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 1500 kg/h · 20% NaOHCorrente 2ṁ₂ = ? · 40% NaOHProduto35% NaOH

Quanto da corrente 2 deve ser adicionado por hora à corrente 1 para que o produto da mistura contenha 35% de NaOH? Encontre ṁ2.

ṁ1 = 500 kg/hx1 = 20 %x2 = 40 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F1800 kg/h · 10% NaOHProduto P50% 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 = 1800 kg/hxF = 10 %xP = 50 %
W = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado frioetanol · 130 °C100 °Cágua · 15 °Ct = ? °C

etanol quente resfria água em um trocador de calor em contracorrente sem perda de calor. Encontre a temperatura de saída da água tout.

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 130 → 100 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado frioetanol · 180 °C100 °Cágua · 10 °C70 °C · ṁ = ?5% perdido

etanol quente aquece água em um trocador que perde para o ambiente 5% do calor liberado pela corrente quente. Encontre a vazão de água ṁc necessária.

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 180 → 100 °Ct: 10 → 70 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 5 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
220 g de HeP = 800 kPaT = 80 °CV = ?

Que volume V ocupam 220 g de He a 800 kPa e 80 °C? Trate como gás ideal.

m = 220 gM = 4,003 g/molP = 800 kPaT = 80 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Lei dos gases ideaisDifícil
Estado 1Estado 2

Uma quantidade fixa de Ar passa de 200 kPa, 2 L, 20 °C para 100 kPa e 200 °C. Encontre o novo volume V2.

P1 = 200 kPaV1 = 2 LT1 = 20 °CP2 = 100 kPaT2 = 200 °C
V2 = L
7.EstequiometriaMédia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

12 g de CH4 e 32 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(Fe2​O3​)n(Fe2​O3​)n(Fe)m(Fe)÷ M(Fe2​O3​)× 2/1× M(Fe)

Na reação Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2, 10 g de Fe2O3 reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 6,58 g de Fe. Calcule o rendimento percentual Y.

M(Fe2O3) = 159,69 g/molM(Fe) = 55,85 g/molreal: 6,58 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 = 36. Calcule a concentração no equilíbrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,4 mol/LKc = 36
[H2] = mol/L
10.Equilíbrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I100C−x+x+xE1 − xxx

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

[PCl₅]₀ = 1 mol/LKc = 0,5
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria e entalpiaMédia
Tf​ = ?Chumbom = 250 gT = 150 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Águam = 250 gT = 16 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Um bloco de 250 g de chumbo (c = 0,129 J/(g·°C)) a 150 °C é colocado em 250 g de água (c = 4,18 J/(g·°C)) a 16 °C em um copo isolado. Calcule a temperatura final Tf.

mmetal = 250 gcmetal = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 150 °Cmwater = 250 gTwater = 16 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria e entalpiaDifícil
H25 g C2​H6​2C2​H6​ + 7O₂reagentes4CO₂ + 6H₂O(l)produtosq = ?

Use as entalpias padrão de formação para calcular o calor q liberado quando 25 g de C2H6 (M = 30,07 g/mol) queimam completamente: 2C2H6 + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O(l). Dê q como um número positivo.

ΔH°f(C2H6) = −84,7 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 = ?30%

Uma reação de ordem zero tem k = 0,01 mol/(L·min) e começa com 1,5 mol/L. Quanto tempo leva para atingir 30% de conversão? Encontre t.

k = 0,01 mol/(L·min)CA0 = 1,5 mol/LX = 30 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk35 °C0,0260 °C?

Uma reação tem constante de velocidade de 0,02 min⁻¹ a 35 °C e energia de ativação de 40 kJ/mol. Encontre a constante de velocidade k2 a 60 °C.

k1 = 0,02 min⁻¹T1 = 35 °CT2 = 60 °CEa = 40 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
QX = 75%mesmos Q, k e X que o CSTR

Uma reação de primeira ordem em fase líquida deve atingir 75% 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 = 75%primeira ordem, mesmos k e Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil
V = 400 LV = 400 LQ = 100 L/minX = ?

Uma reação de primeira ordem em fase líquida (k = 0,5 min⁻¹) ocorre em dois CSTRs iguais em série, cada um com 400 L. A vazão de alimentação é 100 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 = 100 L/mink = 0,5 min⁻¹
X = %
17.Trocadores de calor (LMTD)Média
comprimentoT80 °C60 °C10 °C20 °CΔT₁ΔT₂correntes paralelas

Um trocador de calor em correntes paralelas transfere 450 kW. O fluido quente esfria de 80 para 60 °C e o fluido frio aquece de 10 para 20 °C. O coeficiente global de transferência de calor é 1500 W/(m²·K). Encontre a área de troca térmica A necessária.

Q̇ = 450 kWU = 1500 W/(m²·K)Th: 80 → 60 °CTc: 10 → 20 °C
A = m²
18.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
comprimentoT120 °C15 °C?ΔT₁ΔT₂vapor condensando

Vapor condensa a 120 °C constantes por fora dos tubos de um condensador com área de troca térmica de 5 m² e U = 2000 W/(m²·K). Água de resfriamento (1 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entra nos tubos a 15 °C. Encontre a temperatura de saída da água Tc,out.

Ts = 120 °CA = 5 m²U = 2000 W/(m²·K)ṁ = 1 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 15 °C
Tc,out = °C
19.Condução de calorMédia
Madeira, k = 0,17250 mmLã mineral, k = 0,0475 mm22 °C-4 °CQ̇ = ?

Uma parede é feita de 250 mm de madeira e 75 mm de lã mineral, com área de 20 m². As faces externas estão a 22 °C e -4 °C. Encontre o fluxo de calor Q̇ pela parede.

L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 20 m²T1 = 22 °CT3 = -4 °C
Q̇ = W
20.Condução de calorDifícil
Madeira, k = 0,17250 mmTijolo, k = 0,7275 mmambiente 21 °Cexterior -13 °CQ̇ = ?

Uma parede de 250 mm madeira e 75 mm tijolo separa um ambiente a 21 °C do ar externo a -13 °C. Os coeficientes de convecção são 6 W/(m²·K) por dentro e 20 W/(m²·K) por fora, e a área da parede é 20 m². Encontre a perda de calor Q̇ pela parede.

L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 20 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -13 °C
Q̇ = W
21.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia
V = 2,3 m/sD = 250 mmL = 150 mf = 0,022

Água escoa com velocidade média de 2,3 m/s em uma tubulação de 150 m de comprimento com diâmetro interno de 250 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.

V = 2,3 m/sL = 150 mD = 250 mmf = 0,022g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Atrito em tubulações e perda de cargaDifícil
K = 10Δz = 9 mL = 300 m, D = 300 mm, f = 0,0183× curva (K = 0,3)

Dois reservatórios abertos estão ligados por uma tubulação de 300 m de comprimento com diâmetro interno de 300 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,018. A superfície da água do reservatório superior está 9 m acima da do inferior. As perdas localizadas são uma entrada de cantos vivos (K = 0,5), 3 curvas (K = 0,3 cada), uma válvula (K = 10) e a saída no reservatório inferior (K = 1,0). Use g = 9,81 m/s². Encontre a vazão Q em L/s.

Δz = 9 mL = 300 mD = 300 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Bombas e potência de bombasMédia
PQ = 100 L/sH = 24 m

Uma bomba fornece 100 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) contra uma altura manométrica de 24 m. O rendimento da bomba é 65% e o motor elétrico que a aciona tem rendimento de 90%. Use g = 9,81 m/s². Encontre a potência elétrica Pel consumida pelo motor, em kW.

Q = 100 L/sH = 24 mηpump = 65%ηmotor = 90%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Bombas e potência de bombasDifícil
PQ = 60 L/sΔz = 16 mL = 150 m, D = 200 mm, f = 0,022, ΣK = 8

Uma bomba transporta 60 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) de um reservatório inferior aberto para um tanque superior cuja superfície da água está 16 m mais alta. A tubulação tem 150 m de comprimento, diâmetro interno de 200 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,022; 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 = 60 L/sΔz = 16 mL = 150 mD = 200 mmf = 0,022ΣK = 8
H = m

3Soluções

1.Balanço de massa

Resposta: ṁ2 = 1500 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) = 500·(20 − 35)/(35 − 40) = 1500 kg/h

Resposta

ṁ2 = 1500 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: W = 1440 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 = 1800·10/50 = 360 kg/h

Balanço total

W = F − P = 1800 − 360 = 1440 kg/h

Resposta

W = 1440 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 85,05 °C

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

Calor liberado pela corrente quente

Q = 2·2,44·(130 − 100) = 146,4 kW

Calor absorvido pela água

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

Resposta

tout = 85,05 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 0,7394 kg/s

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

Calor liberado

Qh = 1·2,44·(180 − 100) = 195,2 kW

Calor que chega à água

Qc = (1 − 0,05)·195,2 = 185,4 kW

Vazão de água

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 185,4/(4,18·60) = 0,7394 kg/s

Resposta

ṁc = 0,7394 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: V = 201,7 L

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

Mols

n = 220/4,003 = 54,96 mol
T = 80 + 273,15 = 353,1 K

Volume

V = nRT/P = 54,96·8,314·353,1/800 = 201,7 L

Resposta

V = 201,7 L
6.Lei dos gases ideais

Resposta: V2 = 6,456 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 293,1 K, T2 = 473,1 K

Lei geral dos gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(200/100)·(473,1/293,1) = 6,456 L

Resposta

V2 = 6,456 L
7.Estequiometria

Resposta: m = 18,02 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) = 12/16,04 = 0,7481 mol
n(O2) = 32/32 = 1 mol

Reagente limitante

0,7481/1 = 0,7481, 1/2 = 0,5 → O2

Massa de produto

n(H2O) = 0,5·2 = 1 mol
m = 1·18,02 = 18,02 g

Resposta

m = 18,02 g
8.Estequiometria

Resposta: Y = 94,07 %

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(Fe2O3) = 10/159,69 = 0,06262 mol
m = 0,06262·2/1·55,85 = 6,995 g

Rendimento percentual

Y = 6,58/6,995·100 = 94,07%

Resposta

Y = 94,07%
9.Equilíbrio químico

Resposta: [H2] = 0,1 mol/L

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

Expressão do equilíbrio

36 = (2x)²/(0,4 − x)²

Tire a raiz quadrada

6 = 2x/(0,4 − x) → x = 0,4·6/(2 + 6) = 0,3 mol/L

Concentração no equilíbrio

[H₂] = 0,4 − x = 0,1 mol/L

Resposta

[H2] = 0,1 mol/L
10.Equilíbrio químico

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

Resolva a equação do segundo grau

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

Concentração no equilíbrio

[Cl₂] = x = 0,5 mol/L

Resposta

[Cl2] = 0,5 mol/L
11.Calorimetria e entalpia

Resposta: Tf = 20,01 °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

250·0,129·(150 − Tf) = 250·4,18·(Tf − 16)

Isole a temperatura final

Tf = (32,25·150 + 1045·16)/(32,25 + 1045) = 20,01 °C

Resposta

Tf = 20,01 °C
12.Calorimetria e entalpia

Resposta: q = 1297 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° = [4·(−393,5) + 6·(−285,8)] − [2·(−84,7) + 7·0] = −3119 kJ

Calor para a massa dada

n = 25/30,07 = 0,8314 mol
q = n·|ΔH°/2| = 0,8314·1560 = 1297 kJ

Resposta

q = 1297 kJ
13.Cinética química

Resposta: t = 45 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).

Quantidade convertida

CA0·X = 1,5·0,3 = 0,45 mol/L

Tempo

t = CA0·X/k = 0,45/0,01 = 45 min

Resposta

t = 45 min
14.Cinética química

Resposta: k2 = 0,06454 min⁻¹

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 = 333,1 K

Razão de Arrhenius

ln(k2/k1) = −(40000/8,314)·(1/333,1 − 1/308,1) = 1,172
k2 = 0,02·e1,172 = 0,06454 min⁻¹

Resposta

k2 = 0,06454 min⁻¹
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: VCSTR/VPFR = 2,164

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) = 0,75/0,25 = 3
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(4) = 1,386

Razão de volumes

VCSTR/VPFR = 3/1,386 = 2,164

Resposta

VCSTR/VPFR = 2,164

A diferença cresce rapidamente em conversões altas.

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 = 400/100 = 4 min, kτ = 0,5·4 = 2

Conversão

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 2) = 0,3333
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,1111
X = 1 − 0,1111 = 88,89%

Resposta

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

Resposta: A = 5,596 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 = 80 − 10 = 70 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 60 − 20 = 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) = 450000/(1500·53,61) = 5,596 m²

Resposta

A = 5,596 m²
18.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: Tc,out = 110,4 °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.

Combine o balanço de energia e a equação de taxa

Com ΔT₁ = Ts − Tc,in e ΔT₂ = Ts − Tc,out, a diferença ΔT₁ − ΔT₂ é igual à elevação de temperatura da água, então a elevação se cancela.

ṁcp(ΔT₁ − ΔT₂) = U·A·(ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
ln(ΔT₁/ΔT₂) = U·A/(ṁcp) = 2000·5/(1·4180) = 2,392

Temperatura de saída

ΔT₂ = ΔT₁·e−2,392 = 105·0,09142 = 9,599 K
Tc,out = 120 − 9,599 = 110,4 °C

Resposta

Tc,out = 110,4 °C

Calor transferido: Q̇ = 398,8 kW.

19.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 155,4 W

Resistência térmica: o fluxo de calor permanente através de camadas em série se comporta como corrente em resistores em série: Q̇ = ΔT/ΣR, com R = L/(kA) para uma camada condutora e R = 1/(hA) para uma superfície com convecção. A queda de temperatura em cada camada é proporcional à sua resistência.

Resistências das camadas

R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,17·20) = 0,07353 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,04·20) = 0,09375 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 26/0,1673 = 155,4 W

Resposta

Q̇ = 155,4 W
20.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 379,6 W

Resistência térmica: o fluxo de calor permanente através de camadas em série se comporta como corrente em resistores em série: Q̇ = ΔT/ΣR, com R = L/(kA) para uma camada condutora e R = 1/(hA) para uma superfície com convecção. A queda de temperatura em cada camada é proporcional à sua resistência.

Resistências em série

Ri = 1/(hiA) = 1/(6·20) = 0,008333 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,17·20) = 0,07353 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,72·20) = 0,005208 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·20) = 0,0025 K/W
ΣR = 0,08957 K/W

Perda de calor

Q̇ = (21 − (-13))/0,08957 = 379,6 W

Resposta

Q̇ = 379,6 W
21.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: hf = 3,559 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) = 2,3²/(2·9,81) = 0,2696 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,022·(150/0,25)·2,3²/(2·9,81) = 3,559 m

Resposta

hf = 3,559 m
22.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: Q = 170,4 L/s

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.

Coeficientes de perda

f·L/D = 0,018·300/0,3 = 18
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 10 + 1,0 = 12,4

Equação da energia

As duas superfícies estão abertas para o ar e praticamente em repouso, então todo o Δz é perdido na tubulação.

9 = (18 + 12,4)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·9/30,4) = 2,41 m/s

Vazão

Q = V·π·D²/4 = 2,41·0,07069 = 0,1704 m³/s = 170,4 L/s

Resposta

Q = 170,4 L/s
23.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pel = 40,25 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 = 1000·9,81·0,1·24 = 23,54 kW

Potência no eixo

Pshaft = 23,54/0,65 = 36,22 kW

Potência elétrica

Pel = 36,22/0,9 = 40,25 kW

Resposta

Pel = 40,25 kW
24.Bombas e potência de bombas

Resposta: H = 20,55 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 = 0,06/0,03142 = 1,91 m/s
V²/(2g) = 0,1859 m

Perdas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (16,5 + 8)·0,1859 = 4,555 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 = 16 + 4,555 = 20,55 m

Resposta

H = 20,55 m

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