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 1450 kg/h · 40% salCorrente 2ṁ₂ = ? · 20% salProduto35% sal

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

ṁ1 = 450 kg/hx1 = 40 %x2 = 20 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F1000 kg/h · 13% salProduto PP = ? · 65%Vapor W (água pura)0% sal

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

F = 1000 kg/hxF = 13 %xP = 65 %
P = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado frioetanol · 180 °C140 °Cágua · 25 °Ct = ? °C

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

ṁh = 2,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 180 → 140 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado friomistura de glicol · 170 °C110 °Cágua · 30 °C65 °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 = 3 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 170 → 110 °Ct: 30 → 65 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 10 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
410 g de ArP = 700 kPaT = 45 °CV = ?

Que volume V ocupam 410 g de Ar a 700 kPa e 45 °C? Trate como gás ideal.

m = 410 gM = 39,95 g/molP = 700 kPaT = 45 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Lei dos gases ideaisDifícil
He, M = 4,003 g/molP = 750 kPaT = 140 °Cρ = ?

Encontre a massa específica ρ de He a 750 kPa e 140 °C, tratando como gás ideal.

M = 4,003 g/molP = 750 kPaT = 140 °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)

4 g de Na e 16 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(C6​H12​O6​)n(C6​H12​O6​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(C6​H12​O6​)× 2/1× M(CO2​)

Na reação C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2, 12 g de C6H12O6 reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 4,81 g de CO2. Calcule o rendimento percentual Y.

M(C6H12O6) = 180,16 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreal: 4,81 g
Y = %
9.Equilíbrio químicoMédia
H2​I2​HII0,250,250C−x−x+2xE0,25 − x0,25 − x2x

0,25 mol/L de H₂ e 0,25 mol/L de I₂ são colocados em um recipiente e reagem: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, com Kc = 36. Calcule a concentração no equilíbrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,25 mol/LKc = 36
[HI] = mol/L
10.Equilíbrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I100C−x+x+xE1 − xxx

O PCl₅ se decompõe: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, com Kc = 0,02 na temperatura da reação. Um recipiente começa apenas com 1 mol/L de PCl₅. Calcule a concentração no equilíbrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 1 mol/LKc = 0,02
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria e entalpiaMédia
Tf​ = ?Cobrem = 50 gT = 130 °Cc = 0,385 J/(g·°C)Águam = 200 gT = 24 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Um bloco de 50 g de cobre (c = 0,385 J/(g·°C)) a 130 °C é colocado em 200 g de água (c = 4,18 J/(g·°C)) a 24 °C em um copo isolado. Calcule a temperatura final Tf.

mmetal = 50 gcmetal = 0,385 J/(g·°C)Tmetal = 130 °Cmwater = 200 gTwater = 24 °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)X (%)t = ?99%

Uma reação de primeira ordem em um reator batelada tem k = 0,15 min⁻¹. Quanto tempo leva para chegar a 99% de conversão? Encontre t.

k = 0,15 min⁻¹X = 99 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk35 °C0,0550 °C?

Uma reação tem constante de velocidade de 0,05 min⁻¹ a 35 °C e energia de ativação de 50 kJ/mol. Encontre a constante de velocidade k2 a 50 °C.

k1 = 0,05 min⁻¹T1 = 35 °CT2 = 50 °CEa = 50 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
Q = 50 L/minX = 90%V = ?, k = 0,3 min⁻¹

Uma reação de primeira ordem em fase líquida A → B com k = 0,3 min⁻¹ é conduzida em um reator de escoamento tubular (PFR) alimentado a 50 L/min. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre o volume do reator V em litros para 90% de conversão de A.

Q = 50 L/mink = 0,3 min⁻¹X = 90%
V = L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil
V = 200 LV = 200 LQ = 25 L/minX = ?

Uma reação de primeira ordem em fase líquida (k = 0,2 min⁻¹) ocorre em dois CSTRs iguais em série, cada um com 200 L. A vazão de alimentação é 25 L/min, a densidade é constante e os reatores estão em regime permanente. Encontre a conversão global X em porcentagem.

V = 200 L (×2)Q = 25 L/mink = 0,2 min⁻¹
X = %
17.Trocadores de calor (LMTD)Média
comprimentoT80 °C60 °C30 °C45 °CΔT₁ΔT₂correntes paralelas

Um trocador de calor de correntes paralelas transfere 240 kW. Sua área de troca térmica é 10 m². O fluido quente esfria de 80 para 60 °C e o fluido frio aquece de 30 para 45 °C. Encontre o coeficiente global de transferência de calor U.

Q̇ = 240 kWA = 10 m²Th: 80 → 60 °CTc: 30 → 45 °C
U = W/(m²·K)
18.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
comprimentoT120 °C85 °C45,7 °C30 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Óleo quente (1,5 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) esfria de 120 para 85 °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 = 500 W/(m²·K), encontre a área de troca térmica A necessária.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 120 → 85 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 30 °CU = 500 W/(m²·K)
A = m²
19.Condução de calorMédia
Vidro, k = 0,96150 mmPlaca de gesso, k = 0,17150 mm15 °C-12 °CTi​ = ?Q̇

Uma parede é feita de 150 mm de vidro e 150 mm de placa de gesso, com área de 8 m². As faces externas estão a 15 °C e -12 °C. Encontre a temperatura Ti na interface entre as duas camadas.

L1 = 150 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 15 °CT3 = -12 °C
Ti = °C
20.Condução de calorDifícil
Tijolo, k = 0,72150 mmMadeira, k = 0,17100 mmambiente 20 °Cexterior -4 °CQ̇

Uma parede de 150 mm tijolo e 100 mm madeira separa um ambiente a 20 °C do ar externo a -4 °C. Os coeficientes de convecção são 6 W/(m²·K) por dentro e 20 W/(m²·K) por fora, e a área da parede é 6 m². Encontre o coeficiente global de transferência de calor U da parede.

L1 = 150 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 6 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -4 °C
U = W/(m²·K)
21.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia
Q = 2 L/sD = 50 mmL = 100 mf = 0,025

Água escoa a 2 L/s em uma tubulação de 100 m de comprimento com diâmetro interno de 50 mm. Use o fator de atrito de Darcy f = 0,025 e g = 9,81 m/s². Encontre a perda de carga por atrito hf.

Q = 2 L/sL = 100 mD = 50 mmf = 0,025g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Atrito em tubulações e perda de cargaDifícil
K = 0,2Δz = 36 mL = 300 m, D = 300 mm, f = 0,0224× curva (K = 0,3)

Dois reservatórios abertos estão ligados por uma tubulação de 300 m de comprimento com diâmetro interno de 300 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,022. A superfície da água do reservatório superior está 36 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 = 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 = 36 mL = 300 mD = 300 mmf = 0,022Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 0,2Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Bombas e potência de bombasMédia
PQ = 150 L/sH = 12 m

Em um ensaio, uma bomba fornece 150 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) contra uma altura manométrica de 12 m enquanto seu eixo absorve 20,8 kW. Use g = 9,81 m/s². Encontre o rendimento da bomba η em porcentagem.

Q = 150 L/sH = 12 mPshaft = 20,8 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Bombas e potência de bombasDifícil
PQ = 80 L/sΔz = 8 mL = 400 m, D = 200 mm, f = 0,015, ΣK = 8

Uma bomba transporta 80 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 400 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 = 80 L/sΔz = 8 mL = 400 mD = 200 mmf = 0,015ΣK = 8
H = m

3Soluções

1.Balanço de massa

Resposta: ṁ2 = 150 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
sal: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Resolva para ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 450·(40 − 35)/(35 − 20) = 150 kg/h

Resposta

ṁ2 = 150 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: P = 200 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 = 1000·13/65 = 200 kg/h

Resposta

P = 200 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 141,7 °C

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

Calor liberado pela corrente quente

Q = 2,5·2,44·(180 − 140) = 244 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 244/(0,5·4,18) = 141,7 °C

Resposta

tout = 141,7 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 3,986 kg/s

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

Calor liberado

Qh = 3·3,6·(170 − 110) = 648 kW

Calor que chega à água

Qc = (1 − 0,1)·648 = 583,2 kW

Vazão de água

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 583,2/(4,18·35) = 3,986 kg/s

Resposta

ṁc = 3,986 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: V = 38,78 L

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

Mols

n = 410/39,95 = 10,26 mol
T = 45 + 273,15 = 318,1 K

Volume

V = nRT/P = 10,26·8,314·318,1/700 = 38,78 L

Resposta

V = 38,78 L
6.Lei dos gases ideais

Resposta: ρ = 0,874 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 = 140 + 273,15 = 413,1 K

Massa específica

ρ = 750·4,003/(8,314·413,1) = 0,874 kg/m³

Resposta

ρ = 0,874 kg/m³
7.Estequiometria

Resposta: m = 10,17 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) = 4/22,99 = 0,174 mol
n(Cl2) = 16/70,9 = 0,2257 mol

Reagente limitante

0,174/2 = 0,08699, 0,2257/1 = 0,2257 → Na

Massa de produto

n(NaCl) = 0,08699·2 = 0,174 mol
m = 0,174·58,44 = 10,17 g

Resposta

m = 10,17 g
8.Estequiometria

Resposta: Y = 82,04 %

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(C6H12O6) = 12/180,16 = 0,06661 mol
m = 0,06661·2/1·44,01 = 5,863 g

Rendimento percentual

Y = 4,81/5,863·100 = 82,04%

Resposta

Y = 82,04%
9.Equilíbrio químico

Resposta: [HI] = 0,375 mol/L

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

Expressão do equilíbrio

36 = (2x)²/(0,25 − x)²

Tire a raiz quadrada

6 = 2x/(0,25 − x) → x = 0,25·6/(2 + 6) = 0,1875 mol/L

Concentração no equilíbrio

[HI] = 2x = 0,375 mol/L

Resposta

[HI] = 0,375 mol/L
10.Equilíbrio químico

Resposta: [Cl2] = 0,1318 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

0,02 = x²/(1 − x) → x² + 0,02·x − 0,02 = 0

Resolva a equação do segundo grau

x = (−0,02 + √(0,02² + 4·0,02))/2 = 0,1318 mol/L

Concentração no equilíbrio

[Cl₂] = x = 0,1318 mol/L

Resposta

[Cl2] = 0,1318 mol/L
11.Calorimetria e entalpia

Resposta: Tf = 26,39 °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·(130 − Tf) = 200·4,18·(Tf − 24)

Isole a temperatura final

Tf = (19,25·130 + 836·24)/(19,25 + 836) = 26,39 °C

Resposta

Tf = 26,39 °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: t = 30,7 min

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).

Conversão e concentração

C/C0 = 1 − X = 0,01

Resolva para o tempo

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,01)/0,15 = 30,7 min

Resposta

t = 30,7 min
14.Cinética química

Resposta: k2 = 0,1237 min⁻¹

Velocidades de reação: para uma reação de primeira ordem −dC/dt = kC, então C = C₀·e−kt e a meia-vida ln 2/k não depende da concentração. Para uma reação de segunda ordem 1/C = 1/C₀ + kt. A constante de velocidade aumenta com a temperatura segundo Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Temperaturas absolutas

T1 = 308,1 K, T2 = 323,1 K

Razão de Arrhenius

ln(k2/k1) = −(50000/8,314)·(1/323,1 − 1/308,1) = 0,9059
k2 = 0,05·e0,9059 = 0,1237 min⁻¹

Resposta

k2 = 0,1237 min⁻¹
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: V = 383,8 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 − 0,9))/0,3 = 2,303/0,3 = 7,675 min

Volume

V = Q·τ = 50·7,675 = 383,8 L

Resposta

V = 383,8 L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: X = 85,21 %

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 = 200/25 = 8 min, kτ = 0,2·8 = 1,6

Conversão

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 1,6) = 0,3846
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,1479
X = 1 − 0,1479 = 85,21%

Resposta

X = 85,21%
17.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: U = 825,6 W/(m²·K)

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.

Diferenças de temperatura nas extremidades

Em correntes paralelas as duas entradas ficam na mesma extremidade, e as duas saídas na outra.

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 80 − 30 = 50 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 60 − 45 = 15 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (50 − 15)/ln(50/15) = 29,07 K

Coeficiente global

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 240000/(10·29,07) = 825,6 W/(m²·K)

Resposta

U = 825,6 W/(m²·K)
18.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 4,091 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) = 1,5·2,5·35 = 131,3 kW
Tc,out = 30 + 131,3/(2·4,18) = 45,7 °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 = 120 − 45,7 = 74,3 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 85 − 30 = 55 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (74,3 − 55)/ln(74,3/55) = 64,17 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 131250/(500·64,17) = 4,091 m²

Resposta

A = 4,091 m²
19.Condução de calor

Resposta: Ti = 10,94 °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) = (150/1000)/(0,96·8) = 0,01953 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,17·8) = 0,1103 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 27/0,1298 = 208 W

Temperatura da interface

A temperatura cai Q̇·R₁ na primeira camada.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 15 − 208·0,01953 = 10,94 °C

Resposta

Ti = 10,94 °C
20.Condução de calor

Resposta: U = 0,9869 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/(6·6) = 0,02778 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,72·6) = 0,03472 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,17·6) = 0,09804 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·6) = 0,008333 K/W
ΣR = 0,1689 K/W

Coeficiente global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(6·0,1689) = 0,9869 W/(m²·K)

Resposta

U = 0,9869 W/(m²·K)
21.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: hf = 2,644 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·0,05²/4 = 0,001963 m²
V = Q/A = 0,002/0,001963 = 1,019 m/s

Carga cinética

V²/(2g) = 1,019²/(2·9,81) = 0,05288 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,025·(100/0,05)·1,019²/(2·9,81) = 2,644 m

Resposta

hf = 2,644 m
22.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: Q = 376,5 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 = 0,022·300/0,3 = 22
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 0,2 + 1,0 = 2,9

Equação da energia

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

36 = (22 + 2,9)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·36/24,9) = 5,326 m/s

Vazão

Q = V·π·D²/4 = 5,326·0,07069 = 0,3765 m³/s = 376,5 L/s

Resposta

Q = 376,5 L/s
23.Bombas e potência de bombas

Resposta: η = 84,89 %

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 = 1000·9,81·0,15·12 = 17,66 kW

Rendimento

η = Ph/Pshaft = 17,66/20,8 = 84,89%

Resposta

η = 84,89%
24.Bombas e potência de bombas

Resposta: H = 20,56 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 = 0,08/0,03142 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Perdas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (30 + 8)·0,3305 = 12,56 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 = 8 + 12,56 = 20,56 m

Resposta

H = 20,56 m

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