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 1550 kg/h · 35% açúcarCorrente 2ṁ₂ = ? · 15% 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 = 550 kg/hx1 = 35 %x2 = 15 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F2500 kg/h · 7% açúcarProduto PP = ? · 50%Vapor W (água pura)0% açúcar

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

F = 2500 kg/hxF = 7 %xP = 50 %
P = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado frioetanol · 130 °C90 °Cágua · 15 °Ct = ? °C

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

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 130 → 90 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado frioetanol · 180 °C120 °Cágua · 20 °C60 °C · ṁ = ?10% perdido

etanol quente aquece água em um trocador que perde para o ambiente 10% do calor liberado pela corrente quente. Encontre a vazão de água ṁc necessária.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 180 → 120 °Ct: 20 → 60 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 10 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
160 g de ArP = 400 kPaT = 80 °CV = ?

Que volume V ocupam 160 g de Ar a 400 kPa e 80 °C? Trate como gás ideal.

m = 160 gM = 39,95 g/molP = 400 kPaT = 80 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Lei dos gases ideaisDifícil
He, M = 4,003 g/molP = 600 kPaT = 170 °Cρ = ?

Encontre a massa específica ρ de He a 600 kPa e 170 °C, tratando como gás ideal.

M = 4,003 g/molP = 600 kPaT = 170 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.EstequiometriaMédia
m(X)n(X)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(X)× 2/ν× M(NH3​)

6 g de N2 e 40 g de H2 reagem segundo N2 + 3H2 → 2NH3. Que massa m de NH3 se pode formar?

M(N2) = 28,02M(H2) = 2,016M(NH3) = 17,03 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 11,96 g de NH3. Calcule o rendimento percentual Y.

M(N2) = 28,02 g/molM(NH3) = 17,03 g/molreal: 11,96 g
Y = %
9.Equilíbrio químicoMédia
H2​I2​HII110C−x−x+2xE1 − x1 − x2x

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

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 25
[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 = 0,01 na temperatura da reação. Um recipiente começa apenas com 0,8 mol/L de PCl₅. Calcule a concentração no equilíbrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,8 mol/LKc = 0,01
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria e entalpiaMédia
Tf​ = ?Ferrom = 150 gT = 180 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Águam = 200 gT = 24 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Um bloco de 150 g de ferro (c = 0,449 J/(g·°C)) a 180 °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 = 150 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 180 °Cmwater = 200 gTwater = 24 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria e entalpiaDifícil
HC3​H8​ + 5O₂reagentes3CO₂ + 4H₂O(l)produtosΔH° = ?

Use as entalpias padrão de formação para calcular o ΔH° da reação C3H8 + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O(l).

ΔH°f(C3H8) = −103,8 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)C (mol/L)t½​ = ?C0​/2

Uma reação de segunda ordem (−rA = k·CA²) tem k = 0,8 L/(mol·min) e concentração inicial de 1,5 mol/L. Encontre sua primeira meia-vida t½.

k = 0,8 L/(mol·min)CA0 = 1,5 mol/L
t½ = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk30 °C0,00540 °C0,0178

A constante de velocidade de uma reação é 0,005 min⁻¹ a 30 °C e 0,0178 min⁻¹ a 40 °C. Encontre a energia de ativação Ea.

k1 = 0,005 min⁻¹T1 = 30 °Ck2 = 0,0178 min⁻¹T2 = 40 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
Q = 10 L/minX = 80%V = ?, k = 0,2 min⁻¹

Uma reação de primeira ordem em fase líquida A → B com k = 0,2 min⁻¹ é conduzida em um reator de escoamento tubular (PFR) alimentado a 10 L/min. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre o volume do reator V em litros para 80% de conversão de A.

Q = 10 L/mink = 0,2 min⁻¹X = 80%
V = L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil
V = 200 LQ = 25 L/minX = ?

Uma reação de primeira ordem em fase líquida (k = 0,2 min⁻¹) ocorre em um CSTR de 200 L alimentado a 25 L/min. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre a conversão X em porcentagem.

V = 200 LQ = 25 L/mink = 0,2 min⁻¹
X = %
17.Trocadores de calor (LMTD)Média
comprimentoT175 °C125 °C95 °C30 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Um trocador de calor casco e tubos (uma passagem no casco, duas passagens nos tubos) deve transferir 220 kW. O fluido quente esfria de 175 para 125 °C e o fluido frio aquece de 30 para 95 °C. O fator de correção da MLDT para esse arranjo é F = 0,88, e U = 800 W/(m²·K). Encontre a área de troca térmica A necessária.

Q̇ = 220 kWF = 0,88U = 800 W/(m²·K)Th: 175 → 125 °CTc: 30 → 95 °C
A = m²
18.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
comprimentoT100 °C80 °C36 °C25 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Óleo quente (1,5 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) esfria de 100 para 80 °C em um trocador em contracorrente. Ele aquece 1,5 kg/s de água (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) que entra a 25 °C. Com U = 800 W/(m²·K), encontre a área de troca térmica A necessária.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 100 → 80 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 25 °CU = 800 W/(m²·K)
A = m²
19.Condução de calorMédia
Vidro, k = 0,96250 mmPoliestireno expandido, k = 0,035150 mm21 °C8 °CQ̇ = ?

Uma parede é feita de 250 mm de vidro e 150 mm de poliestireno expandido, com área de 12 m². As faces externas estão a 21 °C e 8 °C. Encontre o fluxo de calor Q̇ pela parede.

L1 = 250 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 21 °CT3 = 8 °C
Q̇ = W
20.Condução de calorDifícil
Placa de gesso, k = 0,17200 mmPoliestireno expandido, k = 0,035150 mmambiente 22 °Cexterior 0 °CQ̇ = ?

Uma parede de 200 mm placa de gesso e 150 mm poliestireno expandido separa um ambiente a 22 °C do ar externo a 0 °C. Os coeficientes de convecção são 10 W/(m²·K) por dentro e 25 W/(m²·K) por fora, e a área da parede é 10 m². Encontre a perda de calor Q̇ pela parede.

L1 = 200 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 10 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = 0 °C
Q̇ = W
21.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia
Q = 150 L/sD = 300 mmL = 1000 mf = 0,015

Água escoa a 150 L/s em uma tubulação de 1000 m de comprimento com diâmetro interno de 300 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 = 150 L/sL = 1000 mD = 300 mmf = 0,015g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Atrito em tubulações e perda de cargaDifícil
K = 2Δz = 6 mL = 500 m, D = 250 mm, f = 0,0153× curva (K = 0,3)

Dois reservatórios abertos estão ligados por uma tubulação de 500 m de comprimento com diâmetro interno de 250 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,015. A superfície da água do reservatório superior está 6 m acima da do inferior. As perdas localizadas são uma entrada de cantos vivos (K = 0,5), 3 curvas (K = 0,3 cada), uma válvula (K = 2) e a saída no reservatório inferior (K = 1,0). Use g = 9,81 m/s². Encontre a vazão Q em L/s.

Δz = 6 mL = 500 mD = 250 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Bombas e potência de bombasMédia
PQ = 60 L/sH = 76 m

Em um ensaio, uma bomba fornece 60 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) contra uma altura manométrica de 76 m enquanto seu eixo absorve 57,4 kW. Use g = 9,81 m/s². Encontre o rendimento da bomba η em porcentagem.

Q = 60 L/sH = 76 mPshaft = 57,4 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Bombas e potência de bombasDifícil
PQ = 50 L/sΔz = 6 mL = 150 m, D = 150 mm, f = 0,022, ΣK = 8

Uma bomba transporta 50 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) de um reservatório inferior aberto para um tanque superior cuja superfície da água está 6 m mais alta. A tubulação tem 150 m de comprimento, diâmetro interno de 150 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,022; os coeficientes de perda localizada somam ΣK = 8 (entrada e saída incluídas). Use g = 9,81 m/s². O rendimento da bomba é 82%. Encontre a potência no eixo Pshaft em kW.

Q = 50 L/sΔz = 6 mL = 150 mD = 150 mmf = 0,022ΣK = 8η = 82%
Pshaft = kW

3Soluções

1.Balanço de massa

Resposta: ṁ2 = 183,3 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) = 550·(35 − 30)/(30 − 15) = 183,3 kg/h

Resposta

ṁ2 = 183,3 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: P = 350 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 = 2500·7/50 = 350 kg/h

Resposta

P = 350 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 22,78 °C

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

Calor liberado pela corrente quente

Q = 1·2,44·(130 − 90) = 97,6 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 97,6/(3·4,18) = 22,78 °C

Resposta

tout = 22,78 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 1,182 kg/s

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

Calor liberado

Qh = 1,5·2,44·(180 − 120) = 219,6 kW

Calor que chega à água

Qc = (1 − 0,1)·219,6 = 197,6 kW

Vazão de água

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 197,6/(4,18·40) = 1,182 kg/s

Resposta

ṁc = 1,182 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: V = 29,4 L

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

Mols

n = 160/39,95 = 4,005 mol
T = 80 + 273,15 = 353,1 K

Volume

V = nRT/P = 4,005·8,314·353,1/400 = 29,4 L

Resposta

V = 29,4 L
6.Lei dos gases ideais

Resposta: ρ = 0,6519 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 = 170 + 273,15 = 443,1 K

Massa específica

ρ = 600·4,003/(8,314·443,1) = 0,6519 kg/m³

Resposta

ρ = 0,6519 kg/m³
7.Estequiometria

Resposta: m = 7,293 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(N2) = 6/28,02 = 0,2141 mol
n(H2) = 40/2,016 = 19,84 mol

Reagente limitante

0,2141/1 = 0,2141, 19,84/3 = 6,614 → N2

Massa de produto

n(NH3) = 0,2141·2 = 0,4283 mol
m = 0,4283·17,03 = 7,293 g

Resposta

m = 7,293 g
8.Estequiometria

Resposta: Y = 81,99 %

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

Rendimento teórico

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

Rendimento percentual

Y = 11,96/14,59·100 = 81,99%

Resposta

Y = 81,99%
9.Equilíbrio químico

Resposta: [H2] = 0,2857 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/(1 − x)²

Tire a raiz quadrada

5 = 2x/(1 − x) → x = 1·5/(2 + 5) = 0,7143 mol/L

Concentração no equilíbrio

[H₂] = 1 − x = 0,2857 mol/L

Resposta

[H2] = 0,2857 mol/L
10.Equilíbrio químico

Resposta: [PCl5] = 0,7154 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/(0,8 − x) → x² + 0,01·x − 0,008 = 0

Resolva a equação do segundo grau

x = (−0,01 + √(0,01² + 4·0,008))/2 = 0,08458 mol/L

Concentração no equilíbrio

[PCl₅] = 0,8 − 0,08458 = 0,7154 mol/L

Resposta

[PCl5] = 0,7154 mol/L
11.Calorimetria e entalpia

Resposta: Tf = 35,63 °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

150·0,449·(180 − Tf) = 200·4,18·(Tf − 24)

Isole a temperatura final

Tf = (67,35·180 + 836·24)/(67,35 + 836) = 35,63 °C

Resposta

Tf = 35,63 °C
12.Calorimetria e entalpia

Resposta: ΔH° = −2220 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° = [3·(−393,5) + 4·(−285,8)] − [1·(−103,8) + 5·0] = −2220 kJ

Resposta

ΔH° = −2220 kJ

Negativo: a reação libera calor (exotérmica).

13.Cinética química

Resposta: t½ = 0,8333 min

Integrated rate laws: zero order: C = C₀ − kt (straight line, t½ = C₀/(2k)); first order: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); second order: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Conversion X means C = C₀(1 − X).

Meia-vida de segunda ordem

t½ = 1/(k·CA0) = 1/(0,8·1,5) = 0,8333 min

Resposta

t½ = 0,8333 min

Cada meia-vida seguinte é duas vezes mais longa, porque C₀ caiu pela metade.

14.Cinética química

Resposta: Ea = 100,2 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 = 303,1 K, T2 = 313,1 K

Resolva Arrhenius para Ea

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·1,27/(-1,053e-4) = 100217 J/mol
Ea = 100,2 kJ/mol

Resposta

Ea = 100,2 kJ/mol
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: V = 80,47 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 − 0,8))/0,2 = 1,609/0,2 = 8,047 min

Volume

V = Q·τ = 10·8,047 = 80,47 L

Resposta

V = 80,47 L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: X = 61,54 %

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

X = kτ/(1 + kτ) = 1,6/(1 + 1,6) = 61,54%

Resposta

X = 61,54%
17.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 3,58 m²

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

Diferenças de temperatura nas extremidades (contracorrente)

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 = 175 − 95 = 80 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 125 − 30 = 95 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (80 − 95)/ln(80/95) = 87,29 K

Área

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 220000/(800·0,88·87,29) = 3,58 m²

Resposta

A = 3,58 m²
18.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 1,452 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) = 1,5·2,3·20 = 69 kW
Tc,out = 25 + 69/(1,5·4,18) = 36 °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 = 100 − 36 = 64 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 80 − 25 = 55 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (64 − 55)/ln(64/55) = 59,38 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 69000/(800·59,38) = 1,452 m²

Resposta

A = 1,452 m²
19.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 34,31 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) = (250/1000)/(0,96·12) = 0,0217 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,035·12) = 0,3571 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 13/0,3788 = 34,31 W

Resposta

Q̇ = 34,31 W
20.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 39,27 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/(10·10) = 0,01 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,17·10) = 0,1176 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,035·10) = 0,4286 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·10) = 0,004 K/W
ΣR = 0,5602 K/W

Perda de calor

Q̇ = (22 − (0))/0,5602 = 39,27 W

Resposta

Q̇ = 39,27 W
21.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: hf = 11,48 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·0,3²/4 = 0,07069 m²
V = Q/A = 0,15/0,07069 = 2,122 m/s

Carga cinética

V²/(2g) = 2,122²/(2·9,81) = 0,2295 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(1000/0,3)·2,122²/(2·9,81) = 11,48 m

Resposta

hf = 11,48 m
22.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: Q = 90,81 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 = 0,015·500/0,25 = 30
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 2 + 1,0 = 4,4

Equação da energia

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

6 = (30 + 4,4)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·6/34,4) = 1,85 m/s

Vazão

Q = V·π·D²/4 = 1,85·0,04909 = 0,09081 m³/s = 90,81 L/s

Resposta

Q = 90,81 L/s
23.Bombas e potência de bombas

Resposta: η = 77,93 %

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 = 1000·9,81·0,06·76 = 44,73 kW

Rendimento

η = Ph/Pshaft = 44,73/57,4 = 77,93%

Resposta

η = 77,93%
24.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pshaft = 10,91 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 = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m

Perdas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (22 + 8)·0,408 = 12,24 m

Altura manométrica da bomba

H = Δz + hL = 6 + 12,24 = 18,24 m

Potência no eixo

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,05·18,24/0,82 = 10,91 kW

Resposta

Pshaft = 10,91 kW

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