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·x_F = P·x_P, W = F − P

Balanço de energia

Calor sensível: Q = ṁ·c_p·ΔT
Calor latente: Q = ṁ·h_fg
Mistura: Σṁc_pT_in = Σṁc_pT_out
Água: c_p ≈ 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

Escreva e balanceie a equação química.
Converta a massa dada em moles: n = m/M.
Use os coeficientes como razão molar para encontrar os mols da substância desejada.
Converta de volta para massa com m = n·M. Com dois reagentes, encontre primeiro o reagente limitante.

Equilíbrio químico

Constante de equilíbrio: K_c = [C]^c[D]^d/([A]^a[B]^b)
Tabela ICE: Inicial, Variação (×coeficiente), Equilíbrio
Equação do segundo grau: x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Método

Escreva K_c com os produtos sobre os reagentes, cada um elevado ao seu coeficiente.
Monte uma tabela ICE: Inicial, Variação (em passos de x vezes os coeficientes), Equilíbrio.
Coloque as expressões de equilíbrio em K_c e resolva para x.
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(C_A/C_A0) = −kt
Meia-vida (primeira ordem): t_½ = ln 2/k
Segunda ordem: 1/C_A = 1/C_A0 + kt
Arrhenius: k = A·e^−E_a/(RT)
Duas temperaturas: ln(k₂/k₁) = (E_a/R)(1/T₁ − 1/T₂)

Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Tempo espacial: τ = V/Q
CSTR, primeira ordem: τ = X/(k·(1 − X)), C_A = C_A0/(1 + kτ)
PFR, primeira ordem: τ = ln(1/(1 − X))/k, C_A = C_A0·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 + kτ_i)^N

Trocadores de calor (LMTD)

Carga térmica: Q = U·A·ΔT_lm
Média logarítmica das diferenças de temperatura: ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
Balanço de uma corrente: Q = ṁc_p(T_in − T_out)

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 = ΔT_total/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: h_f = f·(L/D)·V²/(2g)
Perdas localizadas: h_m = ΣK·V²/(2g)
Valores típicos de K: entrada 0,5, saída 1,0, curva de 90° ≈ 0,3
Queda de pressão: Δp = ρ·g·h_f
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: P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Potência no eixo: P_shaft = P_h/η_pump
Potência elétrica: P_el = P_shaft/η_motor
Altura manométrica da bomba: H = Δz + Δp/(ρ·g) + h_L
Perdas do sistema: h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2Exercícios

1.Balanço de massaMédia

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 = 450 kg/hx₁ = 50 %x₂ = 10 %x₃ = 30 %

ṁ₂ = kg/h

2.Balanço de massaDifícil

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

F = 4000 kg/hx_F = 18 %x_P = 55 %

W = kg/h

3.Balanço de energiaMédia

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

ṁ_h = 2,5 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 120 → 90 °Cṁ_c = 3 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 20 °C

t_out = °C

4.Balanço de energiaDifícil

óleo leve quente aquece água em um trocador que perde para o ambiente 5% do calor liberado pela corrente quente. Encontre a vazão de água ṁ_c necessária.

ṁ_h = 0,5 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 90 °Ct: 15 → 60 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 5 %

ṁ_c = kg/s

5.Lei dos gases ideaisMédia

Que volume V ocupam 120 g de O₂ a 400 kPa e 35 °C? Trate como gás ideal.

m = 120 gM = 32 g/molP = 400 kPaT = 35 °CR = 8,314 J/(mol·K)

V = L

6.Lei dos gases ideaisDifícil

Encontre a massa específica ρ de CO₂ a 850 kPa e 70 °C, tratando como gás ideal.

M = 44,01 g/molP = 850 kPaT = 70 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.EstequiometriaMédia

24 g de C₃H₈ e 24 g de O₂ reagem segundo C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O. Que massa m de CO₂ se pode formar?

M(C₃H₈) = 44,1M(O₂) = 32M(CO₂) = 44,01 g/mol

m = g

8.EstequiometriaDifícil

Na reação CaCO₃ → CaO + CO₂, 8 g de CaCO₃ reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 3,68 g de CaO. Calcule o rendimento percentual Y.

M(CaCO₃) = 100,09 g/molM(CaO) = 56,08 g/molreal: 3,68 g

Y = %

9.Equilíbrio químicoMédia

0,2 mol/L de H₂ e 0,2 mol/L de I₂ são colocados em um recipiente e reagem: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, com K_c = 54. Calcule a concentração no equilíbrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,2 mol/LK_c = 54

[HI] = mol/L

10.Equilíbrio químicoDifícil

O PCl₅ se decompõe: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, com K_c = 0,02 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/LK_c = 0,02

[Cl₂] = mol/L

11.Calorimetria e entalpiaMédia

Um bloco de 75 g de chumbo (c = 0,129 J/(g·°C)) a 120 °C é colocado em 150 g de água (c = 4,18 J/(g·°C)) a 25 °C em um copo isolado. Calcule a temperatura final T_f.

m_metal = 75 gc_metal = 0,129 J/(g·°C)T_metal = 120 °Cm_water = 150 gT_water = 25 °Cc_water = 4,18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Calorimetria e entalpiaDifícil

Use as entalpias padrão de formação para calcular o ΔH° da reação C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O(l).

ΔH°f(C₂H₅OH) = −277,7 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0

ΔH° = kJ

13.Cinética químicaMédia

Uma reação de primeira ordem em um reator batelada tem k = 0,05 min⁻¹. Quanto tempo leva para chegar a 60% de conversão? Encontre t.

k = 0,05 min⁻¹X = 60 %

t = min

14.Cinética químicaDifícil

Uma reação tem constante de velocidade de 0,005 min⁻¹ a 30 °C e energia de ativação de 40 kJ/mol. Encontre a constante de velocidade k₂ a 55 °C.

k₁ = 0,005 min⁻¹T₁ = 30 °CT₂ = 55 °CE_a = 40 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)

k₂ = min⁻¹

15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média

Uma reação de primeira ordem em fase líquida A → B (k = 0,15 min⁻¹) ocorre em um reator de escoamento tubular (PFR) de 50 L. A alimentação entra a 5 L/min com C_A0 = 2,5 mol/L. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre a concentração de saída C_A.

V = 50 LQ = 5 L/mink = 0,15 min⁻¹C_A0 = 2,5 mol/L

C_A = mol/L

16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil

Uma reação de primeira ordem em fase líquida (k = 0,3 min⁻¹) ocorre em um CSTR de 500 L alimentado a 80 L/min. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre a conversão X em porcentagem.

V = 500 LQ = 80 L/mink = 0,3 min⁻¹

X = %

17.Trocadores de calor (LMTD)Média

Um trocador de calor casco e tubos (uma passagem no casco, duas passagens nos tubos) deve transferir 640 kW. O fluido quente esfria de 85 para 35 °C e o fluido frio aquece de 15 para 30 °C. O fator de correção da MLDT para esse arranjo é F = 0,88, e U = 500 W/(m²·K). Encontre a área de troca térmica A necessária.

Q̇ = 640 kWF = 0,88U = 500 W/(m²·K)T_h: 85 → 35 °CT_c: 15 → 30 °C

A = m²

18.Trocadores de calor (LMTD)Difícil

Vapor condensa a 130 °C constantes por fora dos tubos de um condensador com área de troca térmica de 4 m² e U = 1000 W/(m²·K). Água de resfriamento (1,5 kg/s, c_p = 4,18 kJ/(kg·K)) entra nos tubos a 15 °C. Encontre a temperatura de saída da água T_c,out.

T_s = 130 °CA = 4 m²U = 1000 W/(m²·K)ṁ = 1,5 kg/sc_p = 4,18 kJ/(kg·K)T_c,in = 15 °C

T_c,out = °C

19.Condução de calorMédia

Uma parede é feita de 150 mm de tijolo e 25 mm de lã mineral, com área de 20 m². As faces externas estão a 19 °C e -15 °C. Encontre a temperatura T_i na interface entre as duas camadas.

L₁ = 150 mm, k₁ = 0,72 W/(m·K)L₂ = 25 mm, k₂ = 0,04 W/(m·K)A = 20 m²T₁ = 19 °CT₃ = -15 °C

T_i = °C

20.Condução de calorDifícil

Uma parede de 250 mm vidro e 150 mm poliestireno expandido separa um ambiente a 20 °C do ar externo a -6 °C. Os coeficientes de convecção são 7,7 W/(m²·K) por dentro e 30 W/(m²·K) por fora, e a área da parede é 6 m². Encontre a temperatura T_s da superfície interna da parede.

L₁ = 250 mm, k₁ = 0,96 W/(m·K)L₂ = 150 mm, k₂ = 0,035 W/(m·K)A = 6 m²h_i = 7,7 W/(m²·K)h_o = 30 W/(m²·K)T_room = 20 °CT_out = -6 °C

T_s = °C

21.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia

Água escoa com velocidade média de 0,9 m/s em uma tubulação de 200 m de comprimento com diâmetro interno de 150 mm. Use o fator de atrito de Darcy f = 0,022 e g = 9,81 m/s². Encontre a perda de carga por atrito h_f.

V = 0,9 m/sL = 200 mD = 150 mmf = 0,022g = 9,81 m/s²

h_f = m

22.Atrito em tubulações e perda de cargaDifícil

Dois reservatórios abertos estão ligados por uma tubulação de 150 m de comprimento com diâmetro interno de 200 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,018. As perdas localizadas são uma entrada de cantos vivos (K = 0,5), 4 curvas (K = 0,3 cada), uma válvula (K = 2) e a saída no reservatório inferior (K = 1,0). Use g = 9,81 m/s². Que diferença de nível d'água Δz entre os reservatórios dá uma vazão de 40 L/s?

Q = 40 L/sL = 150 mD = 200 mmf = 0,018K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×4)K_valve = 2K_exit = 1,0

Δz = m

23.Bombas e potência de bombasMédia

Em um ensaio, uma bomba fornece 10 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) contra uma altura manométrica de 32 m enquanto seu eixo absorve 3,8 kW. Use g = 9,81 m/s². Encontre o rendimento da bomba η em porcentagem.

Q = 10 L/sH = 32 mP_shaft = 3,8 kWg = 9,81 m/s²

η = %

24.Bombas e potência de bombasDifícil

Uma bomba transporta 12 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) de um reservatório inferior aberto para um tanque superior cuja superfície da água está 5 m mais alta. A tubulação tem 200 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 rendimento da bomba é 85%. Encontre a potência no eixo P_shaft em kW.

Q = 12 L/sΔz = 5 mL = 200 mD = 100 mmf = 0,025ΣK = 8η = 85%

P_shaft = kW

3Soluções

1.Balanço de massa

Resposta: ṁ₂ = 450 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) = 450·(50 − 30)/(30 − 10) = 450 kg/h

Resposta

ṁ₂ = 450 kg/h

2.Balanço de massa

Resposta: W = 2691 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·x_F = P·x_P → P = 4000·18/55 = 1309 kg/h

Balanço total

W = F − P = 4000 − 1309 = 2691 kg/h

Resposta

W = 2691 kg/h

3.Balanço de energia

Resposta: t_out = 41,53 °C

Balanço de energia do trocador: sem perdas, ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = ṁ_cc_p,c(t_out − t_in).

Calor liberado pela corrente quente

Q = 2,5·3,6·(120 − 90) = 270 kW

Calor absorvido pela água

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 20 + 270/(3·4,18) = 41,53 °C

Resposta

t_out = 41,53 °C

4.Balanço de energia

Resposta: ṁ_c = 0,2121 kg/s

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

Calor liberado

Q_h = 0,5·2,1·(130 − 90) = 42 kW

Calor que chega à água

Q_c = (1 − 0,05)·42 = 39,9 kW

Vazão de água

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 39,9/(4,18·45) = 0,2121 kg/s

Resposta

ṁ_c = 0,2121 kg/s

5.Lei dos gases ideais

Resposta: V = 24,02 L

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

Mols

n = 120/32 = 3,75 mol

T = 35 + 273,15 = 308,1 K

Volume

V = nRT/P = 3,75·8,314·308,1/400 = 24,02 L

Resposta

V = 24,02 L

6.Lei dos gases ideais

Resposta: ρ = 13,11 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 = 70 + 273,15 = 343,1 K

Massa específica

ρ = 850·44,01/(8,314·343,1) = 13,11 kg/m³

Resposta

ρ = 13,11 kg/m³

7.Estequiometria

Resposta: m = 19,8 g

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

Moles de cada reagente

n(C₃H₈) = 24/44,1 = 0,5442 mol

n(O₂) = 24/32 = 0,75 mol

Reagente limitante

0,5442/1 = 0,5442, 0,75/5 = 0,15 → O₂

Massa de produto

n(CO₂) = 0,15·3 = 0,45 mol

m = 0,45·44,01 = 19,8 g

Resposta

m = 19,8 g

8.Estequiometria

Resposta: Y = 82,1 %

Rendimento teórico

n(CaCO₃) = 8/100,09 = 0,07993 mol

m = 0,07993·1/1·56,08 = 4,482 g

Rendimento percentual

Y = 3,68/4,482·100 = 82,1%

Resposta

Y = 82,1%

9.Equilíbrio químico

Resposta: [HI] = 0,3144 mol/L

Equilíbrio químico: para aA + bB ⇌ cC + dD, a constante de equilíbrio é K_c = [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

54 = (2x)²/(0,2 − x)²

Tire a raiz quadrada

7,348 = 2x/(0,2 − x) → x = 0,2·7,348/(2 + 7,348) = 0,1572 mol/L

Concentração no equilíbrio

[HI] = 2x = 0,3144 mol/L

Resposta

[HI] = 0,3144 mol/L

10.Equilíbrio químico

Resposta: [Cl₂] = 0,1169 mol/L

Expressão do equilíbrio

0,02 = x²/(0,8 − x) → x² + 0,02·x − 0,016 = 0

Resolva a equação do segundo grau

x = (−0,02 + √(0,02² + 4·0,016))/2 = 0,1169 mol/L

Concentração no equilíbrio

[Cl₂] = x = 0,1169 mol/L

Resposta

[Cl₂] = 0,1169 mol/L

11.Calorimetria e entalpia

Resposta: T_f = 26,44 °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

75·0,129·(120 − T_f) = 150·4,18·(T_f − 25)

Isole a temperatura final

T_f = (9,675·120 + 627·25)/(9,675 + 627) = 26,44 °C

Resposta

T_f = 26,44 °C

12.Calorimetria e entalpia

Resposta: ΔH° = −1367 kJ

Entalpia de reação

ΔH° = [2·(−393,5) + 3·(−285,8)] − [1·(−277,7) + 3·0] = −1367 kJ

Resposta

ΔH° = −1367 kJ

Negativo: a reação libera calor (exotérmica).

13.Cinética química

Resposta: t = 18,33 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)/0,05 = 18,33 min

Resposta

t = 18,33 min

14.Cinética química

Resposta: k₂ = 0,01675 min⁻¹

Temperaturas absolutas

T₁ = 303,1 K, T₂ = 328,1 K

Razão de Arrhenius

ln(k₂/k₁) = −(40000/8,314)·(1/328,1 − 1/303,1) = 1,209

k₂ = 0,005·e^1,209 = 0,01675 min⁻¹

Resposta

k₂ = 0,01675 min⁻¹

15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: C_A = 0,5578 mol/L

Reatores ideais, reação de primeira ordem (−r_A = k·C_A) 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 C_A = C_A0/(1 + k·τ). Em um PFR cada fatia de fluido reage como um pequeno reator em batelada: τ = ln(1/(1 − X))/k e C_A = C_A0·e^−k·τ. Para a mesma conversão, um CSTR sempre precisa de mais volume que um PFR.

Tempo espacial

τ = V/Q = 50/5 = 10 min

Concentração de saída

C_A = 2,5·e^−0,15·10 = 0,5578 mol/L

Resposta

C_A = 0,5578 mol/L

Conversão: X = 77,69%.

16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: X = 65,22 %

Tempo espacial

τ = V/Q = 500/80 = 6,25 min, kτ = 0,3·6,25 = 1,875

Conversão

X = kτ/(1 + kτ) = 1,875/(1 + 1,875) = 65,22%

Resposta

X = 65,22%

17.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 42,04 m²

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔT_lm, with ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔT_lm 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 = T_h,in − T_c,out = 85 − 30 = 55 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 35 − 15 = 20 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (55 − 20)/ln(55/20) = 34,6 K

Área

A = Q̇/(U·F·ΔT_lm,cf) = 640000/(500·0,88·34,6) = 42,04 m²

Resposta

A = 42,04 m²

18.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: T_c,out = 69,24 °C

Combine o balanço de energia e a equação de taxa

Com ΔT₁ = T_s − T_c,in e ΔT₂ = T_s − T_c,out, a diferença ΔT₁ − ΔT₂ é igual à elevação de temperatura da água, então a elevação se cancela.

ṁc_p(ΔT₁ − ΔT₂) = U·A·(ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)

ln(ΔT₁/ΔT₂) = U·A/(ṁc_p) = 1000·4/(1,5·4180) = 0,638

Temperatura de saída

ΔT₂ = ΔT₁·e^−0,638 = 115·0,5284 = 60,76 K

T_c,out = 130 − 60,76 = 69,24 °C

Resposta

T_c,out = 69,24 °C

Calor transferido: Q̇ = 340,1 kW.

19.Condução de calor

Resposta: T_i = 10,5 °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) = (150/1000)/(0,72·20) = 0,01042 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (25/1000)/(0,04·20) = 0,03125 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 34/0,04167 = 816 W

Temperatura da interface

A temperatura cai Q̇·R₁ na primeira camada.

T_i = T₁ − Q̇·R₁ = 19 − 816·0,01042 = 10,5 °C

Resposta

T_i = 10,5 °C

20.Condução de calor

Resposta: T_s = 19,28 °C

Resistências em série

R_i = 1/(h_iA) = 1/(7,7·6) = 0,02165 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (250/1000)/(0,96·6) = 0,0434 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (150/1000)/(0,035·6) = 0,7143 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(30·6) = 0,005556 K/W

ΣR = 0,7849 K/W

Perda de calor

Q̇ = (20 − (-6))/0,7849 = 33,13 W

T_s = T_room − Q̇·R_i = 20 − 33,13·0,02165 = 19,28 °C

Resposta

T_s = 19,28 °C

21.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: h_f = 1,211 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 h_f = f·(L/D)·V²/(2g). Conexões, válvulas, a entrada e a saída acrescentam perdas localizadas h_m = ΣK·V²/(2g). Entre duas superfícies livres de reservatórios, a equação da energia dá Δz = h_f + h_m, incluindo a perda na saída K = 1.

Carga cinética

V²/(2g) = 0,9²/(2·9,81) = 0,04128 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,022·(200/0,15)·0,9²/(2·9,81) = 1,211 m

Resposta

h_f = 1,211 m

22.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: Δz = 1,504 m

Velocidade

V = Q/A = 0,04/0,03142 = 1,273 m/s

V²/(2g) = 0,08263 m

Coeficientes de perda

f·L/D = 0,018·150/0,2 = 13,5

ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 2 + 1,0 = 4,7

Perda de carga total

h_f = 13,5·0,08263 = 1,115 m

h_m = 4,7·0,08263 = 0,3883 m

Δz = h_f + h_m = 1,504 m

Resposta

Δz = 1,504 m

23.Bombas e potência de bombas

Resposta: η = 82,61 %

Potência de bombas: a potência fornecida à água é a potência hidráulica P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp. O eixo precisa fornecer mais porque a bomba perde parte dela: P_shaft = P_h/η_pump, e o motor consome P_el = P_shaft/η_motor. 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

P_h = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,01·32 = 3,139 kW

Rendimento

η = P_h/P_shaft = 3,139/3,8 = 82,61%

Resposta

η = 82,61%

24.Bombas e potência de bombas

Resposta: P_shaft = 1,648 kW

Velocidade

V = Q/A = 0,012/0,007854 = 1,528 m/s

V²/(2g) = 0,119 m

Perdas de carga

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (50 + 8)·0,119 = 6,901 m

Altura manométrica da bomba

H = Δz + h_L = 5 + 6,901 = 11,9 m

Potência no eixo

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,012·11,9/0,85 = 1,648 kW

Resposta

P_shaft = 1,648 kW

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Preparação para o exame FE Chemical: pacote de revisão

1Fórmulas e métodos

Balanço de massa

Balanço de energia

Lei dos gases ideais

Estequiometria

Método

Equilíbrio químico

Método

Calorimetria e entalpia

Cinética química

Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Trocadores de calor (LMTD)

Condução de calor

Atrito em tubulações e perda de carga

Bombas e potência de bombas

2Exercícios

3Soluções

Balanços

Resolva para ṁ2

Resposta

Balanço do soluto

Balanço total

Resposta

Calor liberado pela corrente quente

Calor absorvido pela água

Resposta

Calor liberado

Calor que chega à água

Vazão de água

Resposta

Mols

Volume

Resposta

Rearranje a lei dos gases

Massa específica

Resposta

Moles de cada reagente

Reagente limitante

Massa de produto

Resposta

Rendimento teórico

Rendimento percentual

Resposta

Expressão do equilíbrio

Tire a raiz quadrada

Concentração no equilíbrio

Resposta

Expressão do equilíbrio

Resolva a equação do segundo grau

Concentração no equilíbrio

Resposta

Balanço de calor

Isole a temperatura final

Resposta

Entalpia de reação

Resposta

Conversão e concentração

Resolva para o tempo

Resposta

Temperaturas absolutas

Razão de Arrhenius

Resposta

Tempo espacial

Concentração de saída

Resposta

Tempo espacial

Conversão

Resposta

Diferenças de temperatura nas extremidades (contracorrente)

Média logarítmica das diferenças de temperatura

Área

Resposta

Combine o balanço de energia e a equação de taxa

Temperatura de saída

Resposta

Resistências das camadas

Fluxo de calor

Temperatura da interface

Resposta

Resolva para ṁ₂