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 · 45% açúcarCorrente 2ṁ₂ = ? · 10% 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 = 550 kg/hx1 = 45 %x2 = 10 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F4200 kg/h · 20% NaOHProduto PP = ? · 30%Vapor W (água pura)0% NaOH

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

F = 4200 kg/hxF = 20 %xP = 30 %
P = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado frioóleo leve · 130 °C80 °Cágua · 20 °Ct = ? °C

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

ṁh = 2,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 130 → 80 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado frioetanol · 150 °C100 °Cágua · 25 °C80 °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 = 2 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 150 → 100 °Ct: 25 → 80 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 10 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
30 g de HeV = 30 LT = 0 °CP = ?

Um tanque de 30 L contém 30 g de He a 0 °C. Trate como gás ideal e encontre a pressão P.

m = 30 gM = 4,003 g/molV = 30 LT = 0 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Lei dos gases ideaisDifícil
Estado 1Estado 2

Uma quantidade fixa de He passa de 400 kPa, 5 L, 40 °C para 550 kPa e 170 °C. Encontre o novo volume V2.

P1 = 400 kPaV1 = 5 LT1 = 40 °CP2 = 550 kPaT2 = 170 °C
V2 = L
7.EstequiometriaMédia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

6 g de CH4 e 20 g de O2 reagem segundo CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. Que massa m de H2O se pode formar?

M(CH4) = 16,04M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 g/mol
m = g
8.EstequiometriaDifícil
m(Na)n(Na)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(Na)× 2/2× M(NaCl)

Na reação 2Na + Cl2 → 2NaCl, 20 g de Na reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 47,79 g de NaCl. Calcule o rendimento percentual Y.

M(Na) = 22,99 g/molM(NaCl) = 58,44 g/molreal: 47,79 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 = 36. Calcule a concentração no equilíbrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 36
[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 [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,25 mol/LKc = 0,2
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria e entalpiaMédia
Tf​ = ?Cobrem = 100 gT = 200 °Cc = 0,385 J/(g·°C)Águam = 150 gT = 22 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Um bloco de 100 g de cobre (c = 0,385 J/(g·°C)) a 200 °C é colocado em 150 g de água (c = 4,18 J/(g·°C)) a 22 °C em um copo isolado. Calcule a temperatura final Tf.

mmetal = 100 gcmetal = 0,385 J/(g·°C)Tmetal = 200 °Cmwater = 150 gTwater = 22 °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 = ?50%

Uma reação de primeira ordem em um reator batelada tem k = 0,15 min⁻¹. Quanto tempo leva para chegar a 50% de conversão? Encontre t.

k = 0,15 min⁻¹X = 50 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk20 °C0,0230 °C0,101

A constante de velocidade de uma reação é 0,02 min⁻¹ a 20 °C e 0,101 min⁻¹ a 30 °C. Encontre a energia de ativação Ea.

k1 = 0,02 min⁻¹T1 = 20 °Ck2 = 0,101 min⁻¹T2 = 30 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
Q = 100 L/minX = 70%V = ?, k = 0,15 min⁻¹

Uma reação de primeira ordem em fase líquida A → B com k = 0,15 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 70% de conversão de A.

Q = 100 L/mink = 0,15 min⁻¹X = 70%
V = L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil
Q = 80 L/minX = ?V = 800 L

Uma reação de primeira ordem em fase líquida (k = 0,15 min⁻¹) ocorre em um reator de escoamento tubular (PFR) de 800 L alimentado a 80 L/min. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre a conversão X em porcentagem.

V = 800 LQ = 80 L/mink = 0,15 min⁻¹
X = %
17.Trocadores de calor (LMTD)Média
comprimentoT120 °C10 °C110 °CΔT₁ΔT₂vapor condensando

Em um condensador, vapor condensa a 120 °C constantes por fora dos tubos. Água de resfriamento (0,5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) escoa pelos tubos e aquece de 10 para 110 °C. O coeficiente global de transferência de calor é 2000 W/(m²·K). Encontre a área de troca térmica A necessária.

Ts = 120 °Cṁ = 0,5 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc: 10 → 110 °CU = 2000 W/(m²·K)
A = m²
18.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
comprimentoT145 °C90 °C42,63 °C15 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Óleo quente (1,5 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) esfria de 145 para 90 °C em um trocador em contracorrente. Ele aquece 1,5 kg/s de água (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) que entra a 15 °C. Com U = 800 W/(m²·K), encontre a área de troca térmica A necessária.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 145 → 90 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 15 °CU = 800 W/(m²·K)
A = m²
19.Condução de calorMédia
Vidro, k = 0,96150 mmTijolo, k = 0,7275 mm25 °C-10 °CQ̇ = ?

Uma parede é feita de 150 mm de vidro e 75 mm de tijolo, com área de 4 m². As faces externas estão a 25 °C e -10 °C. Encontre o fluxo de calor Q̇ pela parede.

L1 = 150 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 4 m²T1 = 25 °CT3 = -10 °C
Q̇ = W
20.Condução de calorDifícil
Poliestireno expandido, k = 0,035100 mmTijolo, k = 0,7275 mmambiente 21 °Cexterior -11 °CQ̇ = ?

Uma parede de 100 mm poliestireno expandido e 75 mm tijolo separa um ambiente a 21 °C do ar externo a -11 °C. Os coeficientes de convecção são 10 W/(m²·K) por dentro e 20 W/(m²·K) por fora, e a área da parede é 20 m². Encontre a perda de calor Q̇ pela parede.

L1 = 100 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 20 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -11 °C
Q̇ = W
21.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia
V = 1,2 m/sD = 75 mmL = 300 mf = 0,03

Água (ρ = 1000 kg/m³) escoa a 1,2 m/s em uma tubulação horizontal de 300 m de comprimento e diâmetro interno de 75 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 = 1,2 m/sL = 300 mD = 75 mmf = 0,03ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Atrito em tubulações e perda de cargaDifícil
K = 10saída livreH = ?L = 200 m, D = 100 mm, f = 0,0153× curva (K = 0,3)

Uma tubulação de 200 m de comprimento com diâmetro interno de 100 mm (fator de atrito de Darcy f = 0,015) sai de um reservatório aberto e descarrega como jato livre no ar. As perdas localizadas são uma entrada de cantos vivos (K = 0,5), 3 curvas (K = 0,3 cada) e uma válvula (K = 10). 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 8 L/s?

Q = 8 L/sL = 200 mD = 100 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 10
H = m
23.Bombas e potência de bombasMédia
PQ = 10 L/sH = 72 m

Uma bomba com rendimento de 85% fornece 10 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) contra uma altura manométrica de 72 m. Use g = 9,81 m/s². Encontre a potência no eixo Pshaft necessária, em kW.

Q = 10 L/sH = 72 mη = 85%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Bombas e potência de bombasDifícil
400 kPa (manométrica)PQ = 50 L/sΔz = 16 mL = 100 m, D = 150 mm, f = 0,015, 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 16 m mais alta. A tubulação tem 100 m de comprimento, diâmetro interno de 150 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,015; os coeficientes de perda localizada somam ΣK = 8 (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 400 kPa. Encontre a altura manométrica H que a bomba deve acrescentar.

Q = 50 L/sΔz = 16 mL = 100 mD = 150 mmf = 0,015ΣK = 8ptank = 400 kPa
H = m

3Soluções

1.Balanço de massa

Resposta: ṁ2 = 733,3 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·(45 − 25)/(25 − 10) = 733,3 kg/h

Resposta

ṁ2 = 733,3 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: P = 2800 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 = 4200·20/30 = 2800 kg/h

Resposta

P = 2800 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 40,93 °C

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

Calor liberado pela corrente quente

Q = 2,5·2,1·(130 − 80) = 262,5 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 262,5/(3·4,18) = 40,93 °C

Resposta

tout = 40,93 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 0,9552 kg/s

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

Calor liberado

Qh = 2·2,44·(150 − 100) = 244 kW

Calor que chega à água

Qc = (1 − 0,1)·244 = 219,6 kW

Vazão de água

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 219,6/(4,18·55) = 0,9552 kg/s

Resposta

ṁc = 0,9552 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: P = 567,3 kPa

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

Mols

n = m/M = 30/4,003 = 7,494 mol
T = 0 + 273,15 = 273,1 K

Pressão

P = nRT/V = 7,494·8,314·273,1/0,03 = 567,3 kPa

Resposta

P = 567,3 kPa
6.Lei dos gases ideais

Resposta: V2 = 5,146 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 313,1 K, T2 = 443,1 K

Lei geral dos gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(400/550)·(443,1/313,1) = 5,146 L

Resposta

V2 = 5,146 L
7.Estequiometria

Resposta: m = 11,26 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(CH4) = 6/16,04 = 0,3741 mol
n(O2) = 20/32 = 0,625 mol

Reagente limitante

0,3741/1 = 0,3741, 0,625/2 = 0,3125 → O2

Massa de produto

n(H2O) = 0,3125·2 = 0,625 mol
m = 0,625·18,02 = 11,26 g

Resposta

m = 11,26 g
8.Estequiometria

Resposta: Y = 94 %

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(Na) = 20/22,99 = 0,8699 mol
m = 0,8699·2/2·58,44 = 50,84 g

Rendimento percentual

Y = 47,79/50,84·100 = 94%

Resposta

Y = 94%
9.Equilíbrio químico

Resposta: [HI] = 1,5 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

36 = (2x)²/(1 − x)²

Tire a raiz quadrada

6 = 2x/(1 − x) → x = 1·6/(2 + 6) = 0,75 mol/L

Concentração no equilíbrio

[HI] = 2x = 1,5 mol/L

Resposta

[HI] = 1,5 mol/L
10.Equilíbrio químico

Resposta: [PCl5] = 0,1051 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

[PCl₅] = 0,25 − 0,1449 = 0,1051 mol/L

Resposta

[PCl5] = 0,1051 mol/L
11.Calorimetria e entalpia

Resposta: Tf = 32,3 °C

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

Balanço de calor

100·0,385·(200 − Tf) = 150·4,18·(Tf − 22)

Isole a temperatura final

Tf = (38,5·200 + 627·22)/(38,5 + 627) = 32,3 °C

Resposta

Tf = 32,3 °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 = 4,621 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 = 0,5

Resolva para o tempo

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,5)/0,15 = 4,621 min

Resposta

t = 4,621 min
14.Cinética química

Resposta: Ea = 119,6 kJ/mol

Velocidades de reação: para uma reação de primeira ordem −dC/dt = kC, então C = C₀·e−kt e a meia-vida ln 2/k não depende da concentração. Para uma reação de segunda ordem 1/C = 1/C₀ + kt. A constante de velocidade aumenta com a temperatura segundo Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Temperaturas absolutas

T1 = 293,1 K, T2 = 303,1 K

Resolva Arrhenius para Ea

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·1,619/(-1,125e-4) = 119649 J/mol
Ea = 119,6 kJ/mol

Resposta

Ea = 119,6 kJ/mol
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: V = 802,6 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 − 0,7))/0,15 = 1,204/0,15 = 8,026 min

Volume

V = Q·τ = 100·8,026 = 802,6 L

Resposta

V = 802,6 L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: X = 77,69 %

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 = 800/80 = 10 min, kτ = 0,15·10 = 1,5

Conversão

X = 1 − e−kτ = 1 − e−1,5 = 77,69%

Resposta

X = 77,69%
17.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 2,506 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 = 0,5·4,18·(110 − 10) = 209 kW

Diferenças de temperatura nas extremidades

ΔT₁ = 120 − 10 = 110 K
ΔT₂ = 120 − 110 = 10 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (110 − 10)/ln(110/10) = 41,7 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 209000/(2000·41,7) = 2,506 m²

Resposta

A = 2,506 m²
18.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 2,462 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) = 1,5·2,1·55 = 173,3 kW
Tc,out = 15 + 173,3/(1,5·4,18) = 42,63 °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 = 145 − 42,63 = 102,4 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 90 − 15 = 75 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (102,4 − 75)/ln(102,4/75) = 87,98 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 173250/(800·87,98) = 2,462 m²

Resposta

A = 2,462 m²
19.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 537,6 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)/(0,96·4) = 0,03906 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,72·4) = 0,02604 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 35/0,0651 = 537,6 W

Resposta

Q̇ = 537,6 W
20.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 205,7 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/(10·20) = 0,005 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,035·20) = 0,1429 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,72·20) = 0,005208 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·20) = 0,0025 K/W
ΣR = 0,1556 K/W

Perda de calor

Q̇ = (21 − (-11))/0,1556 = 205,7 W

Resposta

Q̇ = 205,7 W
21.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: Δp = 86,4 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·(300/0,075)·1,2²/(2·9,81) = 8,807 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 = 1000·9,81·8,807 = 86400 Pa = 86,4 kPa

Resposta

Δp = 86,4 kPa
22.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: H = 2,242 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 = 0,008/0,007854 = 1,019 m/s
V²/(2g) = 0,05288 m

Coeficientes de perda

f·L/D = 0,015·200/0,1 = 30
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 10 = 11,4

Equação da energia

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

H = (1 + 30 + 11,4)·0,05288 = 2,242 m

Resposta

H = 2,242 m
23.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pshaft = 8,31 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 = 1000·9,81·0,01·72 = 7,063 kW

Potência no eixo

Pshaft = Ph/η = 7,063/0,85 = 8,31 kW

Resposta

Pshaft = 8,31 kW
24.Bombas e potência de bombas

Resposta: H = 64,12 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 = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m

Perdas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (10 + 8)·0,408 = 7,345 m

Carga de pressão

p/(ρ·g) = 400000/(1000·9,81) = 40,77 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 = 16 + 40,77 + 7,345 = 64,12 m

Resposta

H = 64,12 m

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