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 1200 kg/h · 5% açúcarCorrente 2ṁ₂ = ? · 50% açúcarProduto30% açúcar

Quanto da corrente 2 deve ser adicionado por hora à corrente 1 para que o produto da mistura contenha 30% de açúcar? Encontre ṁ2.

ṁ1 = 200 kg/hx1 = 5 %x2 = 50 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F1400 kg/h · 8% açúcarProduto P45% 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 = 1400 kg/hxF = 8 %xP = 45 %
W = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado frioóleo leve · 180 °C70 °Cágua · 10 °Ct = ? °C

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

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 180 → 70 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado friomistura de glicol · 170 °C110 °Cágua · 30 °C70 °C · ṁ = ?5% perdido

mistura de glicol 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 = 3 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 170 → 110 °Ct: 30 → 70 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 5 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
400 g de ArV = 10 LT = 60 °CP = ?

Um tanque de 10 L contém 400 g de Ar a 60 °C. Trate como gás ideal e encontre a pressão P.

m = 400 gM = 39,95 g/molV = 10 LT = 60 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Lei dos gases ideaisDifícil
Estado 1Estado 2

Uma quantidade fixa de O₂ passa de 250 kPa, 10 L, 35 °C para 600 kPa e 240 °C. Encontre o novo volume V2.

P1 = 250 kPaV1 = 10 LT1 = 35 °CP2 = 600 kPaT2 = 240 °C
V2 = L
7.EstequiometriaMédia
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 3/ν× M(CO2​)

6 g de C3H8 e 48 g de O2 reagem segundo C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O. Que massa m de CO2 se pode formar?

M(C3H8) = 44,1M(O2) = 32M(CO2) = 44,01 g/mol
m = g
8.EstequiometriaDifícil
m(H2​)n(H2​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(H2​)× 2/2× M(H2​O)

Na reação 2H2 + O2 → 2H2O, 24 g de H2 reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 160,9 g de H2O. Calcule o rendimento percentual Y.

M(H2) = 2,016 g/molM(H2O) = 18,02 g/molreal: 160,9 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 = 64. Calcule a concentração no equilíbrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,25 mol/LKc = 64
[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 = 0,1 na temperatura da reação. Um recipiente começa apenas com 0,8 mol/L de PCl₅. Calcule a concentração no equilíbrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,8 mol/LKc = 0,1
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria e entalpiaMédia
Tf​ = ?Ferrom = 50 gT = 140 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Águam = 250 gT = 16 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Um bloco de 50 g de ferro (c = 0,449 J/(g·°C)) a 140 °C é colocado em 250 g de água (c = 4,18 J/(g·°C)) a 16 °C em um copo isolado. Calcule a temperatura final Tf.

mmetal = 50 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 140 °Cmwater = 250 gTwater = 16 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria e entalpiaDifícil
H2CH3​OH + 3O₂reagentes2CO₂ + 4H₂O(l)produtosΔH° = ?

Use as entalpias padrão de formação para calcular o ΔH° da reação 2CH3OH + 3O₂ → 2CO₂ + 4H₂O(l).

ΔH°f(CH3OH) = −238,7 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)X (%)t = ?90%

Uma reação de primeira ordem em um reator batelada tem k = 0,08 min⁻¹. Quanto tempo leva para chegar a 90% de conversão? Encontre t.

k = 0,08 min⁻¹X = 90 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk20 °C0,0150 °C?

Uma reação tem constante de velocidade de 0,01 min⁻¹ a 20 °C e energia de ativação de 55 kJ/mol. Encontre a constante de velocidade k2 a 50 °C.

k1 = 0,01 min⁻¹T1 = 20 °CT2 = 50 °CEa = 55 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
Q = 50 L/minCA0​ = 1,5 mol/LCA​ = ?V = 150 L, k = 0,25 min⁻¹

Uma reação de primeira ordem em fase líquida A → B (k = 0,25 min⁻¹) ocorre em um reator de escoamento tubular (PFR) de 150 L. A alimentação entra a 50 L/min com CA0 = 1,5 mol/L. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre a concentração de saída CA.

V = 150 LQ = 50 L/mink = 0,25 min⁻¹CA0 = 1,5 mol/L
CA = mol/L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil
V = 150 LV = 150 LQ = 5 L/minX = ?

Uma reação de primeira ordem em fase líquida (k = 0,25 min⁻¹) ocorre em dois CSTRs iguais em série, cada um com 150 L. A vazão de alimentação é 5 L/min, a densidade é constante e os reatores estão em regime permanente. Encontre a conversão global X em porcentagem.

V = 150 L (×2)Q = 5 L/mink = 0,25 min⁻¹
X = %
17.Trocadores de calor (LMTD)Média
comprimentoT140 °C110 °C65 °C25 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Um trocador de calor em contracorrente transfere 40 kW. O fluido quente esfria de 140 para 110 °C e o fluido frio aquece de 25 para 65 °C. O coeficiente global de transferência de calor é 800 W/(m²·K). Encontre a área de troca térmica A necessária.

Q̇ = 40 kWU = 800 W/(m²·K)Th: 140 → 110 °CTc: 25 → 65 °C
A = m²
18.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
comprimentoT180 °C??25 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Em um trocador de calor em contracorrente as duas correntes têm a mesma taxa de capacidade térmica, ṁ·cp = 1 kW/K. A corrente quente entra a 180 °C e a corrente fria a 25 °C. O trocador tem A = 6 m² e U = 200 W/(m²·K). Encontre a temperatura de saída quente Th,out.

Ch = Cc = 1 kW/KTh,in = 180 °CTc,in = 25 °CA = 6 m²U = 200 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Condução de calorMédia
Concreto, k = 1,4100 mmLã mineral, k = 0,0425 mm20 °C-14 °CQ̇ = ?

Uma parede é feita de 100 mm de concreto e 25 mm de lã mineral, com área de 10 m². As faces externas estão a 20 °C e -14 °C. Encontre o fluxo de calor Q̇ pela parede.

L1 = 100 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 10 m²T1 = 20 °CT3 = -14 °C
Q̇ = W
20.Condução de calorDifícil
Madeira, k = 0,17150 mmVidro, k = 0,96100 mmambiente 22 °Cexterior -11 °CQ̇ = ?

Uma parede de 150 mm madeira e 100 mm vidro separa um ambiente a 22 °C do ar externo a -11 °C. Os coeficientes de convecção são 7,7 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 = 150 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 20 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -11 °C
Q̇ = W
21.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia
Q = 75 L/sD = 250 mmL = 400 mf = 0,015

Água escoa a 75 L/s em uma tubulação de 400 m de comprimento com diâmetro interno de 250 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 = 75 L/sL = 400 mD = 250 mmf = 0,015g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Atrito em tubulações e perda de cargaDifícil
K = 5Δz = ?L = 150 m, D = 150 mm, f = 0,0252× curva (K = 0,3)

Dois reservatórios abertos estão ligados por uma tubulação de 150 m de comprimento com diâmetro interno de 150 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,025. As perdas localizadas são uma entrada de cantos vivos (K = 0,5), 2 curvas (K = 0,3 cada), uma válvula (K = 5) e a saída no reservatório inferior (K = 1,0). Use g = 9,81 m/s². Que diferença de nível d'água Δz entre os reservatórios dá uma vazão de 30 L/s?

Q = 30 L/sL = 150 mD = 150 mmf = 0,025Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 5Kexit = 1,0
Δz = m
23.Bombas e potência de bombasMédia
PQ = 60 L/sH = 68 m

Uma bomba com rendimento de 82% fornece 60 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) contra uma altura manométrica de 68 m. Use g = 9,81 m/s². Encontre a potência no eixo Pshaft necessária, em kW.

Q = 60 L/sH = 68 mη = 82%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Bombas e potência de bombasDifícil
PQ = 80 L/sΔz = 7 mL = 600 m, D = 250 mm, f = 0,022, ΣK = 6

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 7 m mais alta. A tubulação tem 600 m de comprimento, diâmetro interno de 250 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,022; os coeficientes de perda localizada somam ΣK = 6 (entrada e saída incluídas). Use g = 9,81 m/s². Encontre a altura manométrica H que a bomba deve acrescentar.

Q = 80 L/sΔz = 7 mL = 600 mD = 250 mmf = 0,022ΣK = 6
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
açúcar: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Resolva para ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 200·(5 − 30)/(30 − 50) = 250 kg/h

Resposta

ṁ2 = 250 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: W = 1151 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 = 1400·8/45 = 248,9 kg/h

Balanço total

W = F − P = 1400 − 248,9 = 1151 kg/h

Resposta

W = 1151 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 46,84 °C

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

Calor liberado pela corrente quente

Q = 1·2,1·(180 − 70) = 231 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 231/(1,5·4,18) = 46,84 °C

Resposta

tout = 46,84 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 3,682 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 − 0,05)·648 = 615,6 kW

Vazão de água

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 615,6/(4,18·40) = 3,682 kg/s

Resposta

ṁc = 3,682 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: P = 2773 kPa

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

Mols

n = m/M = 400/39,95 = 10,01 mol
T = 60 + 273,15 = 333,1 K

Pressão

P = nRT/V = 10,01·8,314·333,1/0,01 = 2773 kPa

Resposta

P = 2773 kPa
6.Lei dos gases ideais

Resposta: V2 = 6,939 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 308,1 K, T2 = 513,1 K

Lei geral dos gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(250/600)·(513,1/308,1) = 6,939 L

Resposta

V2 = 6,939 L
7.Estequiometria

Resposta: m = 17,96 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(C3H8) = 6/44,1 = 0,1361 mol
n(O2) = 48/32 = 1,5 mol

Reagente limitante

0,1361/1 = 0,1361, 1,5/5 = 0,3 → C3H8

Massa de produto

n(CO2) = 0,1361·3 = 0,4082 mol
m = 0,4082·44,01 = 17,96 g

Resposta

m = 17,96 g
8.Estequiometria

Resposta: Y = 75 %

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(H2) = 24/2,016 = 11,9 mol
m = 11,9·2/2·18,02 = 214,5 g

Rendimento percentual

Y = 160,9/214,5·100 = 75%

Resposta

Y = 75%
9.Equilíbrio químico

Resposta: [H2] = 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

64 = (2x)²/(0,25 − x)²

Tire a raiz quadrada

8 = 2x/(0,25 − x) → x = 0,25·8/(2 + 8) = 0,2 mol/L

Concentração no equilíbrio

[H₂] = 0,25 − x = 0,05 mol/L

Resposta

[H2] = 0,05 mol/L
10.Equilíbrio químico

Resposta: [Cl2] = 0,2372 mol/L

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

Expressão do equilíbrio

0,1 = x²/(0,8 − x) → x² + 0,1·x − 0,08 = 0

Resolva a equação do segundo grau

x = (−0,1 + √(0,1² + 4·0,08))/2 = 0,2372 mol/L

Concentração no equilíbrio

[Cl₂] = x = 0,2372 mol/L

Resposta

[Cl2] = 0,2372 mol/L
11.Calorimetria e entalpia

Resposta: Tf = 18,61 °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

50·0,449·(140 − Tf) = 250·4,18·(Tf − 16)

Isole a temperatura final

Tf = (22,45·140 + 1045·16)/(22,45 + 1045) = 18,61 °C

Resposta

Tf = 18,61 °C
12.Calorimetria e entalpia

Resposta: ΔH° = −1453 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° = [2·(−393,5) + 4·(−285,8)] − [2·(−238,7) + 3·0] = −1453 kJ

Resposta

ΔH° = −1453 kJ

Negativo: a reação libera calor (exotérmica).

13.Cinética química

Resposta: t = 28,78 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 = 0,1

Resolva para o tempo

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,1)/0,08 = 28,78 min

Resposta

t = 28,78 min
14.Cinética química

Resposta: k2 = 0,08125 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 = 293,1 K, T2 = 323,1 K

Razão de Arrhenius

ln(k2/k1) = −(55000/8,314)·(1/323,1 − 1/293,1) = 2,095
k2 = 0,01·e2,095 = 0,08125 min⁻¹

Resposta

k2 = 0,08125 min⁻¹
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: CA = 0,7085 mol/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 = V/Q = 150/50 = 3 min

Concentração de saída

CA = 1,5·e−0,25·3 = 0,7085 mol/L

Resposta

CA = 0,7085 mol/L

Conversão: X = 52,76%.

16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: X = 98,62 %

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 = 150/5 = 30 min, kτ = 0,25·30 = 7,5

Conversão

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 7,5) = 0,1176
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,01384
X = 1 − 0,01384 = 98,62%

Resposta

X = 98,62%
17.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 0,6258 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 = 140 − 65 = 75 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 110 − 25 = 85 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (75 − 85)/ln(75/85) = 79,9 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 40000/(800·79,9) = 0,6258 m²

Resposta

A = 0,6258 m²
18.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: Th,out = 95,45 °C

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

Diferença de temperatura constante

A saída fria fica em frente à entrada quente: Tc,out = Tc,in + (Th,in − Th,out), então ΔT₁ = Th,in − Tc,out = Th,out − Tc,in = ΔT₂.

ΔTlm = Th,out − Tc,in

Balanço de energia igual à equação de taxa

1·(180 − Th,out) = 1,2·(Th,out − 25)
Th,out = (1·180 + 1,2·25)/(1 + 1,2) = 95,45 °C

Resposta

Th,out = 95,45 °C

Calor transferido: Q̇ = 84,55 kW; a corrente fria sai a 109,5 °C.

19.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 488,2 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)/(1,4·10) = 0,007143 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,04·10) = 0,0625 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 34/0,06964 = 488,2 W

Resposta

Q̇ = 488,2 W
20.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 574,1 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/(7,7·20) = 0,006494 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,17·20) = 0,04412 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,96·20) = 0,005208 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·20) = 0,001667 K/W
ΣR = 0,05749 K/W

Perda de calor

Q̇ = (22 − (-11))/0,05749 = 574,1 W

Resposta

Q̇ = 574,1 W
21.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: hf = 2,856 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·0,25²/4 = 0,04909 m²
V = Q/A = 0,075/0,04909 = 1,528 m/s

Carga cinética

V²/(2g) = 1,528²/(2·9,81) = 0,119 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(400/0,25)·1,528²/(2·9,81) = 2,856 m

Resposta

hf = 2,856 m
22.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: Δz = 4,715 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 = 0,03/0,01767 = 1,698 m/s
V²/(2g) = 0,1469 m

Coeficientes de perda

f·L/D = 0,025·150/0,15 = 25
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 5 + 1,0 = 7,1

Perda de carga total

hf = 25·0,1469 = 3,672 m
hm = 7,1·0,1469 = 1,043 m
Δz = hf + hm = 4,715 m

Resposta

Δz = 4,715 m
23.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pshaft = 48,81 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 = 1000·9,81·0,06·68 = 40,02 kW

Potência no eixo

Pshaft = Ph/η = 40,02/0,82 = 48,81 kW

Resposta

Pshaft = 48,81 kW
24.Bombas e potência de bombas

Resposta: H = 14,96 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 = 0,08/0,04909 = 1,63 m/s
V²/(2g) = 0,1354 m

Perdas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (52,8 + 6)·0,1354 = 7,96 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 = 7 + 7,96 = 14,96 m

Resposta

H = 14,96 m

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