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 1700 kg/h · 40% salCorrente 2ṁ₂ = ? · 10% salProduto35% sal

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

ṁ1 = 700 kg/hx1 = 40 %x2 = 10 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F600 kg/h · 11% NaOHProduto P40% NaOHVapor W (água pura)W = ? kg/h

Um evaporador concentra uma solução de NaOH evaporando água pura. Encontre a água evaporada W em kg/h.

F = 600 kg/hxF = 11 %xP = 40 %
W = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado friomistura de glicol · 180 °C120 °Cágua · 25 °Ct = ? °C

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

ṁh = 2,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 180 → 120 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado frioóleo leve · 180 °C140 °Cágua · 30 °C55 °C · ṁ = ?10% perdido

óleo leve 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 = 0,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 180 → 140 °Ct: 30 → 55 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 10 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
390 g de CH₄P = 100 kPaT = 100 °CV = ?

Que volume V ocupam 390 g de CH₄ a 100 kPa e 100 °C? Trate como gás ideal.

m = 390 gM = 16,04 g/molP = 100 kPaT = 100 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Lei dos gases ideaisDifícil
Ar, M = 39,95 g/molP = 150 kPaT = 90 °Cρ = ?

Encontre a massa específica ρ de Ar a 150 kPa e 90 °C, tratando como gás ideal.

M = 39,95 g/molP = 150 kPaT = 90 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.EstequiometriaMédia
m(X)n(X)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(X)× 2/ν× M(NaCl)

30 g de Na e 80 g de Cl2 reagem segundo 2Na + Cl2 → 2NaCl. Que massa m de NaCl se pode formar?

M(Na) = 22,99M(Cl2) = 70,9M(NaCl) = 58,44 g/mol
m = g
8.EstequiometriaDifícil
m(H2​)n(H2​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(H2​)× 2/2× M(H2​O)

Na reação 2H2 + O2 → 2H2O, 10 g de H2 reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 67,04 g de H2O. Calcule o rendimento percentual Y.

M(H2) = 2,016 g/molM(H2O) = 18,02 g/molreal: 67,04 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 = 4. Calcule a concentração no equilíbrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,1 mol/LKc = 4
[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 = 0,2 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 = 0,2
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria e entalpiaMédia
Tf​ = ?Alumíniom = 250 gT = 110 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Águam = 150 gT = 18 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Um bloco de 250 g de alumínio (c = 0,897 J/(g·°C)) a 110 °C é colocado em 150 g de água (c = 4,18 J/(g·°C)) a 18 °C em um copo isolado. Calcule a temperatura final Tf.

mmetal = 250 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 110 °Cmwater = 150 gTwater = 18 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria e entalpiaDifícil
HC6​H12​O6​ + 6O₂reagentes6CO₂ + 6H₂O(l)produtosΔH° = ?

Use as entalpias padrão de formação para calcular o ΔH° da reação C6H12O6 + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O(l).

ΔH°f(C6H12O6) = −1274 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 = 0,1 min⁻¹. Quanto tempo leva para chegar a 90% de conversão? Encontre t.

k = 0,1 min⁻¹X = 90 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
CA0​ (mol/L)r (mol/(L·s))ensaio 10,40,008ensaio 21,60,064n = ?

Dois experimentos medem a velocidade inicial de A → produtos. Com CA0 = 0,4 mol/L a velocidade é 0,008 mol/(L·s); com CA0 = 1,6 mol/L ela é 0,064 mol/(L·s). Encontre a ordem de reação n em relação a A.

CA0,1 = 0,4 mol/Lr1 = 0,008 mol/(L·s)CA0,2 = 1,6 mol/Lr2 = 0,064 mol/(L·s)
n =
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
Q = 40 L/minCA0​ = 2 mol/LCA​ = ?V = 250 L, k = 0,2 min⁻¹

Uma reação de primeira ordem em fase líquida A → B (k = 0,2 min⁻¹) ocorre em um reator de escoamento tubular (PFR) de 250 L. A alimentação entra a 40 L/min com CA0 = 2 mol/L. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre a concentração de saída CA.

V = 250 LQ = 40 L/mink = 0,2 min⁻¹CA0 = 2 mol/L
CA = mol/L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil
Q = 20 L/minX = ?V = 150 L

Uma reação de primeira ordem em fase líquida (k = 0,3 min⁻¹) ocorre em um reator de escoamento tubular (PFR) de 150 L alimentado a 20 L/min. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre a conversão X em porcentagem.

V = 150 LQ = 20 L/mink = 0,3 min⁻¹
X = %
17.Trocadores de calor (LMTD)Média
comprimentoT110 °C10 °C100 °CΔT₁ΔT₂vapor condensando

Em um condensador, vapor condensa a 110 °C constantes por fora dos tubos. Água de resfriamento (1 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) escoa pelos tubos e aquece de 10 para 100 °C. O coeficiente global de transferência de calor é 1000 W/(m²·K). Encontre a área de troca térmica A necessária.

Ts = 110 °Cṁ = 1 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc: 10 → 100 °CU = 1000 W/(m²·K)
A = m²
18.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
comprimentoT135 °C105 °C53,92 °C30 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Óleo quente (2 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) esfria de 135 para 105 °C em um trocador em contracorrente. Ele aquece 1,5 kg/s de água (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) que entra a 30 °C. Com U = 200 W/(m²·K), encontre a área de troca térmica A necessária.

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 135 → 105 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 30 °CU = 200 W/(m²·K)
A = m²
19.Condução de calorMédia
Madeira, k = 0,17150 mmPoliestireno expandido, k = 0,035100 mm15 °C6 °CQ̇ = ?

Uma parede é feita de 150 mm de madeira e 100 mm de poliestireno expandido, com área de 6 m². As faces externas estão a 15 °C e 6 °C. Encontre o fluxo de calor Q̇ pela parede.

L1 = 150 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 15 °CT3 = 6 °C
Q̇ = W
20.Condução de calorDifícil
Poliestireno expandido, k = 0,03550 mmLã mineral, k = 0,0425 mmambiente 21 °Cexterior -12 °CTs​ = ?Q̇

Uma parede de 50 mm poliestireno expandido e 25 mm lã mineral separa um ambiente a 21 °C do ar externo a -12 °C. Os coeficientes de convecção são 6 W/(m²·K) por dentro e 30 W/(m²·K) por fora, e a área da parede é 4 m². Encontre a temperatura Ts da superfície interna da parede.

L1 = 50 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 4 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -12 °C
Ts = °C
21.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia
Q = 6 L/sD = 75 mmL = 50 mf = 0,03

Água escoa a 6 L/s em uma tubulação de 50 m de comprimento com diâmetro interno de 75 mm. Use o fator de atrito de Darcy f = 0,03 e g = 9,81 m/s². Encontre a perda de carga por atrito hf.

Q = 6 L/sL = 50 mD = 75 mmf = 0,03g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Atrito em tubulações e perda de cargaDifícil
K = 2saída livreH = ?L = 100 m, D = 250 mm, f = 0,0182× curva (K = 0,3)

Uma tubulação de 100 m de comprimento com diâmetro interno de 250 mm (fator de atrito de Darcy f = 0,018) sai de um reservatório aberto e descarrega como jato livre no ar. As perdas localizadas são uma entrada de cantos vivos (K = 0,5), 2 curvas (K = 0,3 cada) e uma válvula (K = 2). 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 120 L/s?

Q = 120 L/sL = 100 mD = 250 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 2
H = m
23.Bombas e potência de bombasMédia
PQ = 50 L/sH = 36 m

Uma bomba com rendimento de 82% fornece 50 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) contra uma altura manométrica de 36 m. Use g = 9,81 m/s². Encontre a potência no eixo Pshaft necessária, em kW.

Q = 50 L/sH = 36 mη = 82%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Bombas e potência de bombasDifícil
PQ = 50 L/sΔz = 7 mL = 500 m, D = 200 mm, f = 0,02, ΣK = 6

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 7 m mais alta. A tubulação tem 500 m de comprimento, diâmetro interno de 200 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,02; os coeficientes de perda localizada somam ΣK = 6 (entrada e saída incluídas). Use g = 9,81 m/s². O rendimento da bomba é 72%. Encontre a potência no eixo Pshaft em kW.

Q = 50 L/sΔz = 7 mL = 500 mD = 200 mmf = 0,02ΣK = 6η = 72%
Pshaft = kW

3Soluções

1.Balanço de massa

Resposta: ṁ2 = 140 kg/h

Balanço de massa em regime permanente: entrada = saída para o total e para cada componente. Problemas de mistura combinam os dois.

Balanços

Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
sal: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Resolva para ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 700·(40 − 35)/(35 − 10) = 140 kg/h

Resposta

ṁ2 = 140 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: W = 435 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 = 600·11/40 = 165 kg/h

Balanço total

W = F − P = 600 − 165 = 435 kg/h

Resposta

W = 435 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 68,06 °C

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

Calor liberado pela corrente quente

Q = 2,5·3,6·(180 − 120) = 540 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 540/(3·4,18) = 68,06 °C

Resposta

tout = 68,06 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 0,3617 kg/s

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

Calor liberado

Qh = 0,5·2,1·(180 − 140) = 42 kW

Calor que chega à água

Qc = (1 − 0,1)·42 = 37,8 kW

Vazão de água

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 37,8/(4,18·25) = 0,3617 kg/s

Resposta

ṁc = 0,3617 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: V = 754,3 L

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

Mols

n = 390/16,04 = 24,31 mol
T = 100 + 273,15 = 373,1 K

Volume

V = nRT/P = 24,31·8,314·373,1/100 = 754,3 L

Resposta

V = 754,3 L
6.Lei dos gases ideais

Resposta: ρ = 1,985 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 = 90 + 273,15 = 363,1 K

Massa específica

ρ = 150·39,95/(8,314·363,1) = 1,985 kg/m³

Resposta

ρ = 1,985 kg/m³
7.Estequiometria

Resposta: m = 76,26 g

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

Moles de cada reagente

n(Na) = 30/22,99 = 1,305 mol
n(Cl2) = 80/70,9 = 1,128 mol

Reagente limitante

1,305/2 = 0,6525, 1,128/1 = 1,128 → Na

Massa de produto

n(NaCl) = 0,6525·2 = 1,305 mol
m = 1,305·58,44 = 76,26 g

Resposta

m = 76,26 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) = 10/2,016 = 4,96 mol
m = 4,96·2/2·18,02 = 89,38 g

Rendimento percentual

Y = 67,04/89,38·100 = 75%

Resposta

Y = 75%
9.Equilíbrio químico

Resposta: [HI] = 0,1 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

4 = (2x)²/(0,1 − x)²

Tire a raiz quadrada

2 = 2x/(0,1 − x) → x = 0,1·2/(2 + 2) = 0,05 mol/L

Concentração no equilíbrio

[HI] = 2x = 0,1 mol/L

Resposta

[HI] = 0,1 mol/L
10.Equilíbrio químico

Resposta: [Cl2] = 0,1449 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

0,2 = x²/(0,25 − x) → x² + 0,2·x − 0,05 = 0

Resolva a equação do segundo grau

x = (−0,2 + √(0,2² + 4·0,05))/2 = 0,1449 mol/L

Concentração no equilíbrio

[Cl₂] = x = 0,1449 mol/L

Resposta

[Cl2] = 0,1449 mol/L
11.Calorimetria e entalpia

Resposta: Tf = 42,24 °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

250·0,897·(110 − Tf) = 150·4,18·(Tf − 18)

Isole a temperatura final

Tf = (224,3·110 + 627·18)/(224,3 + 627) = 42,24 °C

Resposta

Tf = 42,24 °C
12.Calorimetria e entalpia

Resposta: ΔH° = −2802 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

Resposta

ΔH° = −2802 kJ

Negativo: a reação libera calor (exotérmica).

13.Cinética química

Resposta: t = 23,03 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)/0,1 = 23,03 min

Resposta

t = 23,03 min
14.Cinética química

Resposta: n = 1,5

Método das velocidades iniciais: para r = k·Cⁿ, comparar duas corridas que diferem apenas na concentração inicial elimina k: r₂/r₁ = (C₂/C₁)ⁿ. Dobrar C dobra a velocidade para primeira ordem e a quadruplica para segunda ordem.

Razões

r2/r1 = 0,064/0,008 = 8
C2/C1 = 1,6/0,4 = 4

Ordem

n = ln(8)/ln(4) = 1,5

Resposta

n = 1,5
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: CA = 0,573 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 = 250/40 = 6,25 min

Concentração de saída

CA = 2·e−0,2·6,25 = 0,573 mol/L

Resposta

CA = 0,573 mol/L

Conversão: X = 71,35%.

16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: X = 89,46 %

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 = 150/20 = 7,5 min, kτ = 0,3·7,5 = 2,25

Conversão

X = 1 − e−kτ = 1 − e−2,25 = 89,46%

Resposta

X = 89,46%
17.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 9,625 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.

Carga térmica pelo lado da água

Q̇ = 1·4,18·(100 − 10) = 376,2 kW

Diferenças de temperatura nas extremidades

ΔT₁ = 110 − 10 = 100 K
ΔT₂ = 110 − 100 = 10 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (100 − 10)/ln(100/10) = 39,09 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 376200/(1000·39,09) = 9,625 m²

Resposta

A = 9,625 m²
18.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 9,616 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) = 2·2,5·30 = 150 kW
Tc,out = 30 + 150/(1,5·4,18) = 53,92 °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 = 135 − 53,92 = 81,08 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 105 − 30 = 75 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (81,08 − 75)/ln(81,08/75) = 78 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 150000/(200·78) = 9,616 m²

Resposta

A = 9,616 m²
19.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 14,44 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) = (150/1000)/(0,17·6) = 0,1471 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,035·6) = 0,4762 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 9/0,6232 = 14,44 W

Resposta

Q̇ = 14,44 W
20.Condução de calor

Resposta: Ts = 18,56 °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/(6·4) = 0,04167 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,035·4) = 0,3571 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,04·4) = 0,1563 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·4) = 0,008333 K/W
ΣR = 0,5634 K/W

Perda de calor

Q̇ = (21 − (-12))/0,5634 = 58,57 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 21 − 58,57·0,04167 = 18,56 °C

Resposta

Ts = 18,56 °C
21.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: hf = 1,88 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·0,075²/4 = 0,004418 m²
V = Q/A = 0,006/0,004418 = 1,358 m/s

Carga cinética

V²/(2g) = 1,358²/(2·9,81) = 0,09401 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(50/0,075)·1,358²/(2·9,81) = 1,88 m

Resposta

hf = 1,88 m
22.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: H = 3,442 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 = 0,12/0,04909 = 2,445 m/s
V²/(2g) = 0,3046 m

Coeficientes de perda

f·L/D = 0,018·100/0,25 = 7,2
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 2 = 3,1

Equação da energia

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

H = (1 + 7,2 + 3,1)·0,3046 = 3,442 m

Resposta

H = 3,442 m
23.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pshaft = 21,53 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 = 1000·9,81·0,05·36 = 17,66 kW

Potência no eixo

Pshaft = Ph/η = 17,66/0,82 = 21,53 kW

Resposta

Pshaft = 21,53 kW
24.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pshaft = 9,694 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 = 0,05/0,03142 = 1,592 m/s
V²/(2g) = 0,1291 m

Perdas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (50 + 6)·0,1291 = 7,23 m

Altura manométrica da bomba

H = Δz + hL = 7 + 7,23 = 14,23 m

Potência no eixo

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,05·14,23/0,72 = 9,694 kW

Resposta

Pshaft = 9,694 kW

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