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.

Novos exercíciosVoltar à disciplina

Na janela de impressão, escolha “Salvar como PDF” para guardar uma cópia no seu dispositivo.

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 1750 kg/h · 20% açúcarCorrente 2ṁ₂ = ? · 35% açúcarProduto25% açúcar

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

ṁ1 = 750 kg/hx1 = 20 %x2 = 35 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F5000 kg/h · 5% salProduto PP = ? · 60%Vapor W (água pura)0% sal

Um evaporador concentra uma solução de sal evaporando água pura. Encontre a vazão de produto P em kg/h.

F = 5000 kg/hxF = 5 %xP = 60 %
P = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado frioóleo leve · 180 °C80 °Cágua · 25 °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: 180 → 80 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado frioóleo leve · 130 °C100 °Cágua · 20 °C60 °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 = 2,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 130 → 100 °Ct: 20 → 60 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 5 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
150 g de N₂V = 10 LT = 0 °CP = ?

Um tanque de 10 L contém 150 g de N₂ a 0 °C. Trate como gás ideal e encontre a pressão P.

m = 150 gM = 28,01 g/molV = 10 LT = 0 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Lei dos gases ideaisDifícil
Ar, M = 39,95 g/molP = 650 kPaT = 150 °Cρ = ?

Encontre a massa específica ρ de Ar a 650 kPa e 150 °C, tratando como gás ideal.

M = 39,95 g/molP = 650 kPaT = 150 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.EstequiometriaMédia
m(X)n(X)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(X)× 2/ν× M(NH3​)

8 g de N2 e 64 g de H2 reagem segundo N2 + 3H2 → 2NH3. Que massa m de NH3 se pode formar?

M(N2) = 28,02M(H2) = 2,016M(NH3) = 17,03 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, 24 g de C3H8 reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 61,08 g de CO2. Calcule o rendimento percentual Y.

M(C3H8) = 44,1 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreal: 61,08 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 = 25. Calcule a concentração no equilíbrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,1 mol/LKc = 25
[HI] = mol/L
10.Equilíbrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,200C−x+x+xE0,2 − xxx

O PCl₅ se decompõe: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, com Kc = 0,5 na temperatura da reação. Um recipiente começa apenas com 0,2 mol/L de PCl₅. Calcule a concentração no equilíbrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,2 mol/LKc = 0,5
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria e entalpiaMédia
Tf​ = ?Zincom = 200 gT = 110 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Águam = 200 gT = 24 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Um bloco de 200 g de zinco (c = 0,388 J/(g·°C)) a 110 °C é colocado em 200 g de água (c = 4,18 J/(g·°C)) a 24 °C em um copo isolado. Calcule a temperatura final Tf.

mmetal = 200 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 110 °Cmwater = 200 gTwater = 24 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria e entalpiaDifícil
H20 g CH3​OH2CH3​OH + 3O₂reagentes2CO₂ + 4H₂O(l)produtosq = ?

Use as entalpias padrão de formação para calcular o calor q liberado quando 20 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)C (mol/L)t½​ = ?C0​/2

Uma reação de segunda ordem (−rA = k·CA²) tem k = 1 L/(mol·min) e concentração inicial de 2 mol/L. Encontre sua primeira meia-vida t½.

k = 1 L/(mol·min)CA0 = 2 mol/L
t½ = min
14.Cinética químicaDifícil
CA0​ (mol/L)r (mol/(L·s))ensaio 10,20,02ensaio 20,60,54n = ?

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 = 0,6 mol/L ela é 0,54 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 = 0,6 mol/Lr2 = 0,54 mol/(L·s)
n =
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
Q = 10 L/minX = 85%V = ?, k = 0,5 min⁻¹

Uma reação de primeira ordem em fase líquida A → B com k = 0,5 min⁻¹ é conduzida em um reator de escoamento tubular (PFR) alimentado a 10 L/min. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre o volume do reator V em litros para 85% de conversão de A.

Q = 10 L/mink = 0,5 min⁻¹X = 85%
V = L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil
V = 1500 LV = 1500 LQ = 40 L/minX = ?

Uma reação de primeira ordem em fase líquida (k = 0,08 min⁻¹) ocorre em dois CSTRs iguais em série, cada um com 1500 L. A vazão de alimentação é 40 L/min, a densidade é constante e os reatores estão em regime permanente. Encontre a conversão global X em porcentagem.

V = 1500 L (×2)Q = 40 L/mink = 0,08 min⁻¹
X = %
17.Trocadores de calor (LMTD)Média
comprimentoT100 °C70 °C55 °C20 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Um trocador de calor em contracorrente transfere 180 kW. O fluido quente esfria de 100 para 70 °C e o fluido frio aquece de 20 para 55 °C. O coeficiente global de transferência de calor é 500 W/(m²·K). Encontre a área de troca térmica A necessária.

Q̇ = 180 kWU = 500 W/(m²·K)Th: 100 → 70 °CTc: 20 → 55 °C
A = m²
18.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
comprimentoT170 °C??10 °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 170 °C e a corrente fria a 10 °C. O trocador tem A = 2 m² e U = 300 W/(m²·K). Encontre a temperatura de saída quente Th,out.

Ch = Cc = 1 kW/KTh,in = 170 °CTc,in = 10 °CA = 2 m²U = 300 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Condução de calorMédia
Vidro, k = 0,96150 mmMadeira, k = 0,1775 mm20 °C-3 °CTi​ = ?Q̇

Uma parede é feita de 150 mm de vidro e 75 mm de madeira, com área de 6 m². As faces externas estão a 20 °C e -3 °C. Encontre a temperatura Ti na interface entre as duas camadas.

L1 = 150 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 20 °CT3 = -3 °C
Ti = °C
20.Condução de calorDifícil
Vidro, k = 0,96100 mmTijolo, k = 0,7250 mmambiente 20 °Cexterior -5 °CQ̇ = ?

Uma parede de 100 mm vidro e 50 mm tijolo separa um ambiente a 20 °C do ar externo a -5 °C. Os coeficientes de convecção são 10 W/(m²·K) por dentro e 25 W/(m²·K) por fora, e a área da parede é 8 m². Encontre a perda de calor Q̇ pela parede.

L1 = 100 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 8 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -5 °C
Q̇ = W
21.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia
V = 2,2 m/sD = 75 mmL = 100 mf = 0,03

Água escoa com velocidade média de 2,2 m/s em uma tubulação de 100 m de comprimento com diâmetro interno de 75 mm. Use o fator de atrito de Darcy f = 0,03 e g = 9,81 m/s². Encontre a perda de carga por atrito hf.

V = 2,2 m/sL = 100 mD = 75 mmf = 0,03g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Atrito em tubulações e perda de cargaDifícil
K = 10Δz = ?L = 150 m, D = 200 mm, f = 0,0154× 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 = 0,015. As perdas localizadas são uma entrada de cantos vivos (K = 0,5), 4 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 60 L/s?

Q = 60 L/sL = 150 mD = 200 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Δz = m
23.Bombas e potência de bombasMédia
PQ = 15 L/sH = 48 m

Uma bomba fornece 15 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) contra uma altura manométrica de 48 m. O rendimento da bomba é 75% e o motor elétrico que a aciona tem rendimento de 94%. Use g = 9,81 m/s². Encontre a potência elétrica Pel consumida pelo motor, em kW.

Q = 15 L/sH = 48 mηpump = 75%ηmotor = 94%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Bombas e potência de bombasDifícil
400 kPa (manométrica)PQ = 75 L/sΔz = 28 mL = 200 m, D = 200 mm, f = 0,02, ΣK = 8

Uma bomba transporta 75 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) de um reservatório inferior aberto para um tanque superior cuja superfície da água está 28 m mais alta. A tubulação tem 200 m de comprimento, diâmetro interno de 200 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,02; os coeficientes de perda localizada somam ΣK = 8 (entrada e saída incluídas). Use g = 9,81 m/s². O tanque superior é fechado e o ar acima da água está a uma pressão manométrica de 400 kPa. Encontre a altura manométrica H que a bomba deve acrescentar.

Q = 75 L/sΔz = 28 mL = 200 mD = 200 mmf = 0,02ΣK = 8ptank = 400 kPa
H = m

3Soluções

1.Balanço de massa

Resposta: ṁ2 = 375 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) = 750·(20 − 25)/(25 − 35) = 375 kg/h

Resposta

ṁ2 = 375 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: P = 416,7 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 = 5000·5/60 = 416,7 kg/h

Resposta

P = 416,7 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 125,5 °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·(180 − 80) = 630 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 630/(1,5·4,18) = 125,5 °C

Resposta

tout = 125,5 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 0,8949 kg/s

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

Calor liberado

Qh = 2,5·2,1·(130 − 100) = 157,5 kW

Calor que chega à água

Qc = (1 − 0,05)·157,5 = 149,6 kW

Vazão de água

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 149,6/(4,18·40) = 0,8949 kg/s

Resposta

ṁc = 0,8949 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: P = 1216 kPa

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

Mols

n = m/M = 150/28,01 = 5,355 mol
T = 0 + 273,15 = 273,1 K

Pressão

P = nRT/V = 5,355·8,314·273,1/0,01 = 1216 kPa

Resposta

P = 1216 kPa
6.Lei dos gases ideais

Resposta: ρ = 7,381 kg/m³

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

Rearranje a lei dos gases

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

Massa específica

ρ = 650·39,95/(8,314·423,1) = 7,381 kg/m³

Resposta

ρ = 7,381 kg/m³
7.Estequiometria

Resposta: m = 9,724 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(N2) = 8/28,02 = 0,2855 mol
n(H2) = 64/2,016 = 31,75 mol

Reagente limitante

0,2855/1 = 0,2855, 31,75/3 = 10,58 → N2

Massa de produto

n(NH3) = 0,2855·2 = 0,571 mol
m = 0,571·17,03 = 9,724 g

Resposta

m = 9,724 g
8.Estequiometria

Resposta: Y = 85,01 %

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(C3H8) = 24/44,1 = 0,5442 mol
m = 0,5442·3/1·44,01 = 71,85 g

Rendimento percentual

Y = 61,08/71,85·100 = 85,01%

Resposta

Y = 85,01%
9.Equilíbrio químico

Resposta: [HI] = 0,1429 mol/L

Equilíbrio químico: para aA + bB ⇌ cC + dD, a constante de equilíbrio é Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), usando as concentrações no equilíbrio. Uma tabela ICE (Inicial, Variação, Equilíbrio) liga as quantidades iniciais às quantidades no equilíbrio por meio de uma única incógnita x, multiplicada pelos coeficientes.

Expressão do equilíbrio

25 = (2x)²/(0,1 − x)²

Tire a raiz quadrada

5 = 2x/(0,1 − x) → x = 0,1·5/(2 + 5) = 0,07143 mol/L

Concentração no equilíbrio

[HI] = 2x = 0,1429 mol/L

Resposta

[HI] = 0,1429 mol/L
10.Equilíbrio químico

Resposta: [Cl2] = 0,1531 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

0,5 = x²/(0,2 − x) → x² + 0,5·x − 0,1 = 0

Resolva a equação do segundo grau

x = (−0,5 + √(0,5² + 4·0,1))/2 = 0,1531 mol/L

Concentração no equilíbrio

[Cl₂] = x = 0,1531 mol/L

Resposta

[Cl2] = 0,1531 mol/L
11.Calorimetria e entalpia

Resposta: Tf = 31,3 °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·(110 − Tf) = 200·4,18·(Tf − 24)

Isole a temperatura final

Tf = (77,6·110 + 836·24)/(77,6 + 836) = 31,3 °C

Resposta

Tf = 31,3 °C
12.Calorimetria e entalpia

Resposta: q = 453,4 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 = 20/32,04 = 0,6242 mol
q = n·|ΔH°/2| = 0,6242·726,4 = 453,4 kJ

Resposta

q = 453,4 kJ
13.Cinética química

Resposta: t½ = 0,5 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).

Meia-vida de segunda ordem

t½ = 1/(k·CA0) = 1/(1·2) = 0,5 min

Resposta

t½ = 0,5 min

Cada meia-vida seguinte é duas vezes mais longa, porque C₀ caiu pela metade.

14.Cinética química

Resposta: n = 3

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 = 0,54/0,02 = 27
C2/C1 = 0,6/0,2 = 3

Ordem

n = ln(27)/ln(3) = 3

Resposta

n = 3
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: V = 37,94 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 − 0,85))/0,5 = 1,897/0,5 = 3,794 min

Volume

V = Q·τ = 10·3,794 = 37,94 L

Resposta

V = 37,94 L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: X = 93,75 %

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 = 1500/40 = 37,5 min, kτ = 0,08·37,5 = 3

Conversão

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 3) = 0,25
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,0625
X = 1 − 0,0625 = 93,75%

Resposta

X = 93,75%
17.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 7,586 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 = 100 − 55 = 45 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 70 − 20 = 50 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (45 − 50)/ln(45/50) = 47,46 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 180000/(500·47,46) = 7,586 m²

Resposta

A = 7,586 m²
18.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: Th,out = 110 °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·(170 − Th,out) = 0,6·(Th,out − 10)
Th,out = (1·170 + 0,6·10)/(1 + 0,6) = 110 °C

Resposta

Th,out = 110 °C

Calor transferido: Q̇ = 60 kW; a corrente fria sai a 70 °C.

19.Condução de calor

Resposta: Ti = 13,98 °C

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)/(0,96·6) = 0,02604 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,17·6) = 0,07353 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 23/0,09957 = 231 W

Temperatura da interface

A temperatura cai Q̇·R₁ na primeira camada.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 20 − 231·0,02604 = 13,98 °C

Resposta

Ti = 13,98 °C
20.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 637,7 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/(10·8) = 0,0125 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,96·8) = 0,01302 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,72·8) = 0,008681 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·8) = 0,005 K/W
ΣR = 0,0392 K/W

Perda de calor

Q̇ = (20 − (-5))/0,0392 = 637,7 W

Resposta

Q̇ = 637,7 W
21.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: hf = 9,867 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) = 2,2²/(2·9,81) = 0,2467 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(100/0,075)·2,2²/(2·9,81) = 9,867 m

Resposta

hf = 9,867 m
22.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: Δz = 4,453 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 = 0,06/0,03142 = 1,91 m/s
V²/(2g) = 0,1859 m

Coeficientes de perda

f·L/D = 0,015·150/0,2 = 11,25
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 10 + 1,0 = 12,7

Perda de carga total

hf = 11,25·0,1859 = 2,091 m
hm = 12,7·0,1859 = 2,361 m
Δz = hf + hm = 4,453 m

Resposta

Δz = 4,453 m
23.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pel = 10,02 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 = 1000·9,81·0,015·48 = 7,063 kW

Potência no eixo

Pshaft = 7,063/0,75 = 9,418 kW

Potência elétrica

Pel = 9,418/0,94 = 10,02 kW

Resposta

Pel = 10,02 kW
24.Bombas e potência de bombas

Resposta: H = 76,91 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 = 0,075/0,03142 = 2,387 m/s
V²/(2g) = 0,2905 m

Perdas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (20 + 8)·0,2905 = 8,134 m

Carga de pressão

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

Altura manométrica da bomba

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

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 28 + 40,77 + 8,134 = 76,91 m

Resposta

H = 76,91 m

Este é um material de prática independente. O ExamProblems não é afiliado nem endossado pela organização que aplica este exame, e o nome do exame é usado apenas para descrever o conteúdo. O FE exam é realizado por NCEES, que não é afiliado ao ExamProblems e não o endossa.

ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-chemical