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 1650 kg/h · 40% açúcarCorrente 2ṁ₂ = ? · 20% 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 = 650 kg/hx1 = 40 %x2 = 20 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F4600 kg/h · 7% NaOHProduto PP = ? · 40%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 = 4600 kg/hxF = 7 %xP = 40 %
P = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado friomistura de glicol · 160 °C130 °Cágua · 25 °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 = 2,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 160 → 130 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado frioetanol · 140 °C60 °Cágua · 20 °C75 °C · ṁ = ?10% perdido

etanol 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 = 3 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 140 → 60 °Ct: 20 → 75 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 10 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
280 g de CH₄P = 100 kPaT = 0 °CV = ?

Que volume V ocupam 280 g de CH₄ a 100 kPa e 0 °C? Trate como gás ideal.

m = 280 gM = 16,04 g/molP = 100 kPaT = 0 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Lei dos gases ideaisDifícil
Estado 1Estado 2

Uma quantidade fixa de He passa de 100 kPa, 2 L, 35 °C para 200 kPa e 60 °C. Encontre o novo volume V2.

P1 = 100 kPaV1 = 2 LT1 = 35 °CP2 = 200 kPaT2 = 60 °C
V2 = L
7.EstequiometriaMédia
m(X)n(X)n(MgO)m(MgO)÷ M(X)× 2/ν× M(MgO)

8 g de Mg e 10 g de O2 reagem segundo 2Mg + O2 → 2MgO. Que massa m de MgO se pode formar?

M(Mg) = 24,31M(O2) = 32M(MgO) = 40,3 g/mol
m = g
8.EstequiometriaDifícil
m(Al)n(Al)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(Al)× 2/2× M(AlCl3​)

Na reação 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3, 24 g de Al reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 92,51 g de AlCl3. Calcule o rendimento percentual Y.

M(Al) = 26,98 g/molM(AlCl3) = 133,33 g/molreal: 92,51 g
Y = %
9.Equilíbrio químicoMédia
H2​I2​HII0,50,50C−x−x+2xE0,5 − x0,5 − x2x

0,5 mol/L de H₂ e 0,5 mol/L de I₂ são colocados em um recipiente e reagem: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, com Kc = 9. Calcule a concentração no equilíbrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,5 mol/LKc = 9
[H2] = mol/L
10.Equilíbrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I1,500C−x+x+xE1,5 − xxx

O PCl₅ se decompõe: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, com Kc = 0,05 na temperatura da reação. Um recipiente começa apenas com 1,5 mol/L de PCl₅. Calcule a concentração no equilíbrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 1,5 mol/LKc = 0,05
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria e entalpiaMédia
Tf​ = ?Zincom = 250 gT = 90 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Águam = 100 gT = 18 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Um bloco de 250 g de zinco (c = 0,388 J/(g·°C)) a 90 °C é colocado em 100 g de água (c = 4,18 J/(g·°C)) a 18 °C em um copo isolado. Calcule a temperatura final Tf.

mmetal = 250 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 90 °Cmwater = 100 gTwater = 18 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria e entalpiaDifícil
H250 g C3​H8​C3​H8​ + 5O₂reagentes3CO₂ + 4H₂O(l)produtosq = ?

Use as entalpias padrão de formação para calcular o calor q liberado quando 250 g de C3H8 (M = 44,1 g/mol) queimam completamente: C3H8 + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O(l). Dê q como um número positivo.

ΔH°f(C3H8) = −103,8 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
q = kJ
13.Cinética químicaMédia
t (min)X (%)t = ?80%

Uma reação de primeira ordem em um reator batelada tem k = 0,05 min⁻¹. Quanto tempo leva para chegar a 80% de conversão? Encontre t.

k = 0,05 min⁻¹X = 80 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk40 °C0,0565 °C1,51

A constante de velocidade de uma reação é 0,05 min⁻¹ a 40 °C e 1,51 min⁻¹ a 65 °C. Encontre a energia de ativação Ea.

k1 = 0,05 min⁻¹T1 = 40 °Ck2 = 1,51 min⁻¹T2 = 65 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
QX = 85%mesmos Q, k e X que o CSTR

Uma reação de primeira ordem em fase líquida deve atingir 85% de conversão. Quantas vezes maior um CSTR precisa ser que um PFR para a mesma vazão de alimentação, constante de velocidade e conversão? Encontre a razão VCSTR/VPFR.

X = 85%primeira ordem, mesmos k e Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil
V = 400 LV = 400 LQ = 50 L/minX = ?

Uma reação de primeira ordem em fase líquida (k = 0,05 min⁻¹) ocorre em dois CSTRs iguais em série, cada um com 400 L. A vazão de alimentação é 50 L/min, a densidade é constante e os reatores estão em regime permanente. Encontre a conversão global X em porcentagem.

V = 400 L (×2)Q = 50 L/mink = 0,05 min⁻¹
X = %
17.Trocadores de calor (LMTD)Média
comprimentoT100 °C30 °C60 °CΔT₁ΔT₂vapor condensando

Em um condensador, vapor condensa a 100 °C constantes por fora dos tubos. Água de resfriamento (2 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) escoa pelos tubos e aquece de 30 para 60 °C. O coeficiente global de transferência de calor é 1000 W/(m²·K). Encontre a área de troca térmica A necessária.

Ts = 100 °Cṁ = 2 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc: 30 → 60 °CU = 1000 W/(m²·K)
A = m²
18.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
comprimentoT85 °C50 °C27,84 °C15 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Óleo quente (1 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) esfria de 85 para 50 °C em um trocador em contracorrente. Ele aquece 1,5 kg/s de água (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) que entra a 15 °C. Com U = 800 W/(m²·K), encontre a área de troca térmica A necessária.

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 85 → 50 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 15 °CU = 800 W/(m²·K)
A = m²
19.Condução de calorMédia
Lã mineral, k = 0,04250 mmPlaca de gesso, k = 0,1750 mm24 °C-7 °CTi​ = ?Q̇

Uma parede é feita de 250 mm de lã mineral e 50 mm de placa de gesso, com área de 12 m². As faces externas estão a 24 °C e -7 °C. Encontre a temperatura Ti na interface entre as duas camadas.

L1 = 250 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 24 °CT3 = -7 °C
Ti = °C
20.Condução de calorDifícil
Poliestireno expandido, k = 0,035250 mmLã mineral, k = 0,0475 mmambiente 22 °Cexterior -11 °CQ̇

Uma parede de 250 mm poliestireno expandido e 75 mm lã mineral separa um ambiente a 22 °C do ar externo a -11 °C. Os coeficientes de convecção são 6 W/(m²·K) por dentro e 30 W/(m²·K) por fora, e a área da parede é 6 m². Encontre o coeficiente global de transferência de calor U da parede.

L1 = 250 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 6 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -11 °C
U = W/(m²·K)
21.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia
Q = 10 L/sD = 100 mmL = 1000 mf = 0,022

Água escoa a 10 L/s em uma tubulação de 1000 m de comprimento com diâmetro interno de 100 mm. Use o fator de atrito de Darcy f = 0,022 e g = 9,81 m/s². Encontre a perda de carga por atrito hf.

Q = 10 L/sL = 1000 mD = 100 mmf = 0,022g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Atrito em tubulações e perda de cargaDifícil
K = 5saída livreH = ?L = 400 m, D = 250 mm, f = 0,0154× curva (K = 0,3)

Uma tubulação de 400 m de comprimento com diâmetro interno de 250 mm (fator de atrito de Darcy f = 0,015) 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 = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 5
H = m
23.Bombas e potência de bombasMédia
PQ = 20 L/sH = 76 m

Uma bomba com rendimento de 65% fornece 20 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) contra uma altura manométrica de 76 m. Use g = 9,81 m/s². Encontre a potência no eixo Pshaft necessária, em kW.

Q = 20 L/sH = 76 mη = 65%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Bombas e potência de bombasDifícil
PQ = 75 L/sΔz = 7 mL = 600 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 7 m mais alta. A tubulação tem 600 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. Encontre a altura manométrica H que a bomba deve acrescentar.

Q = 75 L/sΔz = 7 mL = 600 mD = 200 mmf = 0,02ΣK = 8
H = m

3Soluções

1.Balanço de massa

Resposta: ṁ2 = 1950 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) = 650·(40 − 25)/(25 − 20) = 1950 kg/h

Resposta

ṁ2 = 1950 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: P = 805 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 = 4600·7/40 = 805 kg/h

Resposta

P = 805 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 68,06 °C

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

Calor liberado pela corrente quente

Q = 2,5·3,6·(160 − 130) = 270 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 270/(1,5·4,18) = 68,06 °C

Resposta

tout = 68,06 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 2,292 kg/s

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

Calor liberado

Qh = 3·2,44·(140 − 60) = 585,6 kW

Calor que chega à água

Qc = (1 − 0,1)·585,6 = 527 kW

Vazão de água

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 527/(4,18·55) = 2,292 kg/s

Resposta

ṁc = 2,292 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: V = 396,4 L

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

Mols

n = 280/16,04 = 17,46 mol
T = 0 + 273,15 = 273,1 K

Volume

V = nRT/P = 17,46·8,314·273,1/100 = 396,4 L

Resposta

V = 396,4 L
6.Lei dos gases ideais

Resposta: V2 = 1,081 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 308,1 K, T2 = 333,1 K

Lei geral dos gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(100/200)·(333,1/308,1) = 1,081 L

Resposta

V2 = 1,081 L
7.Estequiometria

Resposta: m = 13,26 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(Mg) = 8/24,31 = 0,3291 mol
n(O2) = 10/32 = 0,3125 mol

Reagente limitante

0,3291/2 = 0,1645, 0,3125/1 = 0,3125 → Mg

Massa de produto

n(MgO) = 0,1645·2 = 0,3291 mol
m = 0,3291·40,3 = 13,26 g

Resposta

m = 13,26 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(Al) = 24/26,98 = 0,8895 mol
m = 0,8895·2/2·133,33 = 118,6 g

Rendimento percentual

Y = 92,51/118,6·100 = 78%

Resposta

Y = 78%
9.Equilíbrio químico

Resposta: [H2] = 0,2 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

9 = (2x)²/(0,5 − x)²

Tire a raiz quadrada

3 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·3/(2 + 3) = 0,3 mol/L

Concentração no equilíbrio

[H₂] = 0,5 − x = 0,2 mol/L

Resposta

[H2] = 0,2 mol/L
10.Equilíbrio químico

Resposta: [PCl5] = 1,25 mol/L

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

Expressão do equilíbrio

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

Resolva a equação do segundo grau

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

Concentração no equilíbrio

[PCl₅] = 1,5 − 0,25 = 1,25 mol/L

Resposta

[PCl5] = 1,25 mol/L
11.Calorimetria e entalpia

Resposta: Tf = 31,56 °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

250·0,388·(90 − Tf) = 100·4,18·(Tf − 18)

Isole a temperatura final

Tf = (97·90 + 418·18)/(97 + 418) = 31,56 °C

Resposta

Tf = 31,56 °C
12.Calorimetria e entalpia

Resposta: q = 12584 kJ

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

Entalpia de reação

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

Calor para a massa dada

n = 250/44,1 = 5,669 mol
q = n·|ΔH°/1| = 5,669·2220 = 12584 kJ

Resposta

q = 12584 kJ
13.Cinética química

Resposta: t = 32,19 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 = 0,2

Resolva para o tempo

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,2)/0,05 = 32,19 min

Resposta

t = 32,19 min
14.Cinética química

Resposta: Ea = 120 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 = 313,1 K, T2 = 338,1 K

Resolva Arrhenius para Ea

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·3,408/(-2,361e-4) = 120008 J/mol
Ea = 120 kJ/mol

Resposta

Ea = 120 kJ/mol
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: VCSTR/VPFR = 2,987

Reatores ideais, reação de primeira ordem (−rA = k·CA) em regime permanente, com tempo espacial τ = V/Q. Um CSTR é perfeitamente misturado, então todo o volume reage na baixa concentração de saída: τ = X/(k·(1 − X)) e CA = CA0/(1 + k·τ). Em um PFR cada fatia de fluido reage como um pequeno reator em batelada: τ = ln(1/(1 − X))/k e CA = CA0·e−k·τ. Para a mesma conversão, um CSTR sempre precisa de mais volume que um PFR.

k·τ para cada reator

CSTR: k·τ = X/(1 − X) = 0,85/0,15 = 5,667
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(6,667) = 1,897

Razão de volumes

VCSTR/VPFR = 5,667/1,897 = 2,987

Resposta

VCSTR/VPFR = 2,987

A diferença cresce rapidamente em conversões altas.

16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: X = 48,98 %

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 = 400/50 = 8 min, kτ = 0,05·8 = 0,4

Conversão

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 0,4) = 0,7143
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,5102
X = 1 − 0,5102 = 48,98%

Resposta

X = 48,98%
17.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 4,678 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.

Carga térmica pelo lado da água

Q̇ = 2·4,18·(60 − 30) = 250,8 kW

Diferenças de temperatura nas extremidades

ΔT₁ = 100 − 30 = 70 K
ΔT₂ = 100 − 60 = 40 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (70 − 40)/ln(70/40) = 53,61 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 250800/(1000·53,61) = 4,678 m²

Resposta

A = 4,678 m²
18.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 2,227 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) = 1·2,3·35 = 80,5 kW
Tc,out = 15 + 80,5/(1,5·4,18) = 27,84 °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 − 27,84 = 57,16 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 50 − 15 = 35 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (57,16 − 35)/ln(57,16/35) = 45,18 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 80500/(800·45,18) = 2,227 m²

Resposta

A = 2,227 m²
19.Condução de calor

Resposta: Ti = −5,607 °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) = (250/1000)/(0,04·12) = 0,5208 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,17·12) = 0,02451 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 31/0,5453 = 56,84 W

Temperatura da interface

A temperatura cai Q̇·R₁ na primeira camada.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 24 − 56,84·0,5208 = −5,607 °C

Resposta

Ti = −5,607 °C
20.Condução de calor

Resposta: U = 0,1085 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/(6·6) = 0,02778 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,035·6) = 1,19 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,04·6) = 0,3125 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·6) = 0,005556 K/W
ΣR = 1,536 K/W

Coeficiente global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(6·1,536) = 0,1085 W/(m²·K)

Resposta

U = 0,1085 W/(m²·K)
21.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: hf = 18,18 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·0,1²/4 = 0,007854 m²
V = Q/A = 0,01/0,007854 = 1,273 m/s

Carga cinética

V²/(2g) = 1,273²/(2·9,81) = 0,08263 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,022·(1000/0,1)·1,273²/(2·9,81) = 18,18 m

Resposta

hf = 18,18 m
22.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: H = 9,656 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 = 0,015·400/0,25 = 24
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 + 24 + 6,7)·0,3046 = 9,656 m

Resposta

H = 9,656 m
23.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pshaft = 22,94 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 = 1000·9,81·0,02·76 = 14,91 kW

Potência no eixo

Pshaft = Ph/η = 14,91/0,65 = 22,94 kW

Resposta

Pshaft = 22,94 kW
24.Bombas e potência de bombas

Resposta: H = 26,75 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) = (60 + 8)·0,2905 = 19,75 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 = 7 + 19,75 = 26,75 m

Resposta

H = 26,75 m

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