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 1400 kg/h · 15% NaOHCorrente 2ṁ₂ = ? · 40% NaOHProduto30% NaOH

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

ṁ1 = 400 kg/hx1 = 15 %x2 = 40 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F3600 kg/h · 12% salProduto P50% 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 = 3600 kg/hxF = 12 %xP = 50 %
W = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado frioetanol · 140 °C90 °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 = 1,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 140 → 90 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado friomistura de glicol · 180 °C80 °Cágua · 10 °C85 °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 = 2,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 180 → 80 °Ct: 10 → 85 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 5 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
240 g de ArV = 30 LT = 95 °CP = ?

Um tanque de 30 L contém 240 g de Ar a 95 °C. Trate como gás ideal e encontre a pressão P.

m = 240 gM = 39,95 g/molV = 30 LT = 95 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Lei dos gases ideaisDifícil
Estado 1Estado 2

Uma quantidade fixa de N₂ passa de 400 kPa, 2 L, 35 °C para 550 kPa e 190 °C. Encontre o novo volume V2.

P1 = 400 kPaV1 = 2 LT1 = 35 °CP2 = 550 kPaT2 = 190 °C
V2 = L
7.EstequiometriaMédia
m(X)n(X)n(MgO)m(MgO)÷ M(X)× 2/ν× M(MgO)

10 g de Mg e 10 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(N2​)n(N2​)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(N2​)× 2/1× M(NH3​)

Na reação N2 + 3H2 → 2NH3, 12 g de N2 reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 10,21 g de NH3. Calcule o rendimento percentual Y.

M(N2) = 28,02 g/molM(NH3) = 17,03 g/molreal: 10,21 g
Y = %
9.Equilíbrio químicoMédia
H2​I2​HII0,10,10C−x−x+2xE0,1 − x0,1 − x2x

0,1 mol/L de H₂ e 0,1 mol/L de I₂ são colocados em um recipiente e reagem: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, com Kc = 25. Calcule a concentração no equilíbrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,1 mol/LKc = 25
[HI] = mol/L
10.Equilíbrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,800C−x+x+xE0,8 − xxx

O PCl₅ se decompõe: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, com Kc = 0,08 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 = 0,08
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria e entalpiaMédia
Tf​ = ?Ferrom = 100 gT = 80 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Águam = 300 gT = 19 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Um bloco de 100 g de ferro (c = 0,449 J/(g·°C)) a 80 °C é colocado em 300 g de água (c = 4,18 J/(g·°C)) a 19 °C em um copo isolado. Calcule a temperatura final Tf.

mmetal = 100 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 80 °Cmwater = 300 gTwater = 19 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria e entalpiaDifícil
H20 g C6​H12​O6​C6​H12​O6​ + 6O₂reagentes6CO₂ + 6H₂O(l)produtosq = ?

Use as entalpias padrão de formação para calcular o calor q liberado quando 20 g de C6H12O6 (M = 180,16 g/mol) queimam completamente: C6H12O6 + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O(l). Dê q como um número positivo.

ΔH°f(C6H12O6) = −1274 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
q = kJ
13.Cinética químicaMédia
t (min)X (%)t = ?60%

Uma reação de primeira ordem em um reator batelada tem k = 0,1 min⁻¹. Quanto tempo leva para chegar a 60% de conversão? Encontre t.

k = 0,1 min⁻¹X = 60 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk20 °C0,135 °C0,737

A constante de velocidade de uma reação é 0,1 min⁻¹ a 20 °C e 0,737 min⁻¹ a 35 °C. Encontre a energia de ativação Ea.

k1 = 0,1 min⁻¹T1 = 20 °Ck2 = 0,737 min⁻¹T2 = 35 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
Q = 20 L/minX = 85%V = ?, k = 0,5 min⁻¹

Uma reação de primeira ordem em fase líquida A → B com k = 0,5 min⁻¹ é conduzida em um reator de escoamento tubular (PFR) alimentado a 20 L/min. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre o volume do reator V em litros para 85% de conversão de A.

Q = 20 L/mink = 0,5 min⁻¹X = 85%
V = L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil
V = 1500 LV = 1500 LQ = 10 L/minX = ?

Uma reação de primeira ordem em fase líquida (k = 0,05 min⁻¹) ocorre em dois CSTRs iguais em série, cada um com 1500 L. A vazão de alimentação é 10 L/min, a densidade é constante e os reatores estão em regime permanente. Encontre a conversão global X em porcentagem.

V = 1500 L (×2)Q = 10 L/mink = 0,05 min⁻¹
X = %
17.Trocadores de calor (LMTD)Média
comprimentoT150 °C120 °C135 °C30 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Um trocador de calor em contracorrente transfere 330 kW. Sua área de troca térmica é 15 m². O fluido quente esfria de 150 para 120 °C e o fluido frio aquece de 30 para 135 °C. Encontre o coeficiente global de transferência de calor U.

Q̇ = 330 kWA = 15 m²Th: 150 → 120 °CTc: 30 → 135 °C
U = W/(m²·K)
18.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
comprimentoT150 °C115 °C?15 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Em um trocador de calor de tubo duplo em contracorrente, óleo quente (0,2 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) escoa no tubo interno e esfria de 150 para 115 °C. Água (1 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) no espaço anular entra a 15 °C. O tubo interno tem diâmetro de 20 mm, e U = 150 W/(m²·K) se baseia nesse diâmetro. Encontre o comprimento de tubo L necessário.

ṁh = 0,2 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 150 → 115 °Cṁc = 1 kg/sTc,in = 15 °CD = 20 mmU = 150 W/(m²·K)
L = m
19.Condução de calorMédia
Lã mineral, k = 0,0450 mmVidro, k = 0,96150 mm20 °C-12 °CTi​ = ?Q̇

Uma parede é feita de 50 mm de lã mineral e 150 mm de vidro, com área de 6 m². As faces externas estão a 20 °C e -12 °C. Encontre a temperatura Ti na interface entre as duas camadas.

L1 = 50 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 20 °CT3 = -12 °C
Ti = °C
20.Condução de calorDifícil
Vidro, k = 0,96200 mmMadeira, k = 0,17100 mmambiente 20 °Cexterior -8 °CTs​ = ?Q̇

Uma parede de 200 mm vidro e 100 mm madeira separa um ambiente a 20 °C do ar externo a -8 °C. Os coeficientes de convecção são 7,7 W/(m²·K) por dentro e 20 W/(m²·K) por fora, e a área da parede é 6 m². Encontre a temperatura Ts da superfície interna da parede.

L1 = 200 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 6 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -8 °C
Ts = °C
21.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia
V = 1,5 m/sD = 50 mmL = 400 mf = 0,02

Água (ρ = 1000 kg/m³) escoa a 1,5 m/s em uma tubulação horizontal de 400 m de comprimento e diâmetro interno de 50 mm. Use o fator de atrito de Darcy f = 0,02 e g = 9,81 m/s². Encontre a queda de pressão Δp ao longo da tubulação em kPa.

V = 1,5 m/sL = 400 mD = 50 mmf = 0,02ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Atrito em tubulações e perda de cargaDifícil
K = 10saída livreH = ?L = 150 m, D = 150 mm, f = 0,0153× curva (K = 0,3)

Uma tubulação de 150 m de comprimento com diâmetro interno de 150 mm (fator de atrito de Darcy f = 0,015) sai de um reservatório aberto e descarrega como jato livre no ar. As perdas localizadas são uma entrada de cantos vivos (K = 0,5), 3 curvas (K = 0,3 cada) e uma válvula (K = 10). Use g = 9,81 m/s². A que altura H a superfície do reservatório deve estar acima da saída da tubulação para uma vazão de 30 L/s?

Q = 30 L/sL = 150 mD = 150 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 10
H = m
23.Bombas e potência de bombasMédia
PQ = 15 L/sH = 44 m

Em um ensaio, uma bomba fornece 15 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) contra uma altura manométrica de 44 m enquanto seu eixo absorve 9 kW. Use g = 9,81 m/s². Encontre o rendimento da bomba η em porcentagem.

Q = 15 L/sH = 44 mPshaft = 9 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Bombas e potência de bombasDifícil
100 kPa (manométrica)PQ = 15 L/sΔz = 21 mL = 150 m, D = 100 mm, f = 0,025, ΣK = 8

Uma bomba transporta 15 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) de um reservatório inferior aberto para um tanque superior cuja superfície da água está 21 m mais alta. A tubulação tem 150 m de comprimento, diâmetro interno de 100 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,025; os coeficientes de perda localizada somam ΣK = 8 (entrada e saída incluídas). Use g = 9,81 m/s². O tanque superior é fechado e o ar acima da água está a uma pressão manométrica de 100 kPa. Encontre a altura manométrica H que a bomba deve acrescentar.

Q = 15 L/sΔz = 21 mL = 150 mD = 100 mmf = 0,025ΣK = 8ptank = 100 kPa
H = m

3Soluções

1.Balanço de massa

Resposta: ṁ2 = 600 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) = 400·(15 − 30)/(30 − 40) = 600 kg/h

Resposta

ṁ2 = 600 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: W = 2736 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 = 3600·12/50 = 864 kg/h

Balanço total

W = F − P = 3600 − 864 = 2736 kg/h

Resposta

W = 2736 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 54,19 °C

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

Calor liberado pela corrente quente

Q = 1,5·2,44·(140 − 90) = 183 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 183/(1,5·4,18) = 54,19 °C

Resposta

tout = 54,19 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 2,727 kg/s

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

Calor liberado

Qh = 2,5·3,6·(180 − 80) = 900 kW

Calor que chega à água

Qc = (1 − 0,05)·900 = 855 kW

Vazão de água

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 855/(4,18·75) = 2,727 kg/s

Resposta

ṁc = 2,727 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: P = 612,9 kPa

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

Mols

n = m/M = 240/39,95 = 6,008 mol
T = 95 + 273,15 = 368,1 K

Pressão

P = nRT/V = 6,008·8,314·368,1/0,03 = 612,9 kPa

Resposta

P = 612,9 kPa
6.Lei dos gases ideais

Resposta: V2 = 2,186 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 308,1 K, T2 = 463,1 K

Lei geral dos gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(400/550)·(463,1/308,1) = 2,186 L

Resposta

V2 = 2,186 L
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) = 10/32 = 0,3125 mol

Reagente limitante

0,4114/2 = 0,2057, 0,3125/1 = 0,3125 → 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 = 70 %

Estequiometria: uma equação acertada conta partículas, não gramas. Converta a massa em moles com n = m/M, use os coeficientes da equação como razão molar e volte à massa com m = n·M. Com dois reagentes, o reagente limitante é o que se esgota primeiro e fixa quanto produto se forma.

Rendimento teórico

n(N2) = 12/28,02 = 0,4283 mol
m = 0,4283·2/1·17,03 = 14,59 g

Rendimento percentual

Y = 10,21/14,59·100 = 70%

Resposta

Y = 70%
9.Equilíbrio químico

Resposta: [HI] = 0,1429 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

25 = (2x)²/(0,1 − x)²

Tire a raiz quadrada

5 = 2x/(0,1 − x) → x = 0,1·5/(2 + 5) = 0,07143 mol/L

Concentração no equilíbrio

[HI] = 2x = 0,1429 mol/L

Resposta

[HI] = 0,1429 mol/L
10.Equilíbrio químico

Resposta: [Cl2] = 0,2161 mol/L

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

Expressão do equilíbrio

0,08 = x²/(0,8 − x) → x² + 0,08·x − 0,064 = 0

Resolva a equação do segundo grau

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,064))/2 = 0,2161 mol/L

Concentração no equilíbrio

[Cl₂] = x = 0,2161 mol/L

Resposta

[Cl2] = 0,2161 mol/L
11.Calorimetria e entalpia

Resposta: Tf = 21,11 °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

100·0,449·(80 − Tf) = 300·4,18·(Tf − 19)

Isole a temperatura final

Tf = (44,9·80 + 1254·19)/(44,9 + 1254) = 21,11 °C

Resposta

Tf = 21,11 °C
12.Calorimetria e entalpia

Resposta: q = 311 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° = [6·(−393,5) + 6·(−285,8)] − [1·(−1274) + 6·0] = −2802 kJ

Calor para a massa dada

n = 20/180,16 = 0,111 mol
q = n·|ΔH°/1| = 0,111·2802 = 311 kJ

Resposta

q = 311 kJ
13.Cinética química

Resposta: t = 9,163 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 = 0,4

Resolva para o tempo

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,4)/0,1 = 9,163 min

Resposta

t = 9,163 min
14.Cinética química

Resposta: Ea = 100 kJ/mol

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 = 308,1 K

Resolva Arrhenius para Ea

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·1,997/(-1,661e-4) = 100009 J/mol
Ea = 100 kJ/mol

Resposta

Ea = 100 kJ/mol
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: V = 75,88 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 − 0,85))/0,5 = 1,897/0,5 = 3,794 min

Volume

V = Q·τ = 20·3,794 = 75,88 L

Resposta

V = 75,88 L
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 = 1500/10 = 150 min, kτ = 0,05·150 = 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: U = 525,6 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 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 = 150 − 135 = 15 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 120 − 30 = 90 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (15 − 90)/ln(15/90) = 41,86 K

Coeficiente global

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 330000/(15·41,86) = 525,6 W/(m²·K)

Resposta

U = 525,6 W/(m²·K)
18.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: L = 16,19 m

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 e temperatura de saída da água

Q̇ = 0,2·2,5·(150 − 115) = 17,5 kW
Tc,out = 15 + 17,5/(1·4,18) = 19,19 °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 = 150 − 19,19 = 130,8 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 115 − 15 = 100 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (130,8 − 100)/ln(130,8/100) = 114,7 K

Área e comprimento

A = 17500/(150·114,7) = 1,017 m²
L = A/(πD) = 1,017/(π·0,02) = 16,19 m

Resposta

L = 16,19 m
19.Condução de calor

Resposta: Ti = −8,444 °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) = (50/1000)/(0,04·6) = 0,2083 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,96·6) = 0,02604 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 32/0,2344 = 136,5 W

Temperatura da interface

A temperatura cai Q̇·R₁ na primeira camada.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 20 − 136,5·0,2083 = −8,444 °C

Resposta

Ti = −8,444 °C
20.Condução de calor

Resposta: Ts = 16,28 °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/(7,7·6) = 0,02165 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,96·6) = 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 = 0,1627 K/W

Perda de calor

Q̇ = (20 − (-8))/0,1627 = 172,1 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 20 − 172,1·0,02165 = 16,28 °C

Resposta

Ts = 16,28 °C
21.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: Δp = 180 kPa

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.

Perda de carga

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,02·(400/0,05)·1,5²/(2·9,81) = 18,35 m

Queda de pressão

A tubulação é horizontal e a velocidade não muda, então a equação da energia se reduz a Δp = ρ·g·hf.

Δp = ρ·g·hf = 1000·9,81·18,35 = 180000 Pa = 180 kPa

Resposta

Δp = 180 kPa
22.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: H = 4,025 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 = 0,015·150/0,15 = 15
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 10 = 11,4

Equação da energia

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

H = (1 + 15 + 11,4)·0,1469 = 4,025 m

Resposta

H = 4,025 m
23.Bombas e potência de bombas

Resposta: η = 71,94 %

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 = 1000·9,81·0,015·44 = 6,475 kW

Rendimento

η = Ph/Pshaft = 6,475/9 = 71,94%

Resposta

η = 71,94%
24.Bombas e potência de bombas

Resposta: H = 39,65 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 = 0,015/0,007854 = 1,91 m/s
V²/(2g) = 0,1859 m

Perdas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (37,5 + 8)·0,1859 = 8,459 m

Carga de pressão

p/(ρ·g) = 100000/(1000·9,81) = 10,19 m

Altura manométrica da bomba

As duas superfícies estão praticamente em repouso, então não há termo de carga cinética.

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 21 + 10,19 + 8,459 = 39,65 m

Resposta

H = 39,65 m

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