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 = ? · 35% 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 = 500 kg/hx1 = 20 %x2 = 35 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F3300 kg/h · 16% açúcarProduto PP = ? · 30%Vapor W (água pura)0% açúcar

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

F = 3300 kg/hxF = 16 %xP = 30 %
P = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado frioóleo leve · 170 °C130 °Cágua · 20 °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 = 1,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 170 → 130 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado frioetanol · 170 °C130 °Cágua · 15 °C90 °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 = 2 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 170 → 130 °Ct: 15 → 90 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 5 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
400 g de CH₄P = 150 kPaT = 55 °CV = ?

Que volume V ocupam 400 g de CH₄ a 150 kPa e 55 °C? Trate como gás ideal.

m = 400 gM = 16,04 g/molP = 150 kPaT = 55 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Lei dos gases ideaisDifícil
O₂, M = 32 g/molP = 700 kPaT = 20 °Cρ = ?

Encontre a massa específica ρ de O₂ a 700 kPa e 20 °C, tratando como gás ideal.

M = 32 g/molP = 700 kPaT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.EstequiometriaMédia
m(X)n(X)n(MgO)m(MgO)÷ M(X)× 2/ν× M(MgO)

10 g de Mg e 24 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(CH4​)n(CH4​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(CH4​)× 2/1× M(H2​O)

Na reação CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O, 10 g de CH4 reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 18,42 g de H2O. Calcule o rendimento percentual Y.

M(CH4) = 16,04 g/molM(H2O) = 18,02 g/molreal: 18,42 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 = 54. Calcule a concentração no equilíbrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,2 mol/LKc = 54
[H2] = mol/L
10.Equilíbrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,800C−x+x+xE0,8 − xxx

O PCl₅ se decompõe: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, com Kc = 0,5 na temperatura da reação. Um recipiente começa apenas com 0,8 mol/L de PCl₅. Calcule a concentração no equilíbrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,8 mol/LKc = 0,5
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria e entalpiaMédia
Tf​ = ?Alumíniom = 200 gT = 180 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Águam = 150 gT = 20 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Um bloco de 200 g de alumínio (c = 0,897 J/(g·°C)) a 180 °C é colocado em 150 g de água (c = 4,18 J/(g·°C)) a 20 °C em um copo isolado. Calcule a temperatura final Tf.

mmetal = 200 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 180 °Cmwater = 150 gTwater = 20 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria e entalpiaDifícil
HCH4​ + 2O₂reagentesCO₂ + 2H₂O(l)produtosΔH° = ?

Use as entalpias padrão de formação para calcular o ΔH° da reação CH4 + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l).

ΔH°f(CH4) = −74,8 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)t½​ = ?C0​/2

Uma reação de segunda ordem (−rA = k·CA²) tem k = 0,8 L/(mol·min) e concentração inicial de 0,2 mol/L. Encontre sua primeira meia-vida t½.

k = 0,8 L/(mol·min)CA0 = 0,2 mol/L
t½ = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk40 °C0,0160 °C?

Uma reação tem constante de velocidade de 0,01 min⁻¹ a 40 °C e energia de ativação de 50 kJ/mol. Encontre a constante de velocidade k2 a 60 °C.

k1 = 0,01 min⁻¹T1 = 40 °CT2 = 60 °CEa = 50 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
QX = 90%mesmos Q, k e X que o CSTR

Uma reação de primeira ordem em fase líquida deve atingir 90% 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 = 90%primeira ordem, mesmos k e Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil
V = 250 LV = 250 LQ = 80 L/minX = ?

Uma reação de primeira ordem em fase líquida (k = 0,3 min⁻¹) ocorre em dois CSTRs iguais em série, cada um com 250 L. A vazão de alimentação é 80 L/min, a densidade é constante e os reatores estão em regime permanente. Encontre a conversão global X em porcentagem.

V = 250 L (×2)Q = 80 L/mink = 0,3 min⁻¹
X = %
17.Trocadores de calor (LMTD)Média
comprimentoT165 °C50 °C150 °C15 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Um trocador de calor em contracorrente transfere 80 kW. O fluido quente esfria de 165 para 50 °C e o fluido frio aquece de 15 para 150 °C. O coeficiente global de transferência de calor é 300 W/(m²·K). Encontre a área de troca térmica A necessária.

Q̇ = 80 kWU = 300 W/(m²·K)Th: 165 → 50 °CTc: 15 → 150 °C
A = m²
18.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
comprimentoT125 °C80 °C46,96 °C30 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Óleo quente (1,5 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) esfria de 125 para 80 °C em um trocador em contracorrente. Ele aquece 2 kg/s de água (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) que entra a 30 °C. Com U = 200 W/(m²·K), encontre a área de troca térmica A necessária.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 125 → 80 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 30 °CU = 200 W/(m²·K)
A = m²
19.Condução de calorMédia
Madeira, k = 0,17100 mmTijolo, k = 0,7250 mm18 °C4 °CQ̇ = ?

Uma parede é feita de 100 mm de madeira e 50 mm de tijolo, com área de 20 m². As faces externas estão a 18 °C e 4 °C. Encontre o fluxo de calor Q̇ pela parede.

L1 = 100 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 20 m²T1 = 18 °CT3 = 4 °C
Q̇ = W
20.Condução de calorDifícil
Placa de gesso, k = 0,17250 mmPoliestireno expandido, k = 0,03575 mmambiente 22 °Cexterior -11 °CTs​ = ?Q̇

Uma parede de 250 mm placa de gesso e 75 mm poliestireno expandido separa um ambiente a 22 °C do ar externo a -11 °C. Os coeficientes de convecção são 8 W/(m²·K) por dentro e 20 W/(m²·K) por fora, e a área da parede é 8 m². Encontre a temperatura Ts da superfície interna da parede.

L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 8 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -11 °C
Ts = °C
21.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia
Q = 120 L/sD = 300 mmL = 400 mf = 0,015

Água escoa a 120 L/s em uma tubulação de 400 m de comprimento com diâmetro interno de 300 mm. Use o fator de atrito de Darcy f = 0,015 e g = 9,81 m/s². Encontre a perda de carga por atrito hf.

Q = 120 L/sL = 400 mD = 300 mmf = 0,015g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Atrito em tubulações e perda de cargaDifícil
K = 0,2Δz = 15 mL = 200 m, D = 250 mm, f = 0,0223× curva (K = 0,3)

Dois reservatórios abertos estão ligados por uma tubulação de 200 m de comprimento com diâmetro interno de 250 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,022. A superfície da água do reservatório superior está 15 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 = 0,2) e a saída no reservatório inferior (K = 1,0). Use g = 9,81 m/s². Encontre a vazão Q em L/s.

Δz = 15 mL = 200 mD = 250 mmf = 0,022Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 0,2Kexit = 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 75% e o motor elétrico que a aciona tem rendimento de 92%. Use g = 9,81 m/s². Encontre a potência elétrica Pel consumida pelo motor, em kW.

Q = 40 L/sH = 36 mηpump = 75%ηmotor = 92%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Bombas e potência de bombasDifícil
PQ = 75 L/sΔz = 5 mL = 500 m, D = 200 mm, f = 0,022, 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 5 m mais alta. A tubulação tem 500 m de comprimento, diâmetro interno de 200 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,022; os coeficientes de perda localizada somam ΣK = 5 (entrada e saída incluídas). Use g = 9,81 m/s². Encontre a altura manométrica H que a bomba deve acrescentar.

Q = 75 L/sΔz = 5 mL = 500 mD = 200 mmf = 0,022ΣK = 5
H = m

3Soluções

1.Balanço de massa

Resposta: ṁ2 = 250 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 − 25)/(25 − 35) = 250 kg/h

Resposta

ṁ2 = 250 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: P = 1760 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 = 3300·16/30 = 1760 kg/h

Resposta

P = 1760 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 30,05 °C

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

Calor liberado pela corrente quente

Q = 1,5·2,1·(170 − 130) = 126 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 126/(3·4,18) = 30,05 °C

Resposta

tout = 30,05 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 0,5915 kg/s

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

Calor liberado

Qh = 2·2,44·(170 − 130) = 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/(4,18·75) = 0,5915 kg/s

Resposta

ṁc = 0,5915 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: V = 453,6 L

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

Mols

n = 400/16,04 = 24,94 mol
T = 55 + 273,15 = 328,1 K

Volume

V = nRT/P = 24,94·8,314·328,1/150 = 453,6 L

Resposta

V = 453,6 L
6.Lei dos gases ideais

Resposta: ρ = 9,191 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 = 20 + 273,15 = 293,1 K

Massa específica

ρ = 700·32/(8,314·293,1) = 9,191 kg/m³

Resposta

ρ = 9,191 kg/m³
7.Estequiometria

Resposta: m = 16,58 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) = 10/24,31 = 0,4114 mol
n(O2) = 24/32 = 0,75 mol

Reagente limitante

0,4114/2 = 0,2057, 0,75/1 = 0,75 → Mg

Massa de produto

n(MgO) = 0,2057·2 = 0,4114 mol
m = 0,4114·40,3 = 16,58 g

Resposta

m = 16,58 g
8.Estequiometria

Resposta: Y = 81,98 %

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) = 10/16,04 = 0,6234 mol
m = 0,6234·2/1·18,02 = 22,47 g

Rendimento percentual

Y = 18,42/22,47·100 = 81,98%

Resposta

Y = 81,98%
9.Equilíbrio químico

Resposta: [H2] = 0,04279 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

54 = (2x)²/(0,2 − x)²

Tire a raiz quadrada

7,348 = 2x/(0,2 − x) → x = 0,2·7,348/(2 + 7,348) = 0,1572 mol/L

Concentração no equilíbrio

[H₂] = 0,2 − x = 0,04279 mol/L

Resposta

[H2] = 0,04279 mol/L
10.Equilíbrio químico

Resposta: [PCl5] = 0,3699 mol/L

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

Expressão do equilíbrio

0,5 = x²/(0,8 − x) → x² + 0,5·x − 0,4 = 0

Resolva a equação do segundo grau

x = (−0,5 + √(0,5² + 4·0,4))/2 = 0,4301 mol/L

Concentração no equilíbrio

[PCl₅] = 0,8 − 0,4301 = 0,3699 mol/L

Resposta

[PCl5] = 0,3699 mol/L
11.Calorimetria e entalpia

Resposta: Tf = 55,6 °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

200·0,897·(180 − Tf) = 150·4,18·(Tf − 20)

Isole a temperatura final

Tf = (179,4·180 + 627·20)/(179,4 + 627) = 55,6 °C

Resposta

Tf = 55,6 °C
12.Calorimetria e entalpia

Resposta: ΔH° = −890,3 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° = [1·(−393,5) + 2·(−285,8)] − [1·(−74,8) + 2·0] = −890,3 kJ

Resposta

ΔH° = −890,3 kJ

Negativo: a reação libera calor (exotérmica).

13.Cinética química

Resposta: t½ = 6,25 min

Integrated rate laws: zero order: C = C₀ − kt (straight line, t½ = C₀/(2k)); first order: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); second order: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Conversion X means C = C₀(1 − X).

Meia-vida de segunda ordem

t½ = 1/(k·CA0) = 1/(0,8·0,2) = 6,25 min

Resposta

t½ = 6,25 min

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

14.Cinética química

Resposta: k2 = 0,03167 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 = 313,1 K, T2 = 333,1 K

Razão de Arrhenius

ln(k2/k1) = −(50000/8,314)·(1/333,1 − 1/313,1) = 1,153
k2 = 0,01·e1,153 = 0,03167 min⁻¹

Resposta

k2 = 0,03167 min⁻¹
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: VCSTR/VPFR = 3,909

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) = 0,9/0,1 = 9
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(10) = 2,303

Razão de volumes

VCSTR/VPFR = 9/2,303 = 3,909

Resposta

VCSTR/VPFR = 3,909

A diferença cresce rapidamente em conversões altas.

16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: X = 73,36 %

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 = 250/80 = 3,125 min, kτ = 0,3·3,125 = 0,9375

Conversão

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 0,9375) = 0,5161
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,2664
X = 1 − 0,2664 = 73,36%

Resposta

X = 73,36%
17.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 11,3 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 = 165 − 150 = 15 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 50 − 15 = 35 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (15 − 35)/ln(15/35) = 23,6 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 80000/(300·23,6) = 11,3 m²

Resposta

A = 11,3 m²
18.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 11,25 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) = 1,5·2,1·45 = 141,8 kW
Tc,out = 30 + 141,8/(2·4,18) = 46,96 °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 = 125 − 46,96 = 78,04 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 80 − 30 = 50 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (78,04 − 50)/ln(78,04/50) = 62,98 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 141750/(200·62,98) = 11,25 m²

Resposta

A = 11,25 m²
19.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 425,7 W

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

Resistências das camadas

R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,17·20) = 0,02941 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,72·20) = 0,003472 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 14/0,03288 = 425,7 W

Resposta

Q̇ = 425,7 W
20.Condução de calor

Resposta: Ts = 20,91 °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 em série

Ri = 1/(hiA) = 1/(8·8) = 0,01563 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,17·8) = 0,1838 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,035·8) = 0,2679 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·8) = 0,00625 K/W
ΣR = 0,4736 K/W

Perda de calor

Q̇ = (22 − (-11))/0,4736 = 69,69 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 22 − 69,69·0,01563 = 20,91 °C

Resposta

Ts = 20,91 °C
21.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: hf = 2,938 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·0,3²/4 = 0,07069 m²
V = Q/A = 0,12/0,07069 = 1,698 m/s

Carga cinética

V²/(2g) = 1,698²/(2·9,81) = 0,1469 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(400/0,3)·1,698²/(2·9,81) = 2,938 m

Resposta

hf = 2,938 m
22.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: Q = 187,4 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 = 0,022·200/0,25 = 17,6
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 0,2 + 1,0 = 2,6

Equação da energia

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

15 = (17,6 + 2,6)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·15/20,2) = 3,817 m/s

Vazão

Q = V·π·D²/4 = 3,817·0,04909 = 0,1874 m³/s = 187,4 L/s

Resposta

Q = 187,4 L/s
23.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pel = 20,47 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 = 14,13/0,75 = 18,84 kW

Potência elétrica

Pel = 18,84/0,92 = 20,47 kW

Resposta

Pel = 20,47 kW
24.Bombas e potência de bombas

Resposta: H = 22,43 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) = (55 + 5)·0,2905 = 17,43 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 = 5 + 17,43 = 22,43 m

Resposta

H = 22,43 m

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