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 1300 kg/h · 10% NaOHCorrente 2ṁ₂ = ? · 35% NaOHProduto30% NaOH

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

ṁ1 = 300 kg/hx1 = 10 %x2 = 35 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F3500 kg/h · 15% NaOHProduto PP = ? · 30%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 = 3500 kg/hxF = 15 %xP = 30 %
P = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado friomistura de glicol · 180 °C90 °Cágua · 15 °Ct = ? °C

mistura de glicol 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 = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 180 → 90 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado friomistura de glicol · 130 °C80 °Cágua · 10 °C90 °C · ṁ = ?15% perdido

mistura de glicol 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 = 2,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 130 → 80 °Ct: 10 → 90 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 15 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
390 g de ArV = 5 LT = 70 °CP = ?

Um tanque de 5 L contém 390 g de Ar a 70 °C. Trate como gás ideal e encontre a pressão P.

m = 390 gM = 39,95 g/molV = 5 LT = 70 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Lei dos gases ideaisDifícil
Estado 1Estado 2

Uma quantidade fixa de He passa de 250 kPa, 10 L, 30 °C para 100 kPa e 230 °C. Encontre o novo volume V2.

P1 = 250 kPaV1 = 10 LT1 = 30 °CP2 = 100 kPaT2 = 230 °C
V2 = L
7.EstequiometriaMédia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

20 g de CH4 e 20 g de O2 reagem segundo CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. Que massa m de H2O se pode formar?

M(CH4) = 16,04M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.EstequiometriaDifícil
m(CaCO3​)n(CaCO3​)n(CaO)m(CaO)÷ M(CaCO3​)× 1/1× M(CaO)

Na reação CaCO3 → CaO + CO2, 24 g de CaCO3 reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 10,49 g de CaO. Calcule o rendimento percentual Y.

M(CaCO3) = 100,09 g/molM(CaO) = 56,08 g/molreal: 10,49 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 = 49. Calcule a concentração no equilíbrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,1 mol/LKc = 49
[HI] = mol/L
10.Equilíbrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,800C−x+x+xE0,8 − xxx

O PCl₅ se decompõe: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, com Kc = 0,04 na temperatura da reação. Um recipiente começa apenas com 0,8 mol/L de PCl₅. Calcule a concentração no equilíbrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,8 mol/LKc = 0,04
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria e entalpiaMédia
Tf​ = ?Chumbom = 50 gT = 200 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Águam = 150 gT = 17 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Um bloco de 50 g de chumbo (c = 0,129 J/(g·°C)) a 200 °C é colocado em 150 g de água (c = 4,18 J/(g·°C)) a 17 °C em um copo isolado. Calcule a temperatura final Tf.

mmetal = 50 gcmetal = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 200 °Cmwater = 150 gTwater = 17 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria e entalpiaDifícil
H50 g CH4​CH4​ + 2O₂reagentesCO₂ + 2H₂O(l)produtosq = ?

Use as entalpias padrão de formação para calcular o calor q liberado quando 50 g de CH4 (M = 16,04 g/mol) queimam completamente: CH4 + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l). Dê q como um número positivo.

ΔH°f(CH4) = −74,8 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 = ?75%

Uma reação de primeira ordem em um reator batelada tem k = 0,02 min⁻¹. Quanto tempo leva para chegar a 75% de conversão? Encontre t.

k = 0,02 min⁻¹X = 75 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
CA0​ (mol/L)r (mol/(L·s))ensaio 10,20,02ensaio 20,40,04n = ?

Dois experimentos medem a velocidade inicial de A → produtos. Com CA0 = 0,2 mol/L a velocidade é 0,02 mol/(L·s); com CA0 = 0,4 mol/L ela é 0,04 mol/(L·s). Encontre a ordem de reação n em relação a A.

CA0,1 = 0,2 mol/Lr1 = 0,02 mol/(L·s)CA0,2 = 0,4 mol/Lr2 = 0,04 mol/(L·s)
n =
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
Q = 20 L/minCA0​ = 2 mol/LCA​ = ?V = 50 L, k = 0,25 min⁻¹

Uma reação de primeira ordem em fase líquida A → B (k = 0,25 min⁻¹) ocorre em um reator de escoamento tubular (PFR) de 50 L. A alimentação entra a 20 L/min com CA0 = 2 mol/L. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre a concentração de saída CA.

V = 50 LQ = 20 L/mink = 0,25 min⁻¹CA0 = 2 mol/L
CA = mol/L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil
V = 800 LQ = 50 L/minX = ?

Uma reação de primeira ordem em fase líquida (k = 0,05 min⁻¹) ocorre em um CSTR de 800 L alimentado a 50 L/min. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre a conversão X em porcentagem.

V = 800 LQ = 50 L/mink = 0,05 min⁻¹
X = %
17.Trocadores de calor (LMTD)Média
comprimentoT105 °C65 °C25 °C50 °CΔT₁ΔT₂correntes paralelas

Um trocador de calor em correntes paralelas transfere 460 kW. O fluido quente esfria de 105 para 65 °C e o fluido frio aquece de 25 para 50 °C. O coeficiente global de transferência de calor é 500 W/(m²·K). Encontre a área de troca térmica A necessária.

Q̇ = 460 kWU = 500 W/(m²·K)Th: 105 → 65 °CTc: 25 → 50 °C
A = m²
18.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
comprimentoT90 °C??30 °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 90 °C e a corrente fria a 30 °C. O trocador tem A = 2 m² e U = 800 W/(m²·K). Encontre a temperatura de saída quente Th,out.

Ch = Cc = 1 kW/KTh,in = 90 °CTc,in = 30 °CA = 2 m²U = 800 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Condução de calorMédia
Lã mineral, k = 0,04100 mmConcreto, k = 1,450 mm16 °C-8 °CQ̇ = ?

Uma parede é feita de 100 mm de lã mineral e 50 mm de concreto, com área de 4 m². As faces externas estão a 16 °C e -8 °C. Encontre o fluxo de calor Q̇ pela parede.

L1 = 100 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 4 m²T1 = 16 °CT3 = -8 °C
Q̇ = W
20.Condução de calorDifícil
Vidro, k = 0,96150 mmTijolo, k = 0,7250 mmambiente 21 °Cexterior -15 °CQ̇

Uma parede de 150 mm vidro e 50 mm tijolo separa um ambiente a 21 °C do ar externo a -15 °C. Os coeficientes de convecção são 8 W/(m²·K) por dentro e 20 W/(m²·K) por fora, e a área da parede é 12 m². Encontre o coeficiente global de transferência de calor U da parede.

L1 = 150 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 12 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -15 °C
U = W/(m²·K)
21.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia
Q = 100 L/sD = 300 mmL = 150 mf = 0,015

Água escoa a 100 L/s em uma tubulação de 150 m de comprimento com diâmetro interno de 300 mm. Use o fator de atrito de Darcy f = 0,015 e g = 9,81 m/s². Encontre a perda de carga por atrito hf.

Q = 100 L/sL = 150 mD = 300 mmf = 0,015g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Atrito em tubulações e perda de cargaDifícil
K = 2Δz = ?L = 150 m, D = 200 mm, f = 0,0183× curva (K = 0,3)

Dois reservatórios abertos estão ligados por uma tubulação de 150 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), 3 curvas (K = 0,3 cada), uma válvula (K = 2) e a saída no reservatório inferior (K = 1,0). Use g = 9,81 m/s². Que diferença de nível d'água Δz entre os reservatórios dá uma vazão de 75 L/s?

Q = 75 L/sL = 150 mD = 200 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Δz = m
23.Bombas e potência de bombasMédia
PQ = 60 L/sH = 54 m

Uma bomba com rendimento de 75% fornece 60 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) contra uma altura manométrica de 54 m. Use g = 9,81 m/s². Encontre a potência no eixo Pshaft necessária, em kW.

Q = 60 L/sH = 54 mη = 75%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Bombas e potência de bombasDifícil
PQ = 80 L/sΔz = 21 mL = 200 m, D = 200 mm, f = 0,022, ΣK = 6

Uma bomba transporta 80 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) de um reservatório inferior aberto para um tanque superior cuja superfície da água está 21 m mais alta. A tubulação tem 200 m de comprimento, diâmetro interno de 200 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,022; os coeficientes de perda localizada somam ΣK = 6 (entrada e saída incluídas). Use g = 9,81 m/s². Encontre a altura manométrica H que a bomba deve acrescentar.

Q = 80 L/sΔz = 21 mL = 200 mD = 200 mmf = 0,022ΣK = 6
H = m

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) = 300·(10 − 30)/(30 − 35) = 1200 kg/h

Resposta

ṁ2 = 1200 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: P = 1750 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 = 3500·15/30 = 1750 kg/h

Resposta

P = 1750 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 92,51 °C

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

Calor liberado pela corrente quente

Q = 1·3,6·(180 − 90) = 324 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 324/(1·4,18) = 92,51 °C

Resposta

tout = 92,51 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 1,144 kg/s

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

Calor liberado

Qh = 2,5·3,6·(130 − 80) = 450 kW

Calor que chega à água

Qc = (1 − 0,15)·450 = 382,5 kW

Vazão de água

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 382,5/(4,18·80) = 1,144 kg/s

Resposta

ṁc = 1,144 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: P = 5570 kPa

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

Mols

n = m/M = 390/39,95 = 9,762 mol
T = 70 + 273,15 = 343,1 K

Pressão

P = nRT/V = 9,762·8,314·343,1/0,005 = 5570 kPa

Resposta

P = 5570 kPa
6.Lei dos gases ideais

Resposta: V2 = 41,49 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 303,1 K, T2 = 503,1 K

Lei geral dos gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(250/100)·(503,1/303,1) = 41,49 L

Resposta

V2 = 41,49 L
7.Estequiometria

Resposta: m = 11,26 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(CH4) = 20/16,04 = 1,247 mol
n(O2) = 20/32 = 0,625 mol

Reagente limitante

1,247/1 = 1,247, 0,625/2 = 0,3125 → O2

Massa de produto

n(H2O) = 0,3125·2 = 0,625 mol
m = 0,625·18,02 = 11,26 g

Resposta

m = 11,26 g
8.Estequiometria

Resposta: Y = 78,01 %

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(CaCO3) = 24/100,09 = 0,2398 mol
m = 0,2398·1/1·56,08 = 13,45 g

Rendimento percentual

Y = 10,49/13,45·100 = 78,01%

Resposta

Y = 78,01%
9.Equilíbrio químico

Resposta: [HI] = 0,1556 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

49 = (2x)²/(0,1 − x)²

Tire a raiz quadrada

7 = 2x/(0,1 − x) → x = 0,1·7/(2 + 7) = 0,07778 mol/L

Concentração no equilíbrio

[HI] = 2x = 0,1556 mol/L

Resposta

[HI] = 0,1556 mol/L
10.Equilíbrio químico

Resposta: [Cl2] = 0,16 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/(0,8 − x) → x² + 0,04·x − 0,032 = 0

Resolva a equação do segundo grau

x = (−0,04 + √(0,04² + 4·0,032))/2 = 0,16 mol/L

Concentração no equilíbrio

[Cl₂] = x = 0,16 mol/L

Resposta

[Cl2] = 0,16 mol/L
11.Calorimetria e entalpia

Resposta: Tf = 18,86 °C

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

Balanço de calor

50·0,129·(200 − Tf) = 150·4,18·(Tf − 17)

Isole a temperatura final

Tf = (6,45·200 + 627·17)/(6,45 + 627) = 18,86 °C

Resposta

Tf = 18,86 °C
12.Calorimetria e entalpia

Resposta: q = 2775 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° = [1·(−393,5) + 2·(−285,8)] − [1·(−74,8) + 2·0] = −890,3 kJ

Calor para a massa dada

n = 50/16,04 = 3,117 mol
q = n·|ΔH°/1| = 3,117·890,3 = 2775 kJ

Resposta

q = 2775 kJ
13.Cinética química

Resposta: t = 69,31 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)/0,02 = 69,31 min

Resposta

t = 69,31 min
14.Cinética química

Resposta: n = 1

Método das velocidades iniciais: para r = k·Cⁿ, comparar duas corridas que diferem apenas na concentração inicial elimina k: r₂/r₁ = (C₂/C₁)ⁿ. Dobrar C dobra a velocidade para primeira ordem e a quadruplica para segunda ordem.

Razões

r2/r1 = 0,04/0,02 = 2
C2/C1 = 0,4/0,2 = 2

Ordem

n = ln(2)/ln(2) = 1

Resposta

n = 1
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: CA = 1,071 mol/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 = V/Q = 50/20 = 2,5 min

Concentração de saída

CA = 2·e−0,25·2,5 = 1,071 mol/L

Resposta

CA = 1,071 mol/L

Conversão: X = 46,47%.

16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: X = 44,44 %

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 = 800/50 = 16 min, kτ = 0,05·16 = 0,8

Conversão

X = kτ/(1 + kτ) = 0,8/(1 + 0,8) = 44,44%

Resposta

X = 44,44%
17.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 23,69 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 = 105 − 25 = 80 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 65 − 50 = 15 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (80 − 15)/ln(80/15) = 38,83 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 460000/(500·38,83) = 23,69 m²

Resposta

A = 23,69 m²
18.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: Th,out = 53,08 °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·(90 − Th,out) = 1,6·(Th,out − 30)
Th,out = (1·90 + 1,6·30)/(1 + 1,6) = 53,08 °C

Resposta

Th,out = 53,08 °C

Calor transferido: Q̇ = 36,92 kW; a corrente fria sai a 66,92 °C.

19.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 37,86 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) = (100/1000)/(0,04·4) = 0,625 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(1,4·4) = 0,008929 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 24/0,6339 = 37,86 W

Resposta

Q̇ = 37,86 W
20.Condução de calor

Resposta: U = 2,496 W/(m²·K)

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/(8·12) = 0,01042 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,96·12) = 0,01302 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,72·12) = 0,005787 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·12) = 0,004167 K/W
ΣR = 0,03339 K/W

Coeficiente global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(12·0,03339) = 2,496 W/(m²·K)

Resposta

U = 2,496 W/(m²·K)
21.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: hf = 0,7651 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·0,3²/4 = 0,07069 m²
V = Q/A = 0,1/0,07069 = 1,415 m/s

Carga cinética

V²/(2g) = 1,415²/(2·9,81) = 0,102 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(150/0,3)·1,415²/(2·9,81) = 0,7651 m

Resposta

hf = 0,7651 m
22.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: Δz = 5,2 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 = 0,075/0,03142 = 2,387 m/s
V²/(2g) = 0,2905 m

Coeficientes de perda

f·L/D = 0,018·150/0,2 = 13,5
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 2 + 1,0 = 4,4

Perda de carga total

hf = 13,5·0,2905 = 3,922 m
hm = 4,4·0,2905 = 1,278 m
Δz = hf + hm = 5,2 m

Resposta

Δz = 5,2 m
23.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pshaft = 42,38 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 = 1000·9,81·0,06·54 = 31,78 kW

Potência no eixo

Pshaft = Ph/η = 31,78/0,75 = 42,38 kW

Resposta

Pshaft = 42,38 kW
24.Bombas e potência de bombas

Resposta: H = 30,25 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 = 0,08/0,03142 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Perdas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (22 + 6)·0,3305 = 9,254 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 = 21 + 9,254 = 30,25 m

Resposta

H = 30,25 m

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