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 11000 kg/h · 20% NaOHCorrente 2ṁ₂ = ? · 45% NaOHProduto25% NaOH

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

ṁ1 = 1000 kg/hx1 = 20 %x2 = 45 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F2200 kg/h · 5% açúcarProduto P60% açúcarVapor W (água pura)W = ? kg/h

Um evaporador concentra uma solução de açúcar evaporando água pura. Encontre a água evaporada W em kg/h.

F = 2200 kg/hxF = 5 %xP = 60 %
W = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado frioóleo leve · 160 °C70 °Cágua · 20 °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 = 1,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 160 → 70 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado frioóleo leve · 170 °C90 °Cágua · 10 °C80 °C · ṁ = ?15% perdido

óleo leve 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 = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 170 → 90 °Ct: 10 → 80 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 15 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
140 g de ArP = 700 kPaT = 30 °CV = ?

Que volume V ocupam 140 g de Ar a 700 kPa e 30 °C? Trate como gás ideal.

m = 140 gM = 39,95 g/molP = 700 kPaT = 30 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Lei dos gases ideaisDifícil
Estado 1Estado 2

Uma quantidade fixa de N₂ passa de 150 kPa, 5 L, 40 °C para 600 kPa e 100 °C. Encontre o novo volume V2.

P1 = 150 kPaV1 = 5 LT1 = 40 °CP2 = 600 kPaT2 = 100 °C
V2 = L
7.EstequiometriaMédia
m(X)n(X)n(MgO)m(MgO)÷ M(X)× 2/ν× M(MgO)

24 g de Mg e 80 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(C3​H8​)n(C3​H8​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(C3​H8​)× 3/1× M(CO2​)

Na reação C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O, 6 g de C3H8 reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 14,01 g de CO2. Calcule o rendimento percentual Y.

M(C3H8) = 44,1 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreal: 14,01 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 = 54. Calcule a concentração no equilíbrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,1 mol/LKc = 54
[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 = 0,05 na temperatura da reação. Um recipiente começa apenas com 1,5 mol/L de PCl₅. Calcule a concentração no equilíbrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 1,5 mol/LKc = 0,05
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria e entalpiaMédia
Tf​ = ?Zincom = 200 gT = 160 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Águam = 250 gT = 20 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Um bloco de 200 g de zinco (c = 0,388 J/(g·°C)) a 160 °C é colocado em 250 g de água (c = 4,18 J/(g·°C)) a 20 °C em um copo isolado. Calcule a temperatura final Tf.

mmetal = 200 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 160 °Cmwater = 250 gTwater = 20 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria e entalpiaDifícil
H50 g C3​H8​C3​H8​ + 5O₂reagentes3CO₂ + 4H₂O(l)produtosq = ?

Use as entalpias padrão de formação para calcular o calor q liberado quando 50 g de C3H8 (M = 44,1 g/mol) queimam completamente: C3H8 + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O(l). Dê q como um número positivo.

ΔH°f(C3H8) = −103,8 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)X (%)t = ?95%

Uma reação de primeira ordem em um reator batelada tem k = 0,2 min⁻¹. Quanto tempo leva para chegar a 95% de conversão? Encontre t.

k = 0,2 min⁻¹X = 95 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
1/Tln kT = 100 °Cln 0,1ln A = ?Ea​ = 60 kJ/mol

Uma reação de primeira ordem tem constante de velocidade de 0,1 s⁻¹ a 100 °C e energia de ativação de 60 kJ/mol. Encontre o fator pré-exponencial A na equação de Arrhenius.

k = 0,1 s⁻¹T = 100 °CEa = 60 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
A = s⁻¹
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
QX = 80%mesmos Q, k e X que o CSTR

Uma reação de primeira ordem em fase líquida deve atingir 80% 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 = 80%primeira ordem, mesmos k e Q
VCSTR/VPFR =
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 = 0,15 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 = 0,15 min⁻¹
X = %
17.Trocadores de calor (LMTD)Média
comprimentoT155 °C120 °C85 °C30 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Um trocador de calor em contracorrente transfere 90 kW. Sua área de troca térmica é 1 m². O fluido quente esfria de 155 para 120 °C e o fluido frio aquece de 30 para 85 °C. Encontre o coeficiente global de transferência de calor U.

Q̇ = 90 kWA = 1 m²Th: 155 → 120 °CTc: 30 → 85 °C
U = W/(m²·K)
18.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
comprimentoT85 °C??20 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Em um trocador de calor em contracorrente as duas correntes têm a mesma taxa de capacidade térmica, ṁ·cp = 1 kW/K. A corrente quente entra a 85 °C e a corrente fria a 20 °C. O trocador tem A = 3 m² e U = 500 W/(m²·K). Encontre a temperatura de saída quente Th,out.

Ch = Cc = 1 kW/KTh,in = 85 °CTc,in = 20 °CA = 3 m²U = 500 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Condução de calorMédia
Poliestireno expandido, k = 0,035150 mmConcreto, k = 1,425 mm15 °C-9 °CQ̇ = ?

Uma parede é feita de 150 mm de poliestireno expandido e 25 mm de concreto, com área de 20 m². As faces externas estão a 15 °C e -9 °C. Encontre o fluxo de calor Q̇ pela parede.

L1 = 150 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 20 m²T1 = 15 °CT3 = -9 °C
Q̇ = W
20.Condução de calorDifícil
Placa de gesso, k = 0,17200 mmLã mineral, k = 0,04100 mmambiente 20 °Cexterior -12 °CQ̇ = ?

Uma parede de 200 mm placa de gesso e 100 mm lã mineral separa um ambiente a 20 °C do ar externo a -12 °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 = 200 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 4 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -12 °C
Q̇ = W
21.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia
V = 2,7 m/sD = 150 mmL = 50 mf = 0,028

Água escoa com velocidade média de 2,7 m/s em uma tubulação de 50 m de comprimento com diâmetro interno de 150 mm. Use o fator de atrito de Darcy f = 0,028 e g = 9,81 m/s². Encontre a perda de carga por atrito hf.

V = 2,7 m/sL = 50 mD = 150 mmf = 0,028g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Atrito em tubulações e perda de cargaDifícil
K = 2saída livreH = ?L = 300 m, D = 300 mm, f = 0,022× curva (K = 0,3)

Uma tubulação de 300 m de comprimento com diâmetro interno de 300 mm (fator de atrito de Darcy f = 0,02) sai de um reservatório aberto e descarrega como jato livre no ar. As perdas localizadas são uma entrada de cantos vivos (K = 0,5), 2 curvas (K = 0,3 cada) e uma válvula (K = 2). 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 100 L/s?

Q = 100 L/sL = 300 mD = 300 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 2
H = m
23.Bombas e potência de bombasMédia
PQ = 150 L/sH = 64 m

Em um ensaio, uma bomba fornece 150 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) contra uma altura manométrica de 64 m enquanto seu eixo absorve 130,8 kW. Use g = 9,81 m/s². Encontre o rendimento da bomba η em porcentagem.

Q = 150 L/sH = 64 mPshaft = 130,8 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Bombas e potência de bombasDifícil
PQ = 120 L/sΔz = 23 mL = 150 m, D = 250 mm, f = 0,02, ΣK = 5

Uma bomba transporta 120 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) de um reservatório inferior aberto para um tanque superior cuja superfície da água está 23 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 = 5 (entrada e saída incluídas). Use g = 9,81 m/s². O rendimento da bomba é 65%. Encontre a potência no eixo Pshaft em kW.

Q = 120 L/sΔz = 23 mL = 150 mD = 250 mmf = 0,02ΣK = 5η = 65%
Pshaft = kW

3Soluções

1.Balanço de massa

Resposta: ṁ2 = 250 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) = 1000·(20 − 25)/(25 − 45) = 250 kg/h

Resposta

ṁ2 = 250 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: W = 2017 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 = 2200·5/60 = 183,3 kg/h

Balanço total

W = F − P = 2200 − 183,3 = 2017 kg/h

Resposta

W = 2017 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 53,91 °C

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

Calor liberado pela corrente quente

Q = 1,5·2,1·(160 − 70) = 283,5 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 283,5/(2·4,18) = 53,91 °C

Resposta

tout = 53,91 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 0,244 kg/s

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

Calor liberado

Qh = 0,5·2,1·(170 − 90) = 84 kW

Calor que chega à água

Qc = (1 − 0,15)·84 = 71,4 kW

Vazão de água

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 71,4/(4,18·70) = 0,244 kg/s

Resposta

ṁc = 0,244 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: V = 12,62 L

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

Mols

n = 140/39,95 = 3,504 mol
T = 30 + 273,15 = 303,1 K

Volume

V = nRT/P = 3,504·8,314·303,1/700 = 12,62 L

Resposta

V = 12,62 L
6.Lei dos gases ideais

Resposta: V2 = 1,49 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 313,1 K, T2 = 373,1 K

Lei geral dos gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(150/600)·(373,1/313,1) = 1,49 L

Resposta

V2 = 1,49 L
7.Estequiometria

Resposta: m = 39,79 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) = 24/24,31 = 0,9872 mol
n(O2) = 80/32 = 2,5 mol

Reagente limitante

0,9872/2 = 0,4936, 2,5/1 = 2,5 → Mg

Massa de produto

n(MgO) = 0,4936·2 = 0,9872 mol
m = 0,9872·40,3 = 39,79 g

Resposta

m = 39,79 g
8.Estequiometria

Resposta: Y = 77,99 %

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(C3H8) = 6/44,1 = 0,1361 mol
m = 0,1361·3/1·44,01 = 17,96 g

Rendimento percentual

Y = 14,01/17,96·100 = 77,99%

Resposta

Y = 77,99%
9.Equilíbrio químico

Resposta: [HI] = 0,1572 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

54 = (2x)²/(0,1 − x)²

Tire a raiz quadrada

7,348 = 2x/(0,1 − x) → x = 0,1·7,348/(2 + 7,348) = 0,07861 mol/L

Concentração no equilíbrio

[HI] = 2x = 0,1572 mol/L

Resposta

[HI] = 0,1572 mol/L
10.Equilíbrio químico

Resposta: [Cl2] = 0,25 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

0,05 = x²/(1,5 − x) → x² + 0,05·x − 0,075 = 0

Resolva a equação do segundo grau

x = (−0,05 + √(0,05² + 4·0,075))/2 = 0,25 mol/L

Concentração no equilíbrio

[Cl₂] = x = 0,25 mol/L

Resposta

[Cl2] = 0,25 mol/L
11.Calorimetria e entalpia

Resposta: Tf = 29,68 °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

200·0,388·(160 − Tf) = 250·4,18·(Tf − 20)

Isole a temperatura final

Tf = (77,6·160 + 1045·20)/(77,6 + 1045) = 29,68 °C

Resposta

Tf = 29,68 °C
12.Calorimetria e entalpia

Resposta: q = 2517 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° = [3·(−393,5) + 4·(−285,8)] − [1·(−103,8) + 5·0] = −2220 kJ

Calor para a massa dada

n = 50/44,1 = 1,134 mol
q = n·|ΔH°/1| = 1,134·2220 = 2517 kJ

Resposta

q = 2517 kJ
13.Cinética química

Resposta: t = 14,98 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 = 0,05

Resolva para o tempo

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,05)/0,2 = 14,98 min

Resposta

t = 14,98 min
14.Cinética química

Resposta: A = 2,508 × 10⁷ s⁻¹

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

T = 100 + 273,15 = 373,1 K

Resolva Arrhenius para A

Ea/(RT) = 60000/(8,314·373,1) = 19,34
A = k·e19,34 = 0,1·2,508 × 10⁸ = 2,508 × 10⁷ s⁻¹

Resposta

A = 2,508 × 10⁷ s⁻¹
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: VCSTR/VPFR = 2,485

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) = 0,8/0,2 = 4
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(5) = 1,609

Razão de volumes

VCSTR/VPFR = 4/1,609 = 2,485

Resposta

VCSTR/VPFR = 2,485

A diferença cresce rapidamente em conversões altas.

16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: X = 97,96 %

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 = 0,15·40 = 6

Conversão

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 6) = 0,1429
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,02041
X = 1 − 0,02041 = 97,96%

Resposta

X = 97,96%
17.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: U = 1131 W/(m²·K)

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.

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 = 155 − 85 = 70 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 120 − 30 = 90 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (70 − 90)/ln(70/90) = 79,58 K

Coeficiente global

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 90000/(1·79,58) = 1131 W/(m²·K)

Resposta

U = 1131 W/(m²·K)
18.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: Th,out = 46 °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

1·(85 − Th,out) = 1,5·(Th,out − 20)
Th,out = (1·85 + 1,5·20)/(1 + 1,5) = 46 °C

Resposta

Th,out = 46 °C

Calor transferido: Q̇ = 39 kW; a corrente fria sai a 59 °C.

19.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 111,5 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 das camadas

R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,035·20) = 0,2143 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(1,4·20) = 0,0008929 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 24/0,2152 = 111,5 W

Resposta

Q̇ = 111,5 W
20.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 32,96 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) = (200/1000)/(0,17·4) = 0,2941 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,04·4) = 0,625 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·4) = 0,01 K/W
ΣR = 0,9708 K/W

Perda de calor

Q̇ = (20 − (-12))/0,9708 = 32,96 W

Resposta

Q̇ = 32,96 W
21.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: hf = 3,468 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) = 2,7²/(2·9,81) = 0,3716 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,028·(50/0,15)·2,7²/(2·9,81) = 3,468 m

Resposta

hf = 3,468 m
22.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: H = 2,458 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 = 0,1/0,07069 = 1,415 m/s
V²/(2g) = 0,102 m

Coeficientes de perda

f·L/D = 0,02·300/0,3 = 20
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 2 = 3,1

Equação da energia

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

H = (1 + 20 + 3,1)·0,102 = 2,458 m

Resposta

H = 2,458 m
23.Bombas e potência de bombas

Resposta: η = 72 %

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 = 1000·9,81·0,15·64 = 94,18 kW

Rendimento

η = Ph/Pshaft = 94,18/130,8 = 72%

Resposta

η = 72%
24.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pshaft = 51,03 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 = 0,12/0,04909 = 2,445 m/s
V²/(2g) = 0,3046 m

Perdas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (12 + 5)·0,3046 = 5,178 m

Altura manométrica da bomba

H = Δz + hL = 23 + 5,178 = 28,18 m

Potência no eixo

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,12·28,18/0,65 = 51,03 kW

Resposta

Pshaft = 51,03 kW

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