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 1350 kg/h · 40% NaOHCorrente 2ṁ₂ = ? · 15% 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 = 350 kg/hx1 = 40 %x2 = 15 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F3400 kg/h · 11% salProduto P50% salVapor W (água pura)W = ? kg/h

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

F = 3400 kg/hxF = 11 %xP = 50 %
W = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado frioóleo leve · 150 °C70 °Cágua · 10 °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 = 1 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 150 → 70 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado friomistura de glicol · 160 °C60 °Cágua · 20 °C35 °C · ṁ = ?15% perdido

mistura de glicol quente aquece água em um trocador que perde para o ambiente 15% do calor liberado pela corrente quente. Encontre a vazão de água ṁc necessária.

ṁh = 2 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 160 → 60 °Ct: 20 → 35 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 15 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
300 g de HeP = 500 kPaT = 20 °CV = ?

Que volume V ocupam 300 g de He a 500 kPa e 20 °C? Trate como gás ideal.

m = 300 gM = 4,003 g/molP = 500 kPaT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Lei dos gases ideaisDifícil
CH₄, M = 16,04 g/molP = 1000 kPaT = 180 °Cρ = ?

Encontre a massa específica ρ de CH₄ a 1000 kPa e 180 °C, tratando como gás ideal.

M = 16,04 g/molP = 1000 kPaT = 180 °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 24 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, 4 g de CH4 reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 5,57 g de H2O. Calcule o rendimento percentual Y.

M(CH4) = 16,04 g/molM(H2O) = 18,02 g/molreal: 5,57 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 = 4. Calcule a concentração no equilíbrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,5 mol/LKc = 4
[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 = 0,1 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 = 0,1
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria e entalpiaMédia
Tf​ = ?Cobrem = 150 gT = 130 °Cc = 0,385 J/(g·°C)Águam = 150 gT = 25 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Um bloco de 150 g de cobre (c = 0,385 J/(g·°C)) a 130 °C é colocado em 150 g de água (c = 4,18 J/(g·°C)) a 25 °C em um copo isolado. Calcule a temperatura final Tf.

mmetal = 150 gcmetal = 0,385 J/(g·°C)Tmetal = 130 °Cmwater = 150 gTwater = 25 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria e entalpiaDifícil
H2C2​H6​ + 7O₂reagentes4CO₂ + 6H₂O(l)produtosΔH° = ?

Use as entalpias padrão de formação para calcular o ΔH° da reação 2C2H6 + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O(l).

ΔH°f(C2H6) = −84,7 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
ΔH° = kJ
13.Cinética químicaMédia
t (min)C (mol/L)10 minC = ?

Uma reação com lei de velocidade −rA = k·CA² tem k = 0,05 L/(mol·min) e começa em 2 mol/L. Encontre a concentração CA depois de 10 min.

k = 0,05 L/(mol·min)CA0 = 2 mol/Lt = 10 min
CA = mol/L
14.Cinética químicaDifícil
1/Tln kT = 80 °Cln 0,05ln A = ?Ea​ = 50 kJ/mol

Uma reação de primeira ordem tem constante de velocidade de 0,05 s⁻¹ a 80 °C e energia de ativação de 50 kJ/mol. Encontre o fator pré-exponencial A na equação de Arrhenius.

k = 0,05 s⁻¹T = 80 °CEa = 50 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
A = s⁻¹
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
Q = 40 L/minX = 60%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 40 L/min. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre o volume do reator V em litros para 60% de conversão de A.

Q = 40 L/mink = 0,25 min⁻¹X = 60%
V = L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil
V = 1500 LQ = 50 L/minX = ?

Uma reação de primeira ordem em fase líquida (k = 0,5 min⁻¹) ocorre em um CSTR de 1500 L alimentado a 50 L/min. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre a conversão X em porcentagem.

V = 1500 LQ = 50 L/mink = 0,5 min⁻¹
X = %
17.Trocadores de calor (LMTD)Média
comprimentoT140 °C80 °C10 °C50 °CΔT₁ΔT₂correntes paralelas

Um trocador de calor em correntes paralelas transfere 370 kW. O fluido quente esfria de 140 para 80 °C e o fluido frio aquece de 10 para 50 °C. O coeficiente global de transferência de calor é 800 W/(m²·K). Encontre a área de troca térmica A necessária.

Q̇ = 370 kWU = 800 W/(m²·K)Th: 140 → 80 °CTc: 10 → 50 °C
A = m²
18.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
comprimentoT130 °C??20 °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 130 °C e a corrente fria a 20 °C. O trocador tem A = 5 m² e U = 200 W/(m²·K). Encontre a temperatura de saída quente Th,out.

Ch = Cc = 1 kW/KTh,in = 130 °CTc,in = 20 °CA = 5 m²U = 200 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Condução de calorMédia
Vidro, k = 0,9650 mmTijolo, k = 0,7250 mm22 °C-8 °CQ̇ = ?

Uma parede é feita de 50 mm de vidro e 50 mm de tijolo, com área de 20 m². As faces externas estão a 22 °C e -8 °C. Encontre o fluxo de calor Q̇ pela parede.

L1 = 50 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 20 m²T1 = 22 °CT3 = -8 °C
Q̇ = W
20.Condução de calorDifícil
Lã mineral, k = 0,04150 mmMadeira, k = 0,17150 mmambiente 22 °Cexterior -4 °CQ̇

Uma parede de 150 mm lã mineral e 150 mm madeira separa um ambiente a 22 °C do ar externo a -4 °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 12 m². Encontre o coeficiente global de transferência de calor U da parede.

L1 = 150 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 12 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -4 °C
U = W/(m²·K)
21.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia
V = 2,7 m/sD = 75 mmL = 500 mf = 0,028

Água escoa com velocidade média de 2,7 m/s em uma tubulação de 500 m de comprimento com diâmetro interno de 75 mm. Use o fator de atrito de Darcy f = 0,028 e g = 9,81 m/s². Encontre a perda de carga por atrito hf.

V = 2,7 m/sL = 500 mD = 75 mmf = 0,028g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Atrito em tubulações e perda de cargaDifícil
K = 5Δz = 29 mL = 100 m, D = 100 mm, f = 0,0254× curva (K = 0,3)

Dois reservatórios abertos estão ligados por uma tubulação de 100 m de comprimento com diâmetro interno de 100 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,025. A superfície da água do reservatório superior está 29 m acima da do inferior. As perdas localizadas são uma entrada de cantos vivos (K = 0,5), 4 curvas (K = 0,3 cada), uma válvula (K = 5) e a saída no reservatório inferior (K = 1,0). Use g = 9,81 m/s². Encontre a vazão Q em L/s.

Δz = 29 mL = 100 mD = 100 mmf = 0,025Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 5Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Bombas e potência de bombasMédia
PQ = 40 L/sH = 36 m

Uma bomba fornece 40 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) contra uma altura manométrica de 36 m. O rendimento da bomba é 80% e o motor elétrico que a aciona tem rendimento de 95%. Use g = 9,81 m/s². Encontre a potência elétrica Pel consumida pelo motor, em kW.

Q = 40 L/sH = 36 mηpump = 80%ηmotor = 95%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Bombas e potência de bombasDifícil
250 kPa (manométrica)PQ = 75 L/sΔz = 16 mL = 100 m, D = 200 mm, f = 0,015, ΣK = 4

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 16 m mais alta. A tubulação tem 100 m de comprimento, diâmetro interno de 200 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,015; os coeficientes de perda localizada somam ΣK = 4 (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 250 kPa. Encontre a altura manométrica H que a bomba deve acrescentar.

Q = 75 L/sΔz = 16 mL = 100 mD = 200 mmf = 0,015ΣK = 4ptank = 250 kPa
H = m

3Soluções

1.Balanço de massa

Resposta: ṁ2 = 525 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) = 350·(40 − 25)/(25 − 15) = 525 kg/h

Resposta

ṁ2 = 525 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: W = 2652 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 = 3400·11/50 = 748 kg/h

Balanço total

W = F − P = 3400 − 748 = 2652 kg/h

Resposta

W = 2652 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 36,79 °C

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

Calor liberado pela corrente quente

Q = 1·2,1·(150 − 70) = 168 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 168/(1,5·4,18) = 36,79 °C

Resposta

tout = 36,79 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 9,761 kg/s

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

Calor liberado

Qh = 2·3,6·(160 − 60) = 720 kW

Calor que chega à água

Qc = (1 − 0,15)·720 = 612 kW

Vazão de água

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 612/(4,18·15) = 9,761 kg/s

Resposta

ṁc = 9,761 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: V = 365,3 L

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

Mols

n = 300/4,003 = 74,94 mol
T = 20 + 273,15 = 293,1 K

Volume

V = nRT/P = 74,94·8,314·293,1/500 = 365,3 L

Resposta

V = 365,3 L
6.Lei dos gases ideais

Resposta: ρ = 4,257 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 = 180 + 273,15 = 453,1 K

Massa específica

ρ = 1000·16,04/(8,314·453,1) = 4,257 kg/m³

Resposta

ρ = 4,257 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) = 24/70,9 = 0,3385 mol

Reagente limitante

0,261/2 = 0,1305, 0,3385/1 = 0,3385 → 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 = 61,97 %

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) = 4/16,04 = 0,2494 mol
m = 0,2494·2/1·18,02 = 8,988 g

Rendimento percentual

Y = 5,57/8,988·100 = 61,97%

Resposta

Y = 61,97%
9.Equilíbrio químico

Resposta: [HI] = 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

4 = (2x)²/(0,5 − x)²

Tire a raiz quadrada

2 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·2/(2 + 2) = 0,25 mol/L

Concentração no equilíbrio

[HI] = 2x = 0,5 mol/L

Resposta

[HI] = 0,5 mol/L
10.Equilíbrio químico

Resposta: [PCl5] = 1,159 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

0,1 = x²/(1,5 − x) → x² + 0,1·x − 0,15 = 0

Resolva a equação do segundo grau

x = (−0,1 + √(0,1² + 4·0,15))/2 = 0,3405 mol/L

Concentração no equilíbrio

[PCl₅] = 1,5 − 0,3405 = 1,159 mol/L

Resposta

[PCl5] = 1,159 mol/L
11.Calorimetria e entalpia

Resposta: Tf = 33,86 °C

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

Balanço de calor

150·0,385·(130 − Tf) = 150·4,18·(Tf − 25)

Isole a temperatura final

Tf = (57,75·130 + 627·25)/(57,75 + 627) = 33,86 °C

Resposta

Tf = 33,86 °C
12.Calorimetria e entalpia

Resposta: ΔH° = −3119 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

Resposta

ΔH° = −3119 kJ

Negativo: a reação libera calor (exotérmica).

13.Cinética química

Resposta: CA = 1 mol/L

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).

Lei integrada de segunda ordem

1/CA = 1/CA0 + kt = 0,5 + 0,05·10 = 1 L/mol
CA = 1/1 = 1 mol/L

Resposta

CA = 1 mol/L
14.Cinética química

Resposta: A = 1,244 × 10⁶ s⁻¹

Reaction rates: for a first-order reaction −dC/dt = kC, so C = C₀·e−kt and the half-life ln 2/k does not depend on concentration. For a second-order reaction 1/C = 1/C₀ + kt. The rate constant rises with temperature following Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Temperatura absoluta

T = 80 + 273,15 = 353,1 K

Resolva Arrhenius para A

Ea/(RT) = 50000/(8,314·353,1) = 17,03
A = k·e17,03 = 0,05·2,488 × 10⁷ = 1,244 × 10⁶ s⁻¹

Resposta

A = 1,244 × 10⁶ s⁻¹
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: V = 146,6 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 − 0,6))/0,25 = 0,9163/0,25 = 3,665 min

Volume

V = Q·τ = 40·3,665 = 146,6 L

Resposta

V = 146,6 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 = 1500/50 = 30 min, kτ = 0,5·30 = 15

Conversão

X = kτ/(1 + kτ) = 15/(1 + 15) = 93,75%

Resposta

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

Resposta: A = 6,782 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 = 140 − 10 = 130 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 80 − 50 = 30 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (130 − 30)/ln(130/30) = 68,2 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 370000/(800·68,2) = 6,782 m²

Resposta

A = 6,782 m²
18.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: Th,out = 75 °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·(130 − Th,out) = 1·(Th,out − 20)
Th,out = (1·130 + 1·20)/(1 + 1) = 75 °C

Resposta

Th,out = 75 °C

Calor transferido: Q̇ = 55 kW; a corrente fria sai a 75 °C.

19.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 4937 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) = (50/1000)/(0,96·20) = 0,002604 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,72·20) = 0,003472 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 30/0,006076 = 4937 W

Resposta

Q̇ = 4937 W
20.Condução de calor

Resposta: U = 0,2095 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/(10·12) = 0,008333 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,04·12) = 0,3125 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,17·12) = 0,07353 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·12) = 0,003333 K/W
ΣR = 0,3977 K/W

Coeficiente global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(12·0,3977) = 0,2095 W/(m²·K)

Resposta

U = 0,2095 W/(m²·K)
21.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: hf = 69,36 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) = 2,7²/(2·9,81) = 0,3716 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,028·(500/0,075)·2,7²/(2·9,81) = 69,36 m

Resposta

hf = 69,36 m
22.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: Q = 32,76 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 = 0,025·100/0,1 = 25
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 5 + 1,0 = 7,7

Equação da energia

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

29 = (25 + 7,7)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·29/32,7) = 4,171 m/s

Vazão

Q = V·π·D²/4 = 4,171·0,007854 = 0,03276 m³/s = 32,76 L/s

Resposta

Q = 32,76 L/s
23.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pel = 18,59 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 = 1000·9,81·0,04·36 = 14,13 kW

Potência no eixo

Pshaft = 14,13/0,8 = 17,66 kW

Potência elétrica

Pel = 17,66/0,95 = 18,59 kW

Resposta

Pel = 18,59 kW
24.Bombas e potência de bombas

Resposta: H = 44,82 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) = (7,5 + 4)·0,2905 = 3,341 m

Carga de pressão

p/(ρ·g) = 250000/(1000·9,81) = 25,48 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 = 16 + 25,48 + 3,341 = 44,82 m

Resposta

H = 44,82 m

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