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 · 5% açúcarCorrente 2ṁ₂ = ? · 50% açúcarProduto30% açúcar

Quanto da corrente 2 deve ser adicionado por hora à corrente 1 para que o produto da mistura contenha 30% de açúcar? Encontre ṁ2.

ṁ1 = 550 kg/hx1 = 5 %x2 = 50 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F3400 kg/h · 18% açúcarProduto PP = ? · 55%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 = 3400 kg/hxF = 18 %xP = 55 %
P = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado frioetanol · 160 °C100 °Cágua · 15 °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 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 160 → 100 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado frioóleo leve · 140 °C90 °Cágua · 10 °C25 °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: 140 → 90 °Ct: 10 → 25 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 5 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
330 g de ArV = 10 LT = 35 °CP = ?

Um tanque de 10 L contém 330 g de Ar a 35 °C. Trate como gás ideal e encontre a pressão P.

m = 330 gM = 39,95 g/molV = 10 LT = 35 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Lei dos gases ideaisDifícil
Estado 1Estado 2

Uma quantidade fixa de He passa de 200 kPa, 20 L, 35 °C para 200 kPa e 100 °C. Encontre o novo volume V2.

P1 = 200 kPaV1 = 20 LT1 = 35 °CP2 = 200 kPaT2 = 100 °C
V2 = L
7.EstequiometriaMédia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 4/ν× M(H2​O)

6 g de C3H8 e 64 g de O2 reagem segundo C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O. Que massa m de H2O se pode formar?

M(C3H8) = 44,1M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.EstequiometriaDifícil
m(C6​H12​O6​)n(C6​H12​O6​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(C6​H12​O6​)× 2/1× M(CO2​)

Na reação C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2, 4 g de C6H12O6 reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 1,84 g de CO2. Calcule o rendimento percentual Y.

M(C6H12O6) = 180,16 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreal: 1,84 g
Y = %
9.Equilíbrio químicoMédia
H2​I2​HII0,20,20C−x−x+2xE0,2 − x0,2 − x2x

0,2 mol/L de H₂ e 0,2 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 = 0,2 mol/LKc = 36
[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 = 0,1 na temperatura da reação. Um recipiente começa apenas com 0,5 mol/L de PCl₅. Calcule a concentração no equilíbrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LKc = 0,1
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria e entalpiaMédia
Tf​ = ?Zincom = 100 gT = 150 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Águam = 250 gT = 22 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Um bloco de 100 g de zinco (c = 0,388 J/(g·°C)) a 150 °C é colocado em 250 g de água (c = 4,18 J/(g·°C)) a 22 °C em um copo isolado. Calcule a temperatura final Tf.

mmetal = 100 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 150 °Cmwater = 250 gTwater = 22 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria e entalpiaDifícil
H50 g CH3​OH2CH3​OH + 3O₂reagentes2CO₂ + 4H₂O(l)produtosq = ?

Use as entalpias padrão de formação para calcular o calor q liberado quando 50 g de CH3OH (M = 32,04 g/mol) queimam completamente: 2CH3OH + 3O₂ → 2CO₂ + 4H₂O(l). Dê q como um número positivo.

ΔH°f(CH3OH) = −238,7 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)X (%)t = ?50%

Uma reação de primeira ordem em um reator batelada tem k = 0,2 min⁻¹. Quanto tempo leva para chegar a 50% de conversão? Encontre t.

k = 0,2 min⁻¹X = 50 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk25 °Ck1​?3·k1​

Uma reação tem energia de ativação de 55 kJ/mol. A 25 °C ela é lenta demais. A que temperatura T2 (em °C) ela deve ser aquecida para ficar 3 vezes mais rápida?

Ea = 55 kJ/molT1 = 25 °Ck2/k1 = 3R = 8,314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
Q = 100 L/minX = 90%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 100 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 = 100 L/mink = 0,1 min⁻¹X = 90%
V = L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil
V = 250 LV = 250 LQ = 20 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 250 L. A vazão de alimentação é 20 L/min, a densidade é constante e os reatores estão em regime permanente. Encontre a conversão global X em porcentagem.

V = 250 L (×2)Q = 20 L/mink = 0,15 min⁻¹
X = %
17.Trocadores de calor (LMTD)Média
comprimentoT135 °C35 °C80 °C20 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Um trocador de calor casco e tubos (uma passagem no casco, duas passagens nos tubos) deve transferir 130 kW. O fluido quente esfria de 135 para 35 °C e o fluido frio aquece de 20 para 80 °C. O fator de correção da MLDT para esse arranjo é F = 0,9, e U = 500 W/(m²·K). Encontre a área de troca térmica A necessária.

Q̇ = 130 kWF = 0,9U = 500 W/(m²·K)Th: 135 → 35 °CTc: 20 → 80 °C
A = m²
18.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
comprimentoT85 °C65 °C53,92 °C30 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Óleo quente (2 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) esfria de 85 para 65 °C em um trocador em contracorrente. Ele aquece 1 kg/s de água (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) que entra a 30 °C. Com U = 1000 W/(m²·K), encontre a área de troca térmica A necessária.

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 85 → 65 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 30 °CU = 1000 W/(m²·K)
A = m²
19.Condução de calorMédia
Placa de gesso, k = 0,17250 mmMadeira, k = 0,1750 mm25 °C-7 °CQ̇ = ?

Uma parede é feita de 250 mm de placa de gesso e 50 mm de madeira, com área de 4 m². As faces externas estão a 25 °C e -7 °C. Encontre o fluxo de calor Q̇ pela parede.

L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 4 m²T1 = 25 °CT3 = -7 °C
Q̇ = W
20.Condução de calorDifícil
Tijolo, k = 0,7250 mmMadeira, k = 0,1775 mmambiente 21 °Cexterior -9 °CQ̇ = ?

Uma parede de 50 mm tijolo e 75 mm madeira separa um ambiente a 21 °C do ar externo a -9 °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 4 m². Encontre a perda de calor Q̇ pela parede.

L1 = 50 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 4 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -9 °C
Q̇ = W
21.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia
V = 2,3 m/sD = 200 mmL = 1000 mf = 0,03

Água (ρ = 1000 kg/m³) escoa a 2,3 m/s em uma tubulação horizontal de 1000 m de comprimento e diâmetro interno de 200 mm. Use o fator de atrito de Darcy f = 0,03 e g = 9,81 m/s². Encontre a queda de pressão Δp ao longo da tubulação em kPa.

V = 2,3 m/sL = 1000 mD = 200 mmf = 0,03ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Atrito em tubulações e perda de cargaDifícil
K = 10Δz = ?L = 300 m, D = 200 mm, f = 0,0182× 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. As perdas localizadas são uma entrada de cantos vivos (K = 0,5), 2 curvas (K = 0,3 cada), uma válvula (K = 10) 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 80 L/s?

Q = 80 L/sL = 300 mD = 200 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Δz = m
23.Bombas e potência de bombasMédia
PQ = 20 L/sH = 46 m

Uma bomba com rendimento de 72% fornece 20 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) contra uma altura manométrica de 46 m. Use g = 9,81 m/s². Encontre a potência no eixo Pshaft necessária, em kW.

Q = 20 L/sH = 46 mη = 72%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Bombas e potência de bombasDifícil
PQ = 50 L/sΔz = 9 mL = 200 m, D = 150 mm, f = 0,015, ΣK = 4

Uma bomba transporta 50 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) de um reservatório inferior aberto para um tanque superior cuja superfície da água está 9 m mais alta. A tubulação tem 200 m de comprimento, diâmetro interno de 150 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,015; os coeficientes de perda localizada somam ΣK = 4 (entrada e saída incluídas). Use g = 9,81 m/s². Encontre a altura manométrica H que a bomba deve acrescentar.

Q = 50 L/sΔz = 9 mL = 200 mD = 150 mmf = 0,015ΣK = 4
H = m

3Soluções

1.Balanço de massa

Resposta: ṁ2 = 687,5 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
açúcar: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Resolva para ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 550·(5 − 30)/(30 − 50) = 687,5 kg/h

Resposta

ṁ2 = 687,5 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: P = 1113 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 = 3400·18/55 = 1113 kg/h

Resposta

P = 1113 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 85,05 °C

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

Calor liberado pela corrente quente

Q = 1·2,44·(160 − 100) = 146,4 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 146,4/(0,5·4,18) = 85,05 °C

Resposta

tout = 85,05 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 1,591 kg/s

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

Calor liberado

Qh = 1·2,1·(140 − 90) = 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/(4,18·15) = 1,591 kg/s

Resposta

ṁc = 1,591 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: P = 2116 kPa

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

Mols

n = m/M = 330/39,95 = 8,26 mol
T = 35 + 273,15 = 308,1 K

Pressão

P = nRT/V = 8,26·8,314·308,1/0,01 = 2116 kPa

Resposta

P = 2116 kPa
6.Lei dos gases ideais

Resposta: V2 = 24,22 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 308,1 K, T2 = 373,1 K

Lei geral dos gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(200/200)·(373,1/308,1) = 24,22 L

Resposta

V2 = 24,22 L
7.Estequiometria

Resposta: m = 9,807 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(C3H8) = 6/44,1 = 0,1361 mol
n(O2) = 64/32 = 2 mol

Reagente limitante

0,1361/1 = 0,1361, 2/5 = 0,4 → C3H8

Massa de produto

n(H2O) = 0,1361·4 = 0,5442 mol
m = 0,5442·18,02 = 9,807 g

Resposta

m = 9,807 g
8.Estequiometria

Resposta: Y = 94,15 %

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(C6H12O6) = 4/180,16 = 0,0222 mol
m = 0,0222·2/1·44,01 = 1,954 g

Rendimento percentual

Y = 1,84/1,954·100 = 94,15%

Resposta

Y = 94,15%
9.Equilíbrio químico

Resposta: [HI] = 0,3 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/(0,2 − x)²

Tire a raiz quadrada

6 = 2x/(0,2 − x) → x = 0,2·6/(2 + 6) = 0,15 mol/L

Concentração no equilíbrio

[HI] = 2x = 0,3 mol/L

Resposta

[HI] = 0,3 mol/L
10.Equilíbrio químico

Resposta: [Cl2] = 0,1791 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/(0,5 − x) → x² + 0,1·x − 0,05 = 0

Resolva a equação do segundo grau

x = (−0,1 + √(0,1² + 4·0,05))/2 = 0,1791 mol/L

Concentração no equilíbrio

[Cl₂] = x = 0,1791 mol/L

Resposta

[Cl2] = 0,1791 mol/L
11.Calorimetria e entalpia

Resposta: Tf = 26,58 °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·(150 − Tf) = 250·4,18·(Tf − 22)

Isole a temperatura final

Tf = (38,8·150 + 1045·22)/(38,8 + 1045) = 26,58 °C

Resposta

Tf = 26,58 °C
12.Calorimetria e entalpia

Resposta: q = 1134 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° = [2·(−393,5) + 4·(−285,8)] − [2·(−238,7) + 3·0] = −1453 kJ

Calor para a massa dada

n = 50/32,04 = 1,561 mol
q = n·|ΔH°/2| = 1,561·726,4 = 1134 kJ

Resposta

q = 1134 kJ
13.Cinética química

Resposta: t = 3,466 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 = 0,5

Resolva para o tempo

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,5)/0,2 = 3,466 min

Resposta

t = 3,466 min
14.Cinética química

Resposta: T2 = 40,53 °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 = 298,1 K

Resolva Arrhenius para T₂

1/T2 = 1/298,1 − 8,314·ln(3)/55000 = 3,354 × 10⁻³ − 1,661 × 10⁻⁴ = 3,188 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 313,7 K = 40,53 °C

Resposta

T2 = 40,53 °C
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: V = 2303 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))/0,1 = 2,303/0,1 = 23,03 min

Volume

V = Q·τ = 100·23,03 = 2303 L

Resposta

V = 2303 L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: X = 87,9 %

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 = 0,15·12,5 = 1,875

Conversão

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 1,875) = 0,3478
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,121
X = 1 − 0,121 = 87,9%

Resposta

X = 87,9%
17.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 9,384 m²

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 (contracorrente)

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 = 135 − 80 = 55 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 35 − 20 = 15 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (55 − 15)/ln(55/15) = 30,79 K

Área

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 130000/(500·0,9·30,79) = 9,384 m²

Resposta

A = 9,384 m²
18.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 3,03 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) = 2·2,5·20 = 100 kW
Tc,out = 30 + 100/(1·4,18) = 53,92 °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 = 85 − 53,92 = 31,08 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 65 − 30 = 35 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (31,08 − 35)/ln(31,08/35) = 33 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 100000/(1000·33) = 3,03 m²

Resposta

A = 3,03 m²
19.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 72,53 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)/(0,17·4) = 0,3676 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,17·4) = 0,07353 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 32/0,4412 = 72,53 W

Resposta

Q̇ = 72,53 W
20.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 181,6 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/(10·4) = 0,025 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,72·4) = 0,01736 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,17·4) = 0,1103 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·4) = 0,0125 K/W
ΣR = 0,1652 K/W

Perda de calor

Q̇ = (21 − (-9))/0,1652 = 181,6 W

Resposta

Q̇ = 181,6 W
21.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: Δp = 396,7 kPa

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.

Perda de carga

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(1000/0,2)·2,3²/(2·9,81) = 40,44 m

Queda de pressão

A tubulação é horizontal e a velocidade não muda, então a equação da energia se reduz a Δp = ρ·g·hf.

Δp = ρ·g·hf = 1000·9,81·40,44 = 396750 Pa = 396,7 kPa

Resposta

Δp = 396,7 kPa
22.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: Δz = 12,92 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 = 0,08/0,03142 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Coeficientes de perda

f·L/D = 0,018·300/0,2 = 27
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 10 + 1,0 = 12,1

Perda de carga total

hf = 27·0,3305 = 8,924 m
hm = 12,1·0,3305 = 3,999 m
Δz = hf + hm = 12,92 m

Resposta

Δz = 12,92 m
23.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pshaft = 12,54 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 = 1000·9,81·0,02·46 = 9,025 kW

Potência no eixo

Pshaft = Ph/η = 9,025/0,72 = 12,54 kW

Resposta

Pshaft = 12,54 kW
24.Bombas e potência de bombas

Resposta: H = 18,79 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 = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m

Perdas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (20 + 4)·0,408 = 9,793 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 = 9 + 9,793 = 18,79 m

Resposta

H = 18,79 m

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