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 · 10% açúcarCorrente 2ṁ₂ = ? · 40% 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 = 10 %x2 = 40 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F3400 kg/h · 6% açúcarProduto P55% açúcarVapor W (água pura)W = ? kg/h

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

F = 3400 kg/hxF = 6 %xP = 55 %
W = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado frioetanol · 130 °C90 °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 = 3 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 130 → 90 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado friomistura de glicol · 180 °C70 °Cágua · 25 °C85 °C · ṁ = ?10% perdido

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

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 180 → 70 °Ct: 25 → 85 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 10 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
380 g de CO₂P = 450 kPaT = 55 °CV = ?

Que volume V ocupam 380 g de CO₂ a 450 kPa e 55 °C? Trate como gás ideal.

m = 380 gM = 44,01 g/molP = 450 kPaT = 55 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Lei dos gases ideaisDifícil
Estado 1Estado 2

Uma quantidade fixa de CH₄ passa de 350 kPa, 2 L, 10 °C para 550 kPa e 170 °C. Encontre o novo volume V2.

P1 = 350 kPaV1 = 2 LT1 = 10 °CP2 = 550 kPaT2 = 170 °C
V2 = L
7.EstequiometriaMédia
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 1/ν× M(CO2​)

6 g de CH4 e 48 g de O2 reagem segundo CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. Que massa m de CO2 se pode formar?

M(CH4) = 16,04M(O2) = 32M(CO2) = 44,01 g/mol
m = g
8.EstequiometriaDifícil
m(Na)n(Na)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(Na)× 2/2× M(NaCl)

Na reação 2Na + Cl2 → 2NaCl, 20 g de Na reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 35,59 g de NaCl. Calcule o rendimento percentual Y.

M(Na) = 22,99 g/molM(NaCl) = 58,44 g/molreal: 35,59 g
Y = %
9.Equilíbrio químicoMédia
H2​I2​HII0,20,20C−x−x+2xE0,2 − x0,2 − x2x

0,2 mol/L de H₂ e 0,2 mol/L de I₂ são colocados em um recipiente e reagem: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, com Kc = 64. Calcule a concentração no equilíbrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,2 mol/LKc = 64
[H2] = mol/L
10.Equilíbrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,2500C−x+x+xE0,25 − xxx

O PCl₅ se decompõe: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, com Kc = 0,08 na temperatura da reação. Um recipiente começa apenas com 0,25 mol/L de PCl₅. Calcule a concentração no equilíbrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,25 mol/LKc = 0,08
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria e entalpiaMédia
Tf​ = ?Ferrom = 200 gT = 90 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Águam = 400 gT = 18 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Um bloco de 200 g de ferro (c = 0,449 J/(g·°C)) a 90 °C é colocado em 400 g de água (c = 4,18 J/(g·°C)) a 18 °C em um copo isolado. Calcule a temperatura final Tf.

mmetal = 200 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 90 °Cmwater = 400 gTwater = 18 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria e entalpiaDifícil
HC3​H8​ + 5O₂reagentes3CO₂ + 4H₂O(l)produtosΔH° = ?

Use as entalpias padrão de formação para calcular o ΔH° da reação C3H8 + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O(l).

ΔH°f(C3H8) = −103,8 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)15 minC = ?

Uma reação com lei de velocidade −rA = k·CA² tem k = 0,1 L/(mol·min) e começa em 1,5 mol/L. Encontre a concentração CA depois de 15 min.

k = 0,1 L/(mol·min)CA0 = 1,5 mol/Lt = 15 min
CA = mol/L
14.Cinética químicaDifícil
Tk25 °C0,0555 °C?

Uma reação tem constante de velocidade de 0,05 min⁻¹ a 25 °C e energia de ativação de 100 kJ/mol. Encontre a constante de velocidade k2 a 55 °C.

k1 = 0,05 min⁻¹T1 = 25 °CT2 = 55 °CEa = 100 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
Q = 100 L/minX = 75%V = ?, k = 0,1 min⁻¹

Uma reação de primeira ordem em fase líquida A → B com k = 0,1 min⁻¹ é conduzida em um reator de escoamento tubular (PFR) alimentado a 100 L/min. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre o volume do reator V em litros para 75% de conversão de A.

Q = 100 L/mink = 0,1 min⁻¹X = 75%
V = L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil
V = 1000 LQ = 5 L/minX = ?

Uma reação de primeira ordem em fase líquida (k = 0,08 min⁻¹) ocorre em um CSTR de 1000 L alimentado a 5 L/min. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre a conversão X em porcentagem.

V = 1000 LQ = 5 L/mink = 0,08 min⁻¹
X = %
17.Trocadores de calor (LMTD)Média
comprimentoT170 °C135 °C100 °C30 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Um trocador de calor em contracorrente transfere 230 kW. O fluido quente esfria de 170 para 135 °C e o fluido frio aquece de 30 para 100 °C. O coeficiente global de transferência de calor é 800 W/(m²·K). Encontre a área de troca térmica A necessária.

Q̇ = 230 kWU = 800 W/(m²·K)Th: 170 → 135 °CTc: 30 → 100 °C
A = m²
18.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
comprimentoT110 °C15 °C?ΔT₁ΔT₂vapor condensando

Vapor condensa a 110 °C constantes por fora dos tubos de um condensador com área de troca térmica de 2,5 m² e U = 3000 W/(m²·K). Água de resfriamento (2 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entra nos tubos a 15 °C. Encontre a temperatura de saída da água Tc,out.

Ts = 110 °CA = 2,5 m²U = 3000 W/(m²·K)ṁ = 2 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 15 °C
Tc,out = °C
19.Condução de calorMédia
Poliestireno expandido, k = 0,035150 mmVidro, k = 0,9625 mm16 °C-6 °CQ̇ = ?

Uma parede é feita de 150 mm de poliestireno expandido e 25 mm de vidro, com área de 12 m². As faces externas estão a 16 °C e -6 °C. Encontre o fluxo de calor Q̇ pela parede.

L1 = 150 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 16 °CT3 = -6 °C
Q̇ = W
20.Condução de calorDifícil
Tijolo, k = 0,72100 mmVidro, k = 0,96150 mmambiente 22 °Cexterior -11 °CQ̇ = ?

Uma parede de 100 mm tijolo e 150 mm vidro separa um ambiente a 22 °C do ar externo a -11 °C. Os coeficientes de convecção são 10 W/(m²·K) por dentro e 30 W/(m²·K) por fora, e a área da parede é 20 m². Encontre a perda de calor Q̇ pela parede.

L1 = 100 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 20 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -11 °C
Q̇ = W
21.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia
V = 2,9 m/sD = 75 mmL = 800 mf = 0,022

Água escoa com velocidade média de 2,9 m/s em uma tubulação de 800 m de comprimento com diâmetro interno de 75 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 = 2,9 m/sL = 800 mD = 75 mmf = 0,022g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Atrito em tubulações e perda de cargaDifícil
K = 10saída livreH = ?L = 150 m, D = 150 mm, f = 0,0254× curva (K = 0,3)

Uma tubulação de 150 m de comprimento com diâmetro interno de 150 mm (fator de atrito de Darcy f = 0,025) 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 = 10). 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 60 L/s?

Q = 60 L/sL = 150 mD = 150 mmf = 0,025Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 10
H = m
23.Bombas e potência de bombasMédia
PQ = 20 L/sH = 28 m

Uma bomba fornece 20 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) contra uma altura manométrica de 28 m. O rendimento da bomba é 75% 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 = 20 L/sH = 28 mηpump = 75%ηmotor = 95%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Bombas e potência de bombasDifícil
PQ = 75 L/sΔz = 8 mL = 100 m, D = 200 mm, f = 0,02, ΣK = 5

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 8 m mais alta. A tubulação tem 100 m de comprimento, diâmetro interno de 200 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,02; os coeficientes de perda localizada somam ΣK = 5 (entrada e saída incluídas). Use g = 9,81 m/s². O rendimento da bomba é 85%. Encontre a potência no eixo Pshaft em kW.

Q = 75 L/sΔz = 8 mL = 100 mD = 200 mmf = 0,02ΣK = 5η = 85%
Pshaft = kW

3Soluções

1.Balanço de massa

Resposta: ṁ2 = 650 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·(10 − 25)/(25 − 40) = 650 kg/h

Resposta

ṁ2 = 650 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: W = 3029 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 = 3400·6/55 = 370,9 kg/h

Balanço total

W = F − P = 3400 − 370,9 = 3029 kg/h

Resposta

W = 3029 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 50,02 °C

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

Calor liberado pela corrente quente

Q = 3·2,44·(130 − 90) = 292,8 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 292,8/(2·4,18) = 50,02 °C

Resposta

tout = 50,02 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 0,7105 kg/s

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

Calor liberado

Qh = 0,5·3,6·(180 − 70) = 198 kW

Calor que chega à água

Qc = (1 − 0,1)·198 = 178,2 kW

Vazão de água

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 178,2/(4,18·60) = 0,7105 kg/s

Resposta

ṁc = 0,7105 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: V = 52,35 L

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

Mols

n = 380/44,01 = 8,634 mol
T = 55 + 273,15 = 328,1 K

Volume

V = nRT/P = 8,634·8,314·328,1/450 = 52,35 L

Resposta

V = 52,35 L
6.Lei dos gases ideais

Resposta: V2 = 1,992 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 283,1 K, T2 = 443,1 K

Lei geral dos gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(350/550)·(443,1/283,1) = 1,992 L

Resposta

V2 = 1,992 L
7.Estequiometria

Resposta: m = 16,46 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) = 6/16,04 = 0,3741 mol
n(O2) = 48/32 = 1,5 mol

Reagente limitante

0,3741/1 = 0,3741, 1,5/2 = 0,75 → CH4

Massa de produto

n(CO2) = 0,3741·1 = 0,3741 mol
m = 0,3741·44,01 = 16,46 g

Resposta

m = 16,46 g
8.Estequiometria

Resposta: Y = 70 %

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(Na) = 20/22,99 = 0,8699 mol
m = 0,8699·2/2·58,44 = 50,84 g

Rendimento percentual

Y = 35,59/50,84·100 = 70%

Resposta

Y = 70%
9.Equilíbrio químico

Resposta: [H2] = 0,04 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

64 = (2x)²/(0,2 − x)²

Tire a raiz quadrada

8 = 2x/(0,2 − x) → x = 0,2·8/(2 + 8) = 0,16 mol/L

Concentração no equilíbrio

[H₂] = 0,2 − x = 0,04 mol/L

Resposta

[H2] = 0,04 mol/L
10.Equilíbrio químico

Resposta: [Cl2] = 0,107 mol/L

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

Expressão do equilíbrio

0,08 = x²/(0,25 − x) → x² + 0,08·x − 0,02 = 0

Resolva a equação do segundo grau

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,02))/2 = 0,107 mol/L

Concentração no equilíbrio

[Cl₂] = x = 0,107 mol/L

Resposta

[Cl2] = 0,107 mol/L
11.Calorimetria e entalpia

Resposta: Tf = 21,67 °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

200·0,449·(90 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 18)

Isole a temperatura final

Tf = (89,8·90 + 1672·18)/(89,8 + 1672) = 21,67 °C

Resposta

Tf = 21,67 °C
12.Calorimetria e entalpia

Resposta: ΔH° = −2220 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

Resposta

ΔH° = −2220 kJ

Negativo: a reação libera calor (exotérmica).

13.Cinética química

Resposta: CA = 0,4615 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 = 0,6667 + 0,1·15 = 2,167 L/mol
CA = 1/2,167 = 0,4615 mol/L

Resposta

CA = 0,4615 mol/L
14.Cinética química

Resposta: k2 = 1,998 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 = 298,1 K, T2 = 328,1 K

Razão de Arrhenius

ln(k2/k1) = −(100000/8,314)·(1/328,1 − 1/298,1) = 3,688
k2 = 0,05·e3,688 = 1,998 min⁻¹

Resposta

k2 = 1,998 min⁻¹
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: V = 1386 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 − 0,75))/0,1 = 1,386/0,1 = 13,86 min

Volume

V = Q·τ = 100·13,86 = 1386 L

Resposta

V = 1386 L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: X = 94,12 %

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 = 1000/5 = 200 min, kτ = 0,08·200 = 16

Conversão

X = kτ/(1 + kτ) = 16/(1 + 16) = 94,12%

Resposta

X = 94,12%
17.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 3,331 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 = 170 − 100 = 70 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 135 − 30 = 105 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (70 − 105)/ln(70/105) = 86,32 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 230000/(800·86,32) = 3,331 m²

Resposta

A = 3,331 m²
18.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: Tc,out = 71,26 °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) = 3000·2,5/(2·4180) = 0,8971

Temperatura de saída

ΔT₂ = ΔT₁·e−0,8971 = 95·0,4077 = 38,74 K
Tc,out = 110 − 38,74 = 71,26 °C

Resposta

Tc,out = 71,26 °C

Calor transferido: Q̇ = 470,4 kW.

19.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 61,23 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) = (150/1000)/(0,035·12) = 0,3571 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,96·12) = 0,00217 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 22/0,3593 = 61,23 W

Resposta

Q̇ = 61,23 W
20.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 1540 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/(10·20) = 0,005 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,72·20) = 0,006944 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,96·20) = 0,007813 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·20) = 0,001667 K/W
ΣR = 0,02142 K/W

Perda de calor

Q̇ = (22 − (-11))/0,02142 = 1540 W

Resposta

Q̇ = 1540 W
21.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: hf = 100,6 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) = 2,9²/(2·9,81) = 0,4286 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,022·(800/0,075)·2,9²/(2·9,81) = 100,6 m

Resposta

hf = 100,6 m
22.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: H = 22,15 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 = 0,06/0,01767 = 3,395 m/s
V²/(2g) = 0,5876 m

Coeficientes de perda

f·L/D = 0,025·150/0,15 = 25
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 10 = 11,7

Equação da energia

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

H = (1 + 25 + 11,7)·0,5876 = 22,15 m

Resposta

H = 22,15 m
23.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pel = 7,71 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 = 1000·9,81·0,02·28 = 5,494 kW

Potência no eixo

Pshaft = 5,494/0,75 = 7,325 kW

Potência elétrica

Pel = 7,325/0,95 = 7,71 kW

Resposta

Pel = 7,71 kW
24.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pshaft = 10,7 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.

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) = (10 + 5)·0,2905 = 4,357 m

Altura manométrica da bomba

H = Δz + hL = 8 + 4,357 = 12,36 m

Potência no eixo

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,075·12,36/0,85 = 10,7 kW

Resposta

Pshaft = 10,7 kW

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