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 11000 kg/h · 40% NaOHCorrente 2ṁ₂ = ? · 5% NaOHProduto15% NaOH

Quanto da corrente 2 deve ser adicionado por hora à corrente 1 para que o produto da mistura contenha 15% de NaOH? Encontre ṁ2.

ṁ1 = 1000 kg/hx1 = 40 %x2 = 5 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F1200 kg/h · 19% salProduto P30% 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 = 1200 kg/hxF = 19 %xP = 30 %
W = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado frioetanol · 170 °C140 °Cágua · 20 °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 = 1 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 170 → 140 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado frioóleo leve · 120 °C80 °Cágua · 30 °C75 °C · ṁ = ?10% perdido

óleo leve 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 = 1 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 120 → 80 °Ct: 30 → 75 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 10 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
20 g de HeV = 50 LT = 45 °CP = ?

Um tanque de 50 L contém 20 g de He a 45 °C. Trate como gás ideal e encontre a pressão P.

m = 20 gM = 4,003 g/molV = 50 LT = 45 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Lei dos gases ideaisDifícil
O₂, M = 32 g/molP = 100 kPaT = 190 °Cρ = ?

Encontre a massa específica ρ de O₂ a 100 kPa e 190 °C, tratando como gás ideal.

M = 32 g/molP = 100 kPaT = 190 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.EstequiometriaMédia
m(X)n(X)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(X)× 2/ν× M(AlCl3​)

30 g de Al e 16 g de Cl2 reagem segundo 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3. Que massa m de AlCl3 se pode formar?

M(Al) = 26,98M(Cl2) = 70,9M(AlCl3) = 133,33 g/mol
m = g
8.EstequiometriaDifícil
m(N2​)n(N2​)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(N2​)× 2/1× M(NH3​)

Na reação N2 + 3H2 → 2NH3, 20 g de N2 reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 22,85 g de NH3. Calcule o rendimento percentual Y.

M(N2) = 28,02 g/molM(NH3) = 17,03 g/molreal: 22,85 g
Y = %
9.Equilíbrio químicoMédia
H2​I2​HII110C−x−x+2xE1 − x1 − x2x

1 mol/L de H₂ e 1 mol/L de I₂ são colocados em um recipiente e reagem: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, com Kc = 16. Calcule a concentração no equilíbrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 16
[H2] = mol/L
10.Equilíbrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,100C−x+x+xE0,1 − xxx

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

[PCl₅]₀ = 0,1 mol/LKc = 0,05
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria e entalpiaMédia
Tf​ = ?Cobrem = 50 gT = 80 °Cc = 0,385 J/(g·°C)Águam = 150 gT = 21 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Um bloco de 50 g de cobre (c = 0,385 J/(g·°C)) a 80 °C é colocado em 150 g de água (c = 4,18 J/(g·°C)) a 21 °C em um copo isolado. Calcule a temperatura final Tf.

mmetal = 50 gcmetal = 0,385 J/(g·°C)Tmetal = 80 °Cmwater = 150 gTwater = 21 °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)5 minC = ?

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

k = 0,5 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/Lt = 5 min
CA = mol/L
14.Cinética químicaDifícil
Tk25 °Ck1​?10·k1​

Uma reação tem energia de ativação de 75 kJ/mol. A 25 °C ela é lenta demais. A que temperatura T2 (em °C) ela deve ser aquecida para ficar 10 vezes mais rápida?

Ea = 75 kJ/molT1 = 25 °Ck2/k1 = 10R = 8,314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
Q = 5 L/minX = 50%V = ?, k = 0,4 min⁻¹

Uma reação de primeira ordem em fase líquida A → B com k = 0,4 min⁻¹ é conduzida em um reator de escoamento tubular (PFR) alimentado a 5 L/min. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre o volume do reator V em litros para 50% de conversão de A.

Q = 5 L/mink = 0,4 min⁻¹X = 50%
V = L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil
V = 50 LQ = 25 L/minX = ?

Uma reação de primeira ordem em fase líquida (k = 0,3 min⁻¹) ocorre em um CSTR de 50 L alimentado a 25 L/min. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre a conversão X em porcentagem.

V = 50 LQ = 25 L/mink = 0,3 min⁻¹
X = %
17.Trocadores de calor (LMTD)Média
comprimentoT120 °C30 °C75 °CΔT₁ΔT₂vapor condensando

Em um condensador, vapor condensa a 120 °C constantes por fora dos tubos. Água de resfriamento (4 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) escoa pelos tubos e aquece de 30 para 75 °C. O coeficiente global de transferência de calor é 1000 W/(m²·K). Encontre a área de troca térmica A necessária.

Ts = 120 °Cṁ = 4 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc: 30 → 75 °CU = 1000 W/(m²·K)
A = m²
18.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
comprimentoT105 °C15 °C?ΔT₁ΔT₂vapor condensando

Vapor condensa a 105 °C constantes por fora dos tubos de um condensador com área de troca térmica de 8 m² e U = 1000 W/(m²·K). Água de resfriamento (1,5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entra nos tubos a 15 °C. Encontre a temperatura de saída da água Tc,out.

Ts = 105 °CA = 8 m²U = 1000 W/(m²·K)ṁ = 1,5 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 15 °C
Tc,out = °C
19.Condução de calorMédia
Vidro, k = 0,96100 mmMadeira, k = 0,1775 mm20 °C4 °CTi​ = ?Q̇

Uma parede é feita de 100 mm de vidro e 75 mm de madeira, com área de 8 m². As faces externas estão a 20 °C e 4 °C. Encontre a temperatura Ti na interface entre as duas camadas.

L1 = 100 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 20 °CT3 = 4 °C
Ti = °C
20.Condução de calorDifícil
Lã mineral, k = 0,04100 mmTijolo, k = 0,7275 mmambiente 21 °Cexterior -15 °CTs​ = ?Q̇

Uma parede de 100 mm lã mineral e 75 mm tijolo separa um ambiente a 21 °C do ar externo a -15 °C. Os coeficientes de convecção são 8 W/(m²·K) por dentro e 25 W/(m²·K) por fora, e a área da parede é 4 m². Encontre a temperatura Ts da superfície interna da parede.

L1 = 100 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 4 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -15 °C
Ts = °C
21.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia
V = 2,3 m/sD = 75 mmL = 300 mf = 0,028

Água escoa com velocidade média de 2,3 m/s em uma tubulação de 300 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 = 2,3 m/sL = 300 mD = 75 mmf = 0,028g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Atrito em tubulações e perda de cargaDifícil
K = 5Δz = 7 mL = 150 m, D = 200 mm, f = 0,0224× curva (K = 0,3)

Dois reservatórios abertos estão ligados por uma tubulação de 150 m de comprimento com diâmetro interno de 200 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,022. A superfície da água do reservatório superior está 7 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 = 7 mL = 150 mD = 200 mmf = 0,022Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 5Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Bombas e potência de bombasMédia
PQ = 40 L/sH = 14 m

Em um ensaio, uma bomba fornece 40 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) contra uma altura manométrica de 14 m enquanto seu eixo absorve 6,7 kW. Use g = 9,81 m/s². Encontre o rendimento da bomba η em porcentagem.

Q = 40 L/sH = 14 mPshaft = 6,7 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Bombas e potência de bombasDifícil
PQ = 75 L/sΔz = 18 mL = 150 m, D = 200 mm, f = 0,015, ΣK = 8

Uma bomba transporta 75 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) de um reservatório inferior aberto para um tanque superior cuja superfície da água está 18 m mais alta. A tubulação tem 150 m de comprimento, diâmetro interno de 200 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,015; os coeficientes de perda localizada somam ΣK = 8 (entrada e saída incluídas). Use g = 9,81 m/s². Encontre a altura manométrica H que a bomba deve acrescentar.

Q = 75 L/sΔz = 18 mL = 150 mD = 200 mmf = 0,015ΣK = 8
H = m

3Soluções

1.Balanço de massa

Resposta: ṁ2 = 2500 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) = 1000·(40 − 15)/(15 − 5) = 2500 kg/h

Resposta

ṁ2 = 2500 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: W = 440 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 = 1200·19/30 = 760 kg/h

Balanço total

W = F − P = 1200 − 760 = 440 kg/h

Resposta

W = 440 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 28,76 °C

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

Calor liberado pela corrente quente

Q = 1·2,44·(170 − 140) = 73,2 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 73,2/(2·4,18) = 28,76 °C

Resposta

tout = 28,76 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 0,4019 kg/s

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

Calor liberado

Qh = 1·2,1·(120 − 80) = 84 kW

Calor que chega à água

Qc = (1 − 0,1)·84 = 75,6 kW

Vazão de água

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 75,6/(4,18·45) = 0,4019 kg/s

Resposta

ṁc = 0,4019 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: P = 264,3 kPa

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

Mols

n = m/M = 20/4,003 = 4,996 mol
T = 45 + 273,15 = 318,1 K

Pressão

P = nRT/V = 4,996·8,314·318,1/0,05 = 264,3 kPa

Resposta

P = 264,3 kPa
6.Lei dos gases ideais

Resposta: ρ = 0,831 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 = 190 + 273,15 = 463,1 K

Massa específica

ρ = 100·32/(8,314·463,1) = 0,831 kg/m³

Resposta

ρ = 0,831 kg/m³
7.Estequiometria

Resposta: m = 20,06 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(Al) = 30/26,98 = 1,112 mol
n(Cl2) = 16/70,9 = 0,2257 mol

Reagente limitante

1,112/2 = 0,556, 0,2257/3 = 0,07522 → Cl2

Massa de produto

n(AlCl3) = 0,07522·2 = 0,1504 mol
m = 0,1504·133,33 = 20,06 g

Resposta

m = 20,06 g
8.Estequiometria

Resposta: Y = 93,99 %

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(N2) = 20/28,02 = 0,7138 mol
m = 0,7138·2/1·17,03 = 24,31 g

Rendimento percentual

Y = 22,85/24,31·100 = 93,99%

Resposta

Y = 93,99%
9.Equilíbrio químico

Resposta: [H2] = 0,3333 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

16 = (2x)²/(1 − x)²

Tire a raiz quadrada

4 = 2x/(1 − x) → x = 1·4/(2 + 4) = 0,6667 mol/L

Concentração no equilíbrio

[H₂] = 1 − x = 0,3333 mol/L

Resposta

[H2] = 0,3333 mol/L
10.Equilíbrio químico

Resposta: [Cl2] = 0,05 mol/L

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

Expressão do equilíbrio

0,05 = x²/(0,1 − x) → x² + 0,05·x − 0,005 = 0

Resolva a equação do segundo grau

x = (−0,05 + √(0,05² + 4·0,005))/2 = 0,05 mol/L

Concentração no equilíbrio

[Cl₂] = x = 0,05 mol/L

Resposta

[Cl2] = 0,05 mol/L
11.Calorimetria e entalpia

Resposta: Tf = 22,76 °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

50·0,385·(80 − Tf) = 150·4,18·(Tf − 21)

Isole a temperatura final

Tf = (19,25·80 + 627·21)/(19,25 + 627) = 22,76 °C

Resposta

Tf = 22,76 °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 = 0,2857 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 = 1 + 0,5·5 = 3,5 L/mol
CA = 1/3,5 = 0,2857 mol/L

Resposta

CA = 0,2857 mol/L
14.Cinética química

Resposta: T2 = 49,56 °C

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

T1 = 298,1 K

Resolva Arrhenius para T₂

1/T2 = 1/298,1 − 8,314·ln(10)/75000 = 3,354 × 10⁻³ − 2,552 × 10⁻⁴ = 3,099 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 322,7 K = 49,56 °C

Resposta

T2 = 49,56 °C
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: V = 8,664 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 − 0,5))/0,4 = 0,6931/0,4 = 1,733 min

Volume

V = Q·τ = 5·1,733 = 8,664 L

Resposta

V = 8,664 L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: X = 37,5 %

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 = 50/25 = 2 min, kτ = 0,3·2 = 0,6

Conversão

X = kτ/(1 + kτ) = 0,6/(1 + 0,6) = 37,5%

Resposta

X = 37,5%
17.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 11,59 m²

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

Carga térmica pelo lado da água

Q̇ = 4·4,18·(75 − 30) = 752,4 kW

Diferenças de temperatura nas extremidades

ΔT₁ = 120 − 30 = 90 K
ΔT₂ = 120 − 75 = 45 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (90 − 45)/ln(90/45) = 64,92 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 752400/(1000·64,92) = 11,59 m²

Resposta

A = 11,59 m²
18.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: Tc,out = 79,87 °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) = 1000·8/(1,5·4180) = 1,276

Temperatura de saída

ΔT₂ = ΔT₁·e−1,276 = 90·0,2792 = 25,13 K
Tc,out = 105 − 25,13 = 79,87 °C

Resposta

Tc,out = 79,87 °C

Calor transferido: Q̇ = 406,8 kW.

19.Condução de calor

Resposta: Ti = 16,94 °C

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

Resistências das camadas

R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,96·8) = 0,01302 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,17·8) = 0,05515 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 16/0,06817 = 234,7 W

Temperatura da interface

A temperatura cai Q̇·R₁ na primeira camada.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 20 − 234,7·0,01302 = 16,94 °C

Resposta

Ti = 16,94 °C
20.Condução de calor

Resposta: Ts = 19,37 °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/(8·4) = 0,03125 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,04·4) = 0,625 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,72·4) = 0,02604 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·4) = 0,01 K/W
ΣR = 0,6923 K/W

Perda de calor

Q̇ = (21 − (-15))/0,6923 = 52 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 21 − 52·0,03125 = 19,37 °C

Resposta

Ts = 19,37 °C
21.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: hf = 30,2 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) = 0,028·(300/0,075)·2,3²/(2·9,81) = 30,2 m

Resposta

hf = 30,2 m
22.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: Q = 74,84 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 = 0,022·150/0,2 = 16,5
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.

7 = (16,5 + 7,7)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·7/24,2) = 2,382 m/s

Vazão

Q = V·π·D²/4 = 2,382·0,03142 = 0,07484 m³/s = 74,84 L/s

Resposta

Q = 74,84 L/s
23.Bombas e potência de bombas

Resposta: η = 81,99 %

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 = 1000·9,81·0,04·14 = 5,494 kW

Rendimento

η = Ph/Pshaft = 5,494/6,7 = 81,99%

Resposta

η = 81,99%
24.Bombas e potência de bombas

Resposta: H = 23,59 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) = (11,25 + 8)·0,2905 = 5,592 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 = 18 + 5,592 = 23,59 m

Resposta

H = 23,59 m

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