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 1900 kg/h · 20% açúcarCorrente 2ṁ₂ = ? · 45% açúcarProduto25% açúcar

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

ṁ1 = 900 kg/hx1 = 20 %x2 = 45 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F4700 kg/h · 6% açúcarProduto P65% açúcarVapor W (água pura)W = ? kg/h

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

F = 4700 kg/hxF = 6 %xP = 65 %
W = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado frioetanol · 170 °C60 °Cágua · 30 °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 = 2,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 170 → 60 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado frioóleo leve · 170 °C130 °Cágua · 15 °C35 °C · ṁ = ?5% perdido

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 ṁc necessária.

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 170 → 130 °Ct: 15 → 35 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 5 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
260 g de CO₂P = 300 kPaT = 55 °CV = ?

Que volume V ocupam 260 g de CO₂ a 300 kPa e 55 °C? Trate como gás ideal.

m = 260 gM = 44,01 g/molP = 300 kPaT = 55 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Lei dos gases ideaisDifícil
Ar, M = 39,95 g/molP = 250 kPaT = 60 °Cρ = ?

Encontre a massa específica ρ de Ar a 250 kPa e 60 °C, tratando como gás ideal.

M = 39,95 g/molP = 250 kPaT = 60 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.EstequiometriaMédia
m(X)n(X)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(X)× 2/ν× M(AlCl3​)

6 g de Al e 48 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(Fe2​O3​)n(Fe2​O3​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(Fe2​O3​)× 3/1× M(CO2​)

Na reação Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2, 4 g de Fe2O3 reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 1,82 g de CO2. Calcule o rendimento percentual Y.

M(Fe2O3) = 159,69 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreal: 1,82 g
Y = %
9.Equilíbrio químicoMédia
H2​I2​HII0,80,80C−x−x+2xE0,8 − x0,8 − x2x

0,8 mol/L de H₂ e 0,8 mol/L de I₂ são colocados em um recipiente e reagem: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, com Kc = 49. Calcule a concentração no equilíbrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,8 mol/LKc = 49
[HI] = mol/L
10.Equilíbrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I100C−x+x+xE1 − xxx

O PCl₅ se decompõe: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, com Kc = 0,04 na temperatura da reação. Um recipiente começa apenas com 1 mol/L de PCl₅. Calcule a concentração no equilíbrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 1 mol/LKc = 0,04
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria e entalpiaMédia
Tf​ = ?Alumíniom = 150 gT = 160 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Águam = 100 gT = 23 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Um bloco de 150 g de alumínio (c = 0,897 J/(g·°C)) a 160 °C é colocado em 100 g de água (c = 4,18 J/(g·°C)) a 23 °C em um copo isolado. Calcule a temperatura final Tf.

mmetal = 150 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 160 °Cmwater = 100 gTwater = 23 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria e entalpiaDifícil
H25 g C6​H12​O6​C6​H12​O6​ + 6O₂reagentes6CO₂ + 6H₂O(l)produtosq = ?

Use as entalpias padrão de formação para calcular o calor q liberado quando 25 g de C6H12O6 (M = 180,16 g/mol) queimam completamente: C6H12O6 + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O(l). Dê q como um número positivo.

ΔH°f(C6H12O6) = −1274 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
q = kJ
13.Cinética químicaMédia
t (min)C (mol/L)60 min0,6

Em uma reação de primeira ordem a concentração de A cai de 2 mol/L para 0,6 mol/L em 60 min. Encontre a constante de velocidade k.

CA0 = 2 mol/LCA = 0,6 mol/Lt = 60 min
k = min⁻¹
14.Cinética químicaDifícil
Tk50 °Ck1​?10·k1​

Uma reação tem energia de ativação de 60 kJ/mol. A 50 °C ela é lenta demais. A que temperatura T2 (em °C) ela deve ser aquecida para ficar 10 vezes mais rápida?

Ea = 60 kJ/molT1 = 50 °Ck2/k1 = 10R = 8,314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
Q = 100 L/minX = 60%V = ?, k = 0,3 min⁻¹

Uma reação de primeira ordem em fase líquida A → B com k = 0,3 min⁻¹ é conduzida em um reator de escoamento tubular (PFR) alimentado a 100 L/min. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre o volume do reator V em litros para 60% de conversão de A.

Q = 100 L/mink = 0,3 min⁻¹X = 60%
V = L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil
V = 800 LQ = 10 L/minX = ?

Uma reação de primeira ordem em fase líquida (k = 0,2 min⁻¹) ocorre em um CSTR de 800 L alimentado a 10 L/min. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre a conversão X em porcentagem.

V = 800 LQ = 10 L/mink = 0,2 min⁻¹
X = %
17.Trocadores de calor (LMTD)Média
comprimentoT100 °C85 °C20 °C60 °CΔT₁ΔT₂correntes paralelas

Um trocador de calor em correntes paralelas transfere 210 kW. O fluido quente esfria de 100 para 85 °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 = 210 kWU = 300 W/(m²·K)Th: 100 → 85 °CTc: 20 → 60 °C
A = m²
18.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
comprimentoT100 °C20 °C?ΔT₁ΔT₂vapor condensando

Vapor condensa a 100 °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 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entra nos tubos a 20 °C. Encontre a temperatura de saída da água Tc,out.

Ts = 100 °CA = 1 m²U = 2500 W/(m²·K)ṁ = 1 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 20 °C
Tc,out = °C
19.Condução de calorMédia
Concreto, k = 1,4250 mmPoliestireno expandido, k = 0,035150 mm15 °C5 °CQ̇ = ?

Uma parede é feita de 250 mm de concreto e 150 mm de poliestireno expandido, com área de 20 m². As faces externas estão a 15 °C e 5 °C. Encontre o fluxo de calor Q̇ pela parede.

L1 = 250 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 20 m²T1 = 15 °CT3 = 5 °C
Q̇ = W
20.Condução de calorDifícil
Poliestireno expandido, k = 0,035150 mmVidro, k = 0,96150 mmambiente 21 °Cexterior -3 °CTs​ = ?Q̇

Uma parede de 150 mm poliestireno expandido e 150 mm vidro separa um ambiente a 21 °C do ar externo a -3 °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 15 m². Encontre a temperatura Ts da superfície interna da parede.

L1 = 150 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 15 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -3 °C
Ts = °C
21.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia
V = 1,7 m/sD = 300 mmL = 200 mf = 0,03

Água (ρ = 1000 kg/m³) escoa a 1,7 m/s em uma tubulação horizontal de 200 m de comprimento e diâmetro interno de 300 mm. Use o fator de atrito de Darcy f = 0,03 e g = 9,81 m/s². Encontre a queda de pressão Δp ao longo da tubulação em kPa.

V = 1,7 m/sL = 200 mD = 300 mmf = 0,03ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Atrito em tubulações e perda de cargaDifícil
K = 10Δz = 24 mL = 150 m, D = 100 mm, f = 0,0152× curva (K = 0,3)

Dois reservatórios abertos estão ligados por uma tubulação de 150 m de comprimento com diâmetro interno de 100 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,015. A superfície da água do reservatório superior está 24 m acima da do inferior. As perdas localizadas são uma entrada de cantos vivos (K = 0,5), 2 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 = 24 mL = 150 mD = 100 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Bombas e potência de bombasMédia
PQ = 150 L/sH = 12 m

Uma bomba fornece 150 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) contra uma altura manométrica de 12 m. O rendimento da bomba é 85% e o motor elétrico que a aciona tem rendimento de 92%. Use g = 9,81 m/s². Encontre a potência elétrica Pel consumida pelo motor, em kW.

Q = 150 L/sH = 12 mηpump = 85%ηmotor = 92%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Bombas e potência de bombasDifícil
300 kPa (manométrica)PQ = 15 L/sΔz = 5 mL = 300 m, D = 100 mm, f = 0,02, ΣK = 6

Uma bomba transporta 15 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) de um reservatório inferior aberto para um tanque superior cuja superfície da água está 5 m mais alta. A tubulação tem 300 m de comprimento, diâmetro interno de 100 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 tanque superior é fechado e o ar acima da água está a uma pressão manométrica de 300 kPa. Encontre a altura manométrica H que a bomba deve acrescentar.

Q = 15 L/sΔz = 5 mL = 300 mD = 100 mmf = 0,02ΣK = 6ptank = 300 kPa
H = m

3Soluções

1.Balanço de massa

Resposta: ṁ2 = 225 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) = 900·(20 − 25)/(25 − 45) = 225 kg/h

Resposta

ṁ2 = 225 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: W = 4266 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 = 4700·6/65 = 433,8 kg/h

Balanço total

W = F − P = 4700 − 433,8 = 4266 kg/h

Resposta

W = 4266 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 137 °C

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

Calor liberado pela corrente quente

Q = 2,5·2,44·(170 − 60) = 671 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 671/(1,5·4,18) = 137 °C

Resposta

tout = 137 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 1,909 kg/s

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

Calor liberado

Qh = 2·2,1·(170 − 130) = 168 kW

Calor que chega à água

Qc = (1 − 0,05)·168 = 159,6 kW

Vazão de água

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 159,6/(4,18·20) = 1,909 kg/s

Resposta

ṁc = 1,909 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: V = 53,73 L

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

Mols

n = 260/44,01 = 5,908 mol
T = 55 + 273,15 = 328,1 K

Volume

V = nRT/P = 5,908·8,314·328,1/300 = 53,73 L

Resposta

V = 53,73 L
6.Lei dos gases ideais

Resposta: ρ = 3,606 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 = 60 + 273,15 = 333,1 K

Massa específica

ρ = 250·39,95/(8,314·333,1) = 3,606 kg/m³

Resposta

ρ = 3,606 kg/m³
7.Estequiometria

Resposta: m = 29,65 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) = 6/26,98 = 0,2224 mol
n(Cl2) = 48/70,9 = 0,677 mol

Reagente limitante

0,2224/2 = 0,1112, 0,677/3 = 0,2257 → Al

Massa de produto

n(AlCl3) = 0,1112·2 = 0,2224 mol
m = 0,2224·133,33 = 29,65 g

Resposta

m = 29,65 g
8.Estequiometria

Resposta: Y = 55,03 %

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(Fe2O3) = 4/159,69 = 0,02505 mol
m = 0,02505·3/1·44,01 = 3,307 g

Rendimento percentual

Y = 1,82/3,307·100 = 55,03%

Resposta

Y = 55,03%
9.Equilíbrio químico

Resposta: [HI] = 1,244 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

49 = (2x)²/(0,8 − x)²

Tire a raiz quadrada

7 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·7/(2 + 7) = 0,6222 mol/L

Concentração no equilíbrio

[HI] = 2x = 1,244 mol/L

Resposta

[HI] = 1,244 mol/L
10.Equilíbrio químico

Resposta: [PCl5] = 0,819 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

0,04 = x²/(1 − x) → x² + 0,04·x − 0,04 = 0

Resolva a equação do segundo grau

x = (−0,04 + √(0,04² + 4·0,04))/2 = 0,181 mol/L

Concentração no equilíbrio

[PCl₅] = 1 − 0,181 = 0,819 mol/L

Resposta

[PCl5] = 0,819 mol/L
11.Calorimetria e entalpia

Resposta: Tf = 56,36 °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

150·0,897·(160 − Tf) = 100·4,18·(Tf − 23)

Isole a temperatura final

Tf = (134,6·160 + 418·23)/(134,6 + 418) = 56,36 °C

Resposta

Tf = 56,36 °C
12.Calorimetria e entalpia

Resposta: q = 388,8 kJ

Calor e entalpia: aquecer uma substância exige q = m·c·ΔT. Em um calorímetro, o calor cedido pelo corpo quente é igual ao calor recebido pelo frio. A variação de entalpia de uma reação vem das entalpias de formação: ΔH° = ΣΔH°f(produtos) − ΣΔH°f(reagentes), cada uma multiplicada pelo seu coeficiente.

Entalpia de reação

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

Calor para a massa dada

n = 25/180,16 = 0,1388 mol
q = n·|ΔH°/1| = 0,1388·2802 = 388,8 kJ

Resposta

q = 388,8 kJ
13.Cinética química

Resposta: k = 0,02007 min⁻¹

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).

Lei integrada de primeira ordem

k = ln(CA0/CA)/t = ln(2/0,6)/60 = 1,204/60 = 0,02007 min⁻¹

Resposta

k = 0,02007 min⁻¹
14.Cinética química

Resposta: T2 = 87,15 °C

Reaction rates: for a first-order reaction −dC/dt = kC, so C = C₀·e−kt and the half-life ln 2/k does not depend on concentration. For a second-order reaction 1/C = 1/C₀ + kt. The rate constant rises with temperature following Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Temperatura absoluta

T1 = 323,1 K

Resolva Arrhenius para T₂

1/T2 = 1/323,1 − 8,314·ln(10)/60000 = 3,095 × 10⁻³ − 3,191 × 10⁻⁴ = 2,775 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 360,3 K = 87,15 °C

Resposta

T2 = 87,15 °C
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: V = 305,4 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 − 0,6))/0,3 = 0,9163/0,3 = 3,054 min

Volume

V = Q·τ = 100·3,054 = 305,4 L

Resposta

V = 305,4 L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: X = 94,12 %

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 = 800/10 = 80 min, kτ = 0,2·80 = 16

Conversão

X = kτ/(1 + kτ) = 16/(1 + 16) = 94,12%

Resposta

X = 94,12%
17.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 14,8 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 = 100 − 20 = 80 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 85 − 60 = 25 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (80 − 25)/ln(80/25) = 47,29 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 210000/(300·47,29) = 14,8 m²

Resposta

A = 14,8 m²
18.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: Tc,out = 56,01 °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/(1·4180) = 0,5981

Temperatura de saída

ΔT₂ = ΔT₁·e−0,5981 = 80·0,5499 = 43,99 K
Tc,out = 100 − 43,99 = 56,01 °C

Resposta

Tc,out = 56,01 °C

Calor transferido: Q̇ = 150,5 kW.

19.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 44,8 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)/(1,4·20) = 0,008929 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,035·20) = 0,2143 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 10/0,2232 = 44,8 W

Resposta

Q̇ = 44,8 W
20.Condução de calor

Resposta: Ts = 20,14 °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/(6·15) = 0,01111 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,035·15) = 0,2857 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,96·15) = 0,01042 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·15) = 0,003333 K/W
ΣR = 0,3106 K/W

Perda de calor

Q̇ = (21 − (-3))/0,3106 = 77,28 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 21 − 77,28·0,01111 = 20,14 °C

Resposta

Ts = 20,14 °C
21.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: Δp = 28,9 kPa

Escoamento em tubulações: o número de Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue o escoamento laminar (Re abaixo de cerca de 2000) do turbulento (acima de cerca de 4000). O atrito ao longo de uma tubulação custa a perda de carga de Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Conexões, válvulas, a entrada e a saída acrescentam perdas localizadas hm = ΣK·V²/(2g). Entre duas superfícies livres de reservatórios, a equação da energia dá Δz = hf + hm, incluindo a perda na saída K = 1.

Perda de carga

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(200/0,3)·1,7²/(2·9,81) = 2,946 m

Queda de pressão

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

Δp = ρ·g·hf = 1000·9,81·2,946 = 28900 Pa = 28,9 kPa

Resposta

Δp = 28,9 kPa
22.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: Q = 28,97 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 = 0,015·150/0,1 = 22,5
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 10 + 1,0 = 12,1

Equação da energia

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

24 = (22,5 + 12,1)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·24/34,6) = 3,689 m/s

Vazão

Q = V·π·D²/4 = 3,689·0,007854 = 0,02897 m³/s = 28,97 L/s

Resposta

Q = 28,97 L/s
23.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pel = 22,58 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 = 1000·9,81·0,15·12 = 17,66 kW

Potência no eixo

Pshaft = 17,66/0,85 = 20,77 kW

Potência elétrica

Pel = 20,77/0,92 = 22,58 kW

Resposta

Pel = 22,58 kW
24.Bombas e potência de bombas

Resposta: H = 47,85 m

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

Velocidade

V = Q/A = 0,015/0,007854 = 1,91 m/s
V²/(2g) = 0,1859 m

Perdas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (60 + 6)·0,1859 = 12,27 m

Carga de pressão

p/(ρ·g) = 300000/(1000·9,81) = 30,58 m

Altura manométrica da bomba

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

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 5 + 30,58 + 12,27 = 47,85 m

Resposta

H = 47,85 m

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