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.

Novos exercíciosVoltar à disciplina

Na janela de impressão, escolha “Salvar como PDF” para guardar uma cópia no seu dispositivo.

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 · 20% NaOHCorrente 2ṁ₂ = ? · 45% NaOHProduto25% NaOH

Quanto da corrente 2 deve ser adicionado por hora à corrente 1 para que o produto da mistura contenha 25% de NaOH? Encontre ṁ2.

ṁ1 = 200 kg/hx1 = 20 %x2 = 45 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F3000 kg/h · 13% salProduto PP = ? · 35%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 = 3000 kg/hxF = 13 %xP = 35 %
P = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado frioóleo leve · 130 °C60 °Cágua · 15 °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 = 3 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 130 → 60 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado friomistura de glicol · 140 °C80 °Cágua · 15 °C90 °C · ṁ = ?15% perdido

mistura de glicol quente aquece água em um trocador que perde para o ambiente 15% do calor liberado pela corrente quente. Encontre a vazão de água ṁc necessária.

ṁh = 2 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 140 → 80 °Ct: 15 → 90 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 15 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
60 g de O₂P = 100 kPaT = 50 °CV = ?

Que volume V ocupam 60 g de O₂ a 100 kPa e 50 °C? Trate como gás ideal.

m = 60 gM = 32 g/molP = 100 kPaT = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Lei dos gases ideaisDifícil
Estado 1Estado 2

Uma quantidade fixa de O₂ passa de 250 kPa, 20 L, 40 °C para 250 kPa e 210 °C. Encontre o novo volume V2.

P1 = 250 kPaV1 = 20 LT1 = 40 °CP2 = 250 kPaT2 = 210 °C
V2 = L
7.EstequiometriaMédia
m(X)n(X)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(X)× 2/ν× M(AlCl3​)

30 g de Al e 10 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(C6​H12​O6​)n(C6​H12​O6​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(C6​H12​O6​)× 2/1× M(CO2​)

Na reação C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2, 20 g de C6H12O6 reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 8,89 g de CO2. Calcule o rendimento percentual Y.

M(C6H12O6) = 180,16 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreal: 8,89 g
Y = %
9.Equilíbrio químicoMédia
H2​I2​HII0,50,50C−x−x+2xE0,5 − x0,5 − x2x

0,5 mol/L de H₂ e 0,5 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 = 0,5 mol/LKc = 25
[HI] = mol/L
10.Equilíbrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,2500C−x+x+xE0,25 − xxx

O PCl₅ se decompõe: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, com Kc = 0,01 na temperatura da reação. Um recipiente começa apenas com 0,25 mol/L de PCl₅. Calcule a concentração no equilíbrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,25 mol/LKc = 0,01
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria e entalpiaMédia
Tf​ = ?Chumbom = 100 gT = 200 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Águam = 300 gT = 16 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Um bloco de 100 g de chumbo (c = 0,129 J/(g·°C)) a 200 °C é colocado em 300 g de água (c = 4,18 J/(g·°C)) a 16 °C em um copo isolado. Calcule a temperatura final Tf.

mmetal = 100 gcmetal = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 200 °Cmwater = 300 gTwater = 16 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria e entalpiaDifícil
H20 g C2​H6​2C2​H6​ + 7O₂reagentes4CO₂ + 6H₂O(l)produtosq = ?

Use as entalpias padrão de formação para calcular o calor q liberado quando 20 g de C2H6 (M = 30,07 g/mol) queimam completamente: 2C2H6 + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O(l). Dê q como um número positivo.

ΔH°f(C2H6) = −84,7 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)C (mol/L)10 minC = ?

Uma reação com lei de velocidade −rA = k·CA² tem k = 0,1 L/(mol·min) e começa em 1 mol/L. Encontre a concentração CA depois de 10 min.

k = 0,1 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/Lt = 10 min
CA = mol/L
14.Cinética químicaDifícil
Tk20 °C0,00535 °C0,0111

A constante de velocidade de uma reação é 0,005 min⁻¹ a 20 °C e 0,0111 min⁻¹ a 35 °C. Encontre a energia de ativação Ea.

k1 = 0,005 min⁻¹T1 = 20 °Ck2 = 0,0111 min⁻¹T2 = 35 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
QX = 70%mesmos Q, k e X que o CSTR

Uma reação de primeira ordem em fase líquida deve atingir 70% de conversão. Quantas vezes maior um CSTR precisa ser que um PFR para a mesma vazão de alimentação, constante de velocidade e conversão? Encontre a razão VCSTR/VPFR.

X = 70%primeira ordem, mesmos k e Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil
V = 250 LQ = 25 L/minX = ?

Uma reação de primeira ordem em fase líquida (k = 0,3 min⁻¹) ocorre em um CSTR de 250 L alimentado a 25 L/min. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre a conversão X em porcentagem.

V = 250 LQ = 25 L/mink = 0,3 min⁻¹
X = %
17.Trocadores de calor (LMTD)Média
comprimentoT170 °C145 °C20 °C60 °CΔT₁ΔT₂correntes paralelas

Um trocador de calor em correntes paralelas transfere 390 kW. O fluido quente esfria de 170 para 145 °C e o fluido frio aquece de 20 para 60 °C. O coeficiente global de transferência de calor é 300 W/(m²·K). Encontre a área de troca térmica A necessária.

Q̇ = 390 kWU = 300 W/(m²·K)Th: 170 → 145 °CTc: 20 → 60 °C
A = m²
18.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
comprimentoT105 °C10 °C?ΔT₁ΔT₂vapor condensando

Vapor condensa a 105 °C constantes por fora dos tubos de um condensador com área de troca térmica de 1 m² e U = 2500 W/(m²·K). Água de resfriamento (1,5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entra nos tubos a 10 °C. Encontre a temperatura de saída da água Tc,out.

Ts = 105 °CA = 1 m²U = 2500 W/(m²·K)ṁ = 1,5 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 10 °C
Tc,out = °C
19.Condução de calorMédia
Madeira, k = 0,17200 mmConcreto, k = 1,4100 mm21 °C-9 °CQ̇ = ?

Uma parede é feita de 200 mm de madeira e 100 mm de concreto, com área de 8 m². As faces externas estão a 21 °C e -9 °C. Encontre o fluxo de calor Q̇ pela parede.

L1 = 200 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 21 °CT3 = -9 °C
Q̇ = W
20.Condução de calorDifícil
Tijolo, k = 0,72150 mmMadeira, k = 0,17150 mmambiente 20 °Cexterior -12 °CTs​ = ?Q̇

Uma parede de 150 mm tijolo e 150 mm madeira separa um ambiente a 20 °C do ar externo a -12 °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 8 m². Encontre a temperatura Ts da superfície interna da parede.

L1 = 150 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 8 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -12 °C
Ts = °C
21.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia
Q = 30 L/sD = 150 mmL = 300 mf = 0,015

Água escoa a 30 L/s em uma tubulação de 300 m de comprimento com diâmetro interno de 150 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 = 30 L/sL = 300 mD = 150 mmf = 0,015g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Atrito em tubulações e perda de cargaDifícil
K = 10Δz = 17 mL = 100 m, D = 150 mm, f = 0,0254× curva (K = 0,3)

Dois reservatórios abertos estão ligados por uma tubulação de 100 m de comprimento com diâmetro interno de 150 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,025. A superfície da água do reservatório superior está 17 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 = 10) e a saída no reservatório inferior (K = 1,0). Use g = 9,81 m/s². Encontre a vazão Q em L/s.

Δz = 17 mL = 100 mD = 150 mmf = 0,025Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Bombas e potência de bombasMédia
PQ = 60 L/sH = 68 m

Em um ensaio, uma bomba fornece 60 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) contra uma altura manométrica de 68 m enquanto seu eixo absorve 50 kW. Use g = 9,81 m/s². Encontre o rendimento da bomba η em porcentagem.

Q = 60 L/sH = 68 mPshaft = 50 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Bombas e potência de bombasDifícil
PQ = 120 L/sΔz = 14 mL = 100 m, D = 250 mm, f = 0,022, ΣK = 5

Uma bomba transporta 120 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) de um reservatório inferior aberto para um tanque superior cuja superfície da água está 14 m mais alta. A tubulação tem 100 m de comprimento, diâmetro interno de 250 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,022; os coeficientes de perda localizada somam ΣK = 5 (entrada e saída incluídas). Use g = 9,81 m/s². O rendimento da bomba é 78%. Encontre a potência no eixo Pshaft em kW.

Q = 120 L/sΔz = 14 mL = 100 mD = 250 mmf = 0,022ΣK = 5η = 78%
Pshaft = kW

3Soluções

1.Balanço de massa

Resposta: ṁ2 = 50 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) = 200·(20 − 25)/(25 − 45) = 50 kg/h

Resposta

ṁ2 = 50 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: P = 1114 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 = 3000·13/35 = 1114 kg/h

Resposta

P = 1114 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 67,75 °C

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

Calor liberado pela corrente quente

Q = 3·2,1·(130 − 60) = 441 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 441/(2·4,18) = 67,75 °C

Resposta

tout = 67,75 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 1,171 kg/s

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

Calor liberado

Qh = 2·3,6·(140 − 80) = 432 kW

Calor que chega à água

Qc = (1 − 0,15)·432 = 367,2 kW

Vazão de água

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 367,2/(4,18·75) = 1,171 kg/s

Resposta

ṁc = 1,171 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: V = 50,38 L

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

Mols

n = 60/32 = 1,875 mol
T = 50 + 273,15 = 323,1 K

Volume

V = nRT/P = 1,875·8,314·323,1/100 = 50,38 L

Resposta

V = 50,38 L
6.Lei dos gases ideais

Resposta: V2 = 30,86 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 313,1 K, T2 = 483,1 K

Lei geral dos gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(250/250)·(483,1/313,1) = 30,86 L

Resposta

V2 = 30,86 L
7.Estequiometria

Resposta: m = 12,54 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) = 10/70,9 = 0,141 mol

Reagente limitante

1,112/2 = 0,556, 0,141/3 = 0,04701 → Cl2

Massa de produto

n(AlCl3) = 0,04701·2 = 0,09403 mol
m = 0,09403·133,33 = 12,54 g

Resposta

m = 12,54 g
8.Estequiometria

Resposta: Y = 90,98 %

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

Rendimento teórico

n(C6H12O6) = 20/180,16 = 0,111 mol
m = 0,111·2/1·44,01 = 9,771 g

Rendimento percentual

Y = 8,89/9,771·100 = 90,98%

Resposta

Y = 90,98%
9.Equilíbrio químico

Resposta: [HI] = 0,7143 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/(0,5 − x)²

Tire a raiz quadrada

5 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·5/(2 + 5) = 0,3571 mol/L

Concentração no equilíbrio

[HI] = 2x = 0,7143 mol/L

Resposta

[HI] = 0,7143 mol/L
10.Equilíbrio químico

Resposta: [Cl2] = 0,04525 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

0,01 = x²/(0,25 − x) → x² + 0,01·x − 0,0025 = 0

Resolva a equação do segundo grau

x = (−0,01 + √(0,01² + 4·0,0025))/2 = 0,04525 mol/L

Concentração no equilíbrio

[Cl₂] = x = 0,04525 mol/L

Resposta

[Cl2] = 0,04525 mol/L
11.Calorimetria e entalpia

Resposta: Tf = 17,87 °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

100·0,129·(200 − Tf) = 300·4,18·(Tf − 16)

Isole a temperatura final

Tf = (12,9·200 + 1254·16)/(12,9 + 1254) = 17,87 °C

Resposta

Tf = 17,87 °C
12.Calorimetria e entalpia

Resposta: q = 1037 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

Calor para a massa dada

n = 20/30,07 = 0,6651 mol
q = n·|ΔH°/2| = 0,6651·1560 = 1037 kJ

Resposta

q = 1037 kJ
13.Cinética química

Resposta: CA = 0,5 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 + 0,1·10 = 2 L/mol
CA = 1/2 = 0,5 mol/L

Resposta

CA = 0,5 mol/L
14.Cinética química

Resposta: Ea = 39,93 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) = −8,314·0,7975/(-1,661e-4) = 39931 J/mol
Ea = 39,93 kJ/mol

Resposta

Ea = 39,93 kJ/mol
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: VCSTR/VPFR = 1,938

Reatores ideais, reação de primeira ordem (−rA = k·CA) em regime permanente, com tempo espacial τ = V/Q. Um CSTR é perfeitamente misturado, então todo o volume reage na baixa concentração de saída: τ = X/(k·(1 − X)) e CA = CA0/(1 + k·τ). Em um PFR cada fatia de fluido reage como um pequeno reator em batelada: τ = ln(1/(1 − X))/k e CA = CA0·e−k·τ. Para a mesma conversão, um CSTR sempre precisa de mais volume que um PFR.

k·τ para cada reator

CSTR: k·τ = X/(1 − X) = 0,7/0,3 = 2,333
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(3,333) = 1,204

Razão de volumes

VCSTR/VPFR = 2,333/1,204 = 1,938

Resposta

VCSTR/VPFR = 1,938

A diferença cresce rapidamente em conversões altas.

16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: X = 75 %

Reatores ideais, reação de primeira ordem (−rA = k·CA) em regime permanente, com tempo espacial τ = V/Q. Um CSTR é perfeitamente misturado, então todo o volume reage na baixa concentração de saída: τ = X/(k·(1 − X)) e CA = CA0/(1 + k·τ). Em um PFR cada fatia de fluido reage como um pequeno reator em batelada: τ = ln(1/(1 − X))/k e CA = CA0·e−k·τ. Para a mesma conversão, um CSTR sempre precisa de mais volume que um PFR.

Tempo espacial

τ = V/Q = 250/25 = 10 min, kτ = 0,3·10 = 3

Conversão

X = kτ/(1 + kτ) = 3/(1 + 3) = 75%

Resposta

X = 75%
17.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 11,36 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 correntes paralelas as duas entradas ficam na mesma extremidade, e as duas saídas na outra.

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 170 − 20 = 150 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 145 − 60 = 85 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (150 − 85)/ln(150/85) = 114,4 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 390000/(300·114,4) = 11,36 m²

Resposta

A = 11,36 m²
18.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: Tc,out = 41,24 °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) = 2500·1/(1,5·4180) = 0,3987

Temperatura de saída

ΔT₂ = ΔT₁·e−0,3987 = 95·0,6712 = 63,76 K
Tc,out = 105 − 63,76 = 41,24 °C

Resposta

Tc,out = 41,24 °C

Calor transferido: Q̇ = 195,9 kW.

19.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 192,3 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) = (200/1000)/(0,17·8) = 0,1471 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(1,4·8) = 0,008929 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 30/0,156 = 192,3 W

Resposta

Q̇ = 192,3 W
20.Condução de calor

Resposta: Ts = 15,92 °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/(6·8) = 0,02083 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,72·8) = 0,02604 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,17·8) = 0,1103 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·8) = 0,00625 K/W
ΣR = 0,1634 K/W

Perda de calor

Q̇ = (20 − (-12))/0,1634 = 195,8 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 20 − 195,8·0,02083 = 15,92 °C

Resposta

Ts = 15,92 °C
21.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: hf = 4,407 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·0,15²/4 = 0,01767 m²
V = Q/A = 0,03/0,01767 = 1,698 m/s

Carga cinética

V²/(2g) = 1,698²/(2·9,81) = 0,1469 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(300/0,15)·1,698²/(2·9,81) = 4,407 m

Resposta

hf = 4,407 m
22.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: Q = 59,56 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 = 0,025·100/0,15 = 16,67
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 10 + 1,0 = 12,7

Equação da energia

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

17 = (16,67 + 12,7)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·17/29,37) = 3,37 m/s

Vazão

Q = V·π·D²/4 = 3,37·0,01767 = 0,05956 m³/s = 59,56 L/s

Resposta

Q = 59,56 L/s
23.Bombas e potência de bombas

Resposta: η = 80,05 %

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

Rendimento

η = Ph/Pshaft = 40,02/50 = 80,05%

Resposta

η = 80,05%
24.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pshaft = 27,47 kW

Potência de bombas: a potência fornecida à água é a potência hidráulica Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. O eixo precisa fornecer mais porque a bomba perde parte dela: Pshaft = Ph/ηpump, e o motor consome Pel = Pshaft/ηmotor. A altura manométrica H da bomba decorre da equação da energia: desnível geométrico + carga de pressão + todas as perdas por atrito e localizadas.

Velocidade

V = Q/A = 0,12/0,04909 = 2,445 m/s
V²/(2g) = 0,3046 m

Perdas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (8,8 + 5)·0,3046 = 4,203 m

Altura manométrica da bomba

H = Δz + hL = 14 + 4,203 = 18,2 m

Potência no eixo

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,12·18,2/0,78 = 27,47 kW

Resposta

Pshaft = 27,47 kW

Este é um material de prática independente. O ExamProblems não é afiliado nem endossado pela organização que aplica este exame, e o nome do exame é usado apenas para descrever o conteúdo. O FE exam é realizado por NCEES, que não é afiliado ao ExamProblems e não o endossa.

ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-chemical