))/0,12 = 2,303/0,12 = 19,19 min

Volume

V = Q·τ = 50·19,19 = 959,4 L

Resposta

V = 959,4 L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: X = 97,03 %

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 = 200/5 = 40 min, kτ = 0,12·40 = 4,8

Conversão

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 4,8) = 0,1724
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,02973
X = 1 − 0,02973 = 97,03%

Resposta

X = 97,03%
17.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 60,9 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 = 85 − 15 = 70 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 70 − 65 = 5 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (70 − 5)/ln(70/5) = 24,63 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 300000/(200·24,63) = 60,9 m²

Resposta

A = 60,9 m²
18.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: Th,out = 78,85 °C

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

Diferença de temperatura constante

A saída fria fica em frente à entrada quente: Tc,out = Tc,in + (Th,in − Th,out), então ΔT₁ = Th,in − Tc,out = Th,out − Tc,in = ΔT₂.

ΔTlm = Th,out − Tc,in

Balanço de energia igual à equação de taxa

0,5·(165 − Th,out) = 0,8·(Th,out − 25)
Th,out = (0,5·165 + 0,8·25)/(0,5 + 0,8) = 78,85 °C

Resposta

Th,out = 78,85 °C

Calor transferido: Q̇ = 43,08 kW; a corrente fria sai a 111,2 °C.

19.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 59,37 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) = (100/1000)/(0,035·6) = 0,4762 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,17·6) = 0,1471 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 37/0,6232 = 59,37 W

Resposta

Q̇ = 59,37 W
20.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 799,5 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/(10·6) = 0,01667 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,72·6) = 0,01157 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(1,4·6) = 0,005952 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·6) = 0,008333 K/W
ΣR = 0,04253 K/W

Perda de calor

Q̇ = (20 − (-14))/0,04253 = 799,5 W

Resposta

Q̇ = 799,5 W
21.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: hf = 12,11 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.

Carga cinética

V²/(2g) = 1,8²/(2·9,81) = 0,1651 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,022·(1000/0,3)·1,8²/(2·9,81) = 12,11 m

Resposta

hf = 12,11 m
22.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: Q = 89,11 L/s

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.

Coeficientes de perda

f·L/D = 0,018·300/0,2 = 27
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 2 + 1,0 = 4,7

Equação da energia

As duas superfícies estão abertas para o ar e praticamente em repouso, então todo o Δz é perdido na tubulação.

13 = (27 + 4,7)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·13/31,7) = 2,837 m/s

Vazão

Q = V·π·D²/4 = 2,837·0,03142 = 0,08911 m³/s = 89,11 L/s

Resposta

Q = 89,11 L/s
23.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pshaft = 8,993 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 = 1000·9,81·0,025·22 = 5,396 kW

Potência no eixo

Pshaft = Ph/η = 5,396/0,6 = 8,993 kW

Resposta

Pshaft = 8,993 kW
24.Bombas e potência de bombas

Resposta: H = 65,01 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) = (12 + 8)·0,2115 = 4,23 m

Carga de pressão

p/(ρ·g) = 400000/(1000·9,81) = 40,77 m

Altura manométrica da bomba

As duas superfícies estão praticamente em repouso, então não há termo de carga cinética.

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 20 + 40,77 + 4,23 = 65,01 m

Resposta

H = 65,01 m

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