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 1900 kg/h · 20% NaOHCorrente 2ṁ₂ = ? · 40% 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 = 900 kg/hx1 = 20 %x2 = 40 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F3400 kg/h · 5% NaOHProduto P60% NaOHVapor W (água pura)W = ? kg/h

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

F = 3400 kg/hxF = 5 %xP = 60 %
W = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado frioóleo leve · 160 °C110 °Cágua · 15 °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 = 3 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 160 → 110 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado friomistura de glicol · 180 °C150 °Cágua · 15 °C30 °C · ṁ = ?10% perdido

mistura de glicol quente aquece água em um trocador que perde para o ambiente 10% do calor liberado pela corrente quente. Encontre a vazão de água ṁc necessária.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 180 → 150 °Ct: 15 → 30 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 10 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
450 g de CO₂P = 750 kPaT = 40 °CV = ?

Que volume V ocupam 450 g de CO₂ a 750 kPa e 40 °C? Trate como gás ideal.

m = 450 gM = 44,01 g/molP = 750 kPaT = 40 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Lei dos gases ideaisDifícil
He, M = 4,003 g/molP = 650 kPaT = 80 °Cρ = ?

Encontre a massa específica ρ de He a 650 kPa e 80 °C, tratando como gás ideal.

M = 4,003 g/molP = 650 kPaT = 80 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.EstequiometriaMédia
m(X)n(X)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(X)× 2/ν× M(NaCl)

6 g de Na e 48 g de Cl2 reagem segundo 2Na + Cl2 → 2NaCl. Que massa m de NaCl se pode formar?

M(Na) = 22,99M(Cl2) = 70,9M(NaCl) = 58,44 g/mol
m = g
8.EstequiometriaDifícil
m(CH4​)n(CH4​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(CH4​)× 2/1× M(H2​O)

Na reação CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O, 30 g de CH4 reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 52,58 g de H2O. Calcule o rendimento percentual Y.

M(CH4) = 16,04 g/molM(H2O) = 18,02 g/molreal: 52,58 g
Y = %
9.Equilíbrio químicoMédia
H2​I2​HII0,40,40C−x−x+2xE0,4 − x0,4 − x2x

0,4 mol/L de H₂ e 0,4 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 = 0,4 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 = 0,08 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 = 0,08
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria e entalpiaMédia
Tf​ = ?Chumbom = 100 gT = 140 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Águam = 300 gT = 20 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Um bloco de 100 g de chumbo (c = 0,129 J/(g·°C)) a 140 °C é colocado em 300 g de água (c = 4,18 J/(g·°C)) a 20 °C em um copo isolado. Calcule a temperatura final Tf.

mmetal = 100 gcmetal = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 140 °Cmwater = 300 gTwater = 20 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria e entalpiaDifícil
H100 g CH3​OH2CH3​OH + 3O₂reagentes2CO₂ + 4H₂O(l)produtosq = ?

Use as entalpias padrão de formação para calcular o calor q liberado quando 100 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 = ?95%

Uma reação de segunda ordem (−rA = k·CA²) em um reator batelada tem k = 0,8 L/(mol·min) e começa com 2 mol/L. Quanto tempo leva para atingir 95% de conversão? Encontre t.

k = 0,8 L/(mol·min)CA0 = 2 mol/LX = 95 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk35 °C0,0165 °C0,226

A constante de velocidade de uma reação é 0,01 min⁻¹ a 35 °C e 0,226 min⁻¹ a 65 °C. Encontre a energia de ativação Ea.

k1 = 0,01 min⁻¹T1 = 35 °Ck2 = 0,226 min⁻¹T2 = 65 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
Q = 80 L/minX = 70%V = ?, k = 0,25 min⁻¹

Uma reação de primeira ordem em fase líquida A → B com k = 0,25 min⁻¹ é conduzida em um reator de escoamento tubular (PFR) alimentado a 80 L/min. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre o volume do reator V em litros para 70% de conversão de A.

Q = 80 L/mink = 0,25 min⁻¹X = 70%
V = L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil
V = 800 LQ = 5 L/minX = ?

Uma reação de primeira ordem em fase líquida (k = 0,05 min⁻¹) ocorre em um CSTR de 800 L alimentado a 5 L/min. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre a conversão X em porcentagem.

V = 800 LQ = 5 L/mink = 0,05 min⁻¹
X = %
17.Trocadores de calor (LMTD)Média
comprimentoT155 °C95 °C50 °C30 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Um trocador de calor em contracorrente transfere 420 kW. O fluido quente esfria de 155 para 95 °C e o fluido frio aquece de 30 para 50 °C. O coeficiente global de transferência de calor é 1500 W/(m²·K). Encontre a área de troca térmica A necessária.

Q̇ = 420 kWU = 1500 W/(m²·K)Th: 155 → 95 °CTc: 30 → 50 °C
A = m²
18.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
comprimentoT160 °C??25 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Em um trocador de calor em contracorrente as duas correntes têm a mesma taxa de capacidade térmica, ṁ·cp = 3 kW/K. A corrente quente entra a 160 °C e a corrente fria a 25 °C. O trocador tem A = 3 m² e U = 300 W/(m²·K). Encontre a temperatura de saída quente Th,out.

Ch = Cc = 3 kW/KTh,in = 160 °CTc,in = 25 °CA = 3 m²U = 300 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Condução de calorMédia
Poliestireno expandido, k = 0,035100 mmVidro, k = 0,9625 mm19 °C-4 °CQ̇ = ?

Uma parede é feita de 100 mm de poliestireno expandido e 25 mm de vidro, com área de 10 m². As faces externas estão a 19 °C e -4 °C. Encontre o fluxo de calor Q̇ pela parede.

L1 = 100 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 10 m²T1 = 19 °CT3 = -4 °C
Q̇ = W
20.Condução de calorDifícil
Tijolo, k = 0,72250 mmPlaca de gesso, k = 0,1750 mmambiente 21 °Cexterior -1 °CQ̇

Uma parede de 250 mm tijolo e 50 mm placa de gesso separa um ambiente a 21 °C do ar externo a -1 °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 15 m². Encontre o coeficiente global de transferência de calor U da parede.

L1 = 250 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 15 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -1 °C
U = W/(m²·K)
21.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia
V = 1,8 m/sD = 150 mmL = 500 mf = 0,015

Água (ρ = 1000 kg/m³) escoa a 1,8 m/s em uma tubulação horizontal de 500 m de comprimento e diâmetro interno de 150 mm. Use o fator de atrito de Darcy f = 0,015 e g = 9,81 m/s². Encontre a queda de pressão Δp ao longo da tubulação em kPa.

V = 1,8 m/sL = 500 mD = 150 mmf = 0,015ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Atrito em tubulações e perda de cargaDifícil
K = 5saída livreH = ?L = 400 m, D = 250 mm, f = 0,0184× curva (K = 0,3)

Uma tubulação de 400 m de comprimento com diâmetro interno de 250 mm (fator de atrito de Darcy f = 0,018) sai de um reservatório aberto e descarrega como jato livre no ar. As perdas localizadas são uma entrada de cantos vivos (K = 0,5), 4 curvas (K = 0,3 cada) e uma válvula (K = 5). Use g = 9,81 m/s². A que altura H a superfície do reservatório deve estar acima da saída da tubulação para uma vazão de 120 L/s?

Q = 120 L/sL = 400 mD = 250 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 5
H = m
23.Bombas e potência de bombasMédia
PQ = 15 L/sH = 16 m

Em um ensaio, uma bomba fornece 15 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) contra uma altura manométrica de 16 m enquanto seu eixo absorve 2,9 kW. Use g = 9,81 m/s². Encontre o rendimento da bomba η em porcentagem.

Q = 15 L/sH = 16 mPshaft = 2,9 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Bombas e potência de bombasDifícil
PQ = 40 L/sΔz = 5 mL = 200 m, D = 150 mm, f = 0,018, ΣK = 4

Uma bomba transporta 40 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) de um reservatório inferior aberto para um tanque superior cuja superfície da água está 5 m mais alta. A tubulação tem 200 m de comprimento, diâmetro interno de 150 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,018; 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 = 40 L/sΔz = 5 mL = 200 mD = 150 mmf = 0,018ΣK = 4
H = m

3Soluções

1.Balanço de massa

Resposta: ṁ2 = 300 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) = 900·(20 − 25)/(25 − 40) = 300 kg/h

Resposta

ṁ2 = 300 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: W = 3117 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 = 3400·5/60 = 283,3 kg/h

Balanço total

W = F − P = 3400 − 283,3 = 3117 kg/h

Resposta

W = 3117 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 52,68 °C

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

Calor liberado pela corrente quente

Q = 3·2,1·(160 − 110) = 315 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 315/(2·4,18) = 52,68 °C

Resposta

tout = 52,68 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 2,325 kg/s

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

Calor liberado

Qh = 1,5·3,6·(180 − 150) = 162 kW

Calor que chega à água

Qc = (1 − 0,1)·162 = 145,8 kW

Vazão de água

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 145,8/(4,18·15) = 2,325 kg/s

Resposta

ṁc = 2,325 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: V = 35,49 L

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

Mols

n = 450/44,01 = 10,22 mol
T = 40 + 273,15 = 313,1 K

Volume

V = nRT/P = 10,22·8,314·313,1/750 = 35,49 L

Resposta

V = 35,49 L
6.Lei dos gases ideais

Resposta: ρ = 0,8862 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 = 80 + 273,15 = 353,1 K

Massa específica

ρ = 650·4,003/(8,314·353,1) = 0,8862 kg/m³

Resposta

ρ = 0,8862 kg/m³
7.Estequiometria

Resposta: m = 15,25 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(Na) = 6/22,99 = 0,261 mol
n(Cl2) = 48/70,9 = 0,677 mol

Reagente limitante

0,261/2 = 0,1305, 0,677/1 = 0,677 → Na

Massa de produto

n(NaCl) = 0,1305·2 = 0,261 mol
m = 0,261·58,44 = 15,25 g

Resposta

m = 15,25 g
8.Estequiometria

Resposta: Y = 78 %

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(CH4) = 30/16,04 = 1,87 mol
m = 1,87·2/1·18,02 = 67,41 g

Rendimento percentual

Y = 52,58/67,41·100 = 78%

Resposta

Y = 78%
9.Equilíbrio químico

Resposta: [HI] = 0,6288 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/(0,4 − x)²

Tire a raiz quadrada

7,348 = 2x/(0,4 − x) → x = 0,4·7,348/(2 + 7,348) = 0,3144 mol/L

Concentração no equilíbrio

[HI] = 2x = 0,6288 mol/L

Resposta

[HI] = 0,6288 mol/L
10.Equilíbrio químico

Resposta: [Cl2] = 0,3087 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

0,08 = x²/(1,5 − x) → x² + 0,08·x − 0,12 = 0

Resolva a equação do segundo grau

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,12))/2 = 0,3087 mol/L

Concentração no equilíbrio

[Cl₂] = x = 0,3087 mol/L

Resposta

[Cl2] = 0,3087 mol/L
11.Calorimetria e entalpia

Resposta: Tf = 21,22 °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

100·0,129·(140 − Tf) = 300·4,18·(Tf − 20)

Isole a temperatura final

Tf = (12,9·140 + 1254·20)/(12,9 + 1254) = 21,22 °C

Resposta

Tf = 21,22 °C
12.Calorimetria e entalpia

Resposta: q = 2267 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 = 100/32,04 = 3,121 mol
q = n·|ΔH°/2| = 3,121·726,4 = 2267 kJ

Resposta

q = 2267 kJ
13.Cinética química

Resposta: t = 11,87 min

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).

Concentração no final

CA = 2·(1 − 0,95) = 0,1 mol/L

Lei integrada de segunda ordem

t = (1/CA − 1/CA0)/k = (10 − 0,5)/0,8 = 11,87 min

Resposta

t = 11,87 min
14.Cinética química

Resposta: Ea = 90,04 kJ/mol

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 = 308,1 K, T2 = 338,1 K

Resolva Arrhenius para Ea

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·3,118/(-2,879e-4) = 90039 J/mol
Ea = 90,04 kJ/mol

Resposta

Ea = 90,04 kJ/mol
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: V = 385,3 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 − 0,7))/0,25 = 1,204/0,25 = 4,816 min

Volume

V = Q·τ = 80·4,816 = 385,3 L

Resposta

V = 385,3 L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: X = 88,89 %

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 = 800/5 = 160 min, kτ = 0,05·160 = 8

Conversão

X = kτ/(1 + kτ) = 8/(1 + 8) = 88,89%

Resposta

X = 88,89%
17.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 3,357 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 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 − 50 = 105 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 95 − 30 = 65 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (105 − 65)/ln(105/65) = 83,41 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 420000/(1500·83,41) = 3,357 m²

Resposta

A = 3,357 m²
18.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: Th,out = 128,8 °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

3·(160 − Th,out) = 0,9·(Th,out − 25)
Th,out = (3·160 + 0,9·25)/(3 + 0,9) = 128,8 °C

Resposta

Th,out = 128,8 °C

Calor transferido: Q̇ = 93,46 kW; a corrente fria sai a 56,15 °C.

19.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 79,77 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)/(0,035·10) = 0,2857 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,96·10) = 0,002604 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 23/0,2883 = 79,77 W

Resposta

Q̇ = 79,77 W
20.Condução de calor

Resposta: U = 1,225 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/(8·15) = 0,008333 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,72·15) = 0,02315 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,17·15) = 0,01961 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·15) = 0,003333 K/W
ΣR = 0,05442 K/W

Coeficiente global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(15·0,05442) = 1,225 W/(m²·K)

Resposta

U = 1,225 W/(m²·K)
21.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: Δp = 81 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) = 0,015·(500/0,15)·1,8²/(2·9,81) = 8,257 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 = 1000·9,81·8,257 = 81000 Pa = 81 kPa

Resposta

Δp = 81 kPa
22.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: H = 11,12 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 = 0,12/0,04909 = 2,445 m/s
V²/(2g) = 0,3046 m

Coeficientes de perda

f·L/D = 0,018·400/0,25 = 28,8
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 5 = 6,7

Equação da energia

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

H = (1 + 28,8 + 6,7)·0,3046 = 11,12 m

Resposta

H = 11,12 m
23.Bombas e potência de bombas

Resposta: η = 81,19 %

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 = 1000·9,81·0,015·16 = 2,354 kW

Rendimento

η = Ph/Pshaft = 2,354/2,9 = 81,19%

Resposta

η = 81,19%
24.Bombas e potência de bombas

Resposta: H = 12,31 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 = 0,04/0,01767 = 2,264 m/s
V²/(2g) = 0,2611 m

Perdas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (24 + 4)·0,2611 = 7,312 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 = 5 + 7,312 = 12,31 m

Resposta

H = 12,31 m

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