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 · 30% açúcarCorrente 2ṁ₂ = ? · 5% açúcarProduto20% açúcar

Quanto da corrente 2 deve ser adicionado por hora à corrente 1 para que o produto da mistura contenha 20% de açúcar? Encontre ṁ2.

ṁ1 = 700 kg/hx1 = 30 %x2 = 5 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F500 kg/h · 14% NaOHProduto P50% 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 = 500 kg/hxF = 14 %xP = 50 %
W = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado frioetanol · 120 °C70 °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 = 1,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 120 → 70 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado friomistura de glicol · 130 °C90 °Cágua · 25 °C70 °C · ṁ = ?15% perdido

mistura de glicol quente aquece água em um trocador que perde para o ambiente 15% do calor liberado pela corrente quente. Encontre a vazão de água ṁc necessária.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 130 → 90 °Ct: 25 → 70 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 15 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
290 g de O₂V = 30 LT = 85 °CP = ?

Um tanque de 30 L contém 290 g de O₂ a 85 °C. Trate como gás ideal e encontre a pressão P.

m = 290 gM = 32 g/molV = 30 LT = 85 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Lei dos gases ideaisDifícil
CO₂, M = 44,01 g/molP = 1000 kPaT = 10 °Cρ = ?

Encontre a massa específica ρ de CO₂ a 1000 kPa e 10 °C, tratando como gás ideal.

M = 44,01 g/molP = 1000 kPaT = 10 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.EstequiometriaMédia
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 3/ν× M(CO2​)

4 g de C3H8 e 10 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
m(H2​)n(H2​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(H2​)× 2/2× M(H2​O)

Na reação 2H2 + O2 → 2H2O, 20 g de H2 reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 151,9 g de H2O. Calcule o rendimento percentual Y.

M(H2) = 2,016 g/molM(H2O) = 18,02 g/molreal: 151,9 g
Y = %
9.Equilíbrio químicoMédia
H2​I2​HII0,50,50C−x−x+2xE0,5 − x0,5 − x2x

0,5 mol/L de H₂ e 0,5 mol/L de I₂ são colocados em um recipiente e reagem: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, com Kc = 50. Calcule a concentração no equilíbrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,5 mol/LKc = 50
[HI] = mol/L
10.Equilíbrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,400C−x+x+xE0,4 − xxx

O PCl₅ se decompõe: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, com Kc = 0,04 na temperatura da reação. Um recipiente começa apenas com 0,4 mol/L de PCl₅. Calcule a concentração no equilíbrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,4 mol/LKc = 0,04
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria e entalpiaMédia
Tf​ = ?Zincom = 250 gT = 130 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Águam = 300 gT = 16 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Um bloco de 250 g de zinco (c = 0,388 J/(g·°C)) a 130 °C é colocado em 300 g de água (c = 4,18 J/(g·°C)) a 16 °C em um copo isolado. Calcule a temperatura final Tf.

mmetal = 250 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 130 °Cmwater = 300 gTwater = 16 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria e entalpiaDifícil
H2C4​H10​ + 13O₂reagentes8CO₂ + 10H₂O(l)produtosΔH° = ?

Use as entalpias padrão de formação para calcular o ΔH° da reação 2C4H10 + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O(l).

ΔH°f(C4H10) = −125,6 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
ΔH° = kJ
13.Cinética químicaMédia
t (min)C (mol/L)t½​ = ?C0​/2

Uma reação de segunda ordem (−rA = k·CA²) tem k = 0,25 L/(mol·min) e concentração inicial de 0,8 mol/L. Encontre sua primeira meia-vida t½.

k = 0,25 L/(mol·min)CA0 = 0,8 mol/L
t½ = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk30 °C0,0540 °C0,178

A constante de velocidade de uma reação é 0,05 min⁻¹ a 30 °C e 0,178 min⁻¹ a 40 °C. Encontre a energia de ativação Ea.

k1 = 0,05 min⁻¹T1 = 30 °Ck2 = 0,178 min⁻¹T2 = 40 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
Q = 5 L/minX = 60%V = ?, k = 0,4 min⁻¹

Uma reação de primeira ordem em fase líquida A → B com k = 0,4 min⁻¹ é conduzida em um reator de escoamento tubular (PFR) alimentado a 5 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 = 5 L/mink = 0,4 min⁻¹X = 60%
V = L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil
V = 2000 LV = 2000 LQ = 50 L/minX = ?

Uma reação de primeira ordem em fase líquida (k = 0,1 min⁻¹) ocorre em dois CSTRs iguais em série, cada um com 2000 L. A vazão de alimentação é 50 L/min, a densidade é constante e os reatores estão em regime permanente. Encontre a conversão global X em porcentagem.

V = 2000 L (×2)Q = 50 L/mink = 0,1 min⁻¹
X = %
17.Trocadores de calor (LMTD)Média
comprimentoT115 °C50 °C10 °C20 °CΔT₁ΔT₂correntes paralelas

Um trocador de calor em correntes paralelas transfere 360 kW. O fluido quente esfria de 115 para 50 °C e o fluido frio aquece de 10 para 20 °C. O coeficiente global de transferência de calor é 800 W/(m²·K). Encontre a área de troca térmica A necessária.

Q̇ = 360 kWU = 800 W/(m²·K)Th: 115 → 50 °CTc: 10 → 20 °C
A = m²
18.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
comprimentoT160 °C65 °C?25 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Em um trocador de calor de tubo duplo em contracorrente, óleo quente (1 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) escoa no tubo interno e esfria de 160 para 65 °C. Água (1,5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) no espaço anular entra a 25 °C. O tubo interno tem diâmetro de 50 mm, e U = 500 W/(m²·K) se baseia nesse diâmetro. Encontre o comprimento de tubo L necessário.

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 160 → 65 °Cṁc = 1,5 kg/sTc,in = 25 °CD = 50 mmU = 500 W/(m²·K)
L = m
19.Condução de calorMédia
Madeira, k = 0,17250 mmPoliestireno expandido, k = 0,03525 mm18 °C-5 °CTi​ = ?Q̇

Uma parede é feita de 250 mm de madeira e 25 mm de poliestireno expandido, com área de 6 m². As faces externas estão a 18 °C e -5 °C. Encontre a temperatura Ti na interface entre as duas camadas.

L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 18 °CT3 = -5 °C
Ti = °C
20.Condução de calorDifícil
Lã mineral, k = 0,04250 mmPlaca de gesso, k = 0,1775 mmambiente 20 °Cexterior -15 °CTs​ = ?Q̇

Uma parede de 250 mm lã mineral e 75 mm placa de gesso separa um ambiente a 20 °C do ar externo a -15 °C. Os coeficientes de convecção são 10 W/(m²·K) por dentro e 25 W/(m²·K) por fora, e a área da parede é 6 m². Encontre a temperatura Ts da superfície interna da parede.

L1 = 250 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 6 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -15 °C
Ts = °C
21.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia
Q = 20 L/sD = 200 mmL = 400 mf = 0,022

Água escoa a 20 L/s em uma tubulação de 400 m de comprimento com diâmetro interno de 200 mm. Use o fator de atrito de Darcy f = 0,022 e g = 9,81 m/s². Encontre a perda de carga por atrito hf.

Q = 20 L/sL = 400 mD = 200 mmf = 0,022g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Atrito em tubulações e perda de cargaDifícil
K = 2Δz = ?L = 150 m, D = 200 mm, f = 0,0222× curva (K = 0,3)

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 = 0,022. As perdas localizadas são uma entrada de cantos vivos (K = 0,5), 2 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 = 0,022Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Δz = m
23.Bombas e potência de bombasMédia
PQ = 30 L/sH = 78 m

Em um ensaio, uma bomba fornece 30 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) contra uma altura manométrica de 78 m enquanto seu eixo absorve 38,3 kW. Use g = 9,81 m/s². Encontre o rendimento da bomba η em porcentagem.

Q = 30 L/sH = 78 mPshaft = 38,3 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Bombas e potência de bombasDifícil
PQ = 120 L/sΔz = 20 mL = 300 m, D = 250 mm, f = 0,018, ΣK = 6

Uma bomba transporta 120 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) de um reservatório inferior aberto para um tanque superior cuja superfície da água está 20 m mais alta. A tubulação tem 300 m de comprimento, diâmetro interno de 250 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,018; os coeficientes de perda localizada somam ΣK = 6 (entrada e saída incluídas). Use g = 9,81 m/s². Encontre a altura manométrica H que a bomba deve acrescentar.

Q = 120 L/sΔz = 20 mL = 300 mD = 250 mmf = 0,018ΣK = 6
H = m

3Soluções

1.Balanço de massa

Resposta: ṁ2 = 466,7 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) = 700·(30 − 20)/(20 − 5) = 466,7 kg/h

Resposta

ṁ2 = 466,7 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: W = 360 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 = 500·14/50 = 140 kg/h

Balanço total

W = F − P = 500 − 140 = 360 kg/h

Resposta

W = 360 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 59,19 °C

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

Calor liberado pela corrente quente

Q = 1,5·2,44·(120 − 70) = 183 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 183/(1,5·4,18) = 59,19 °C

Resposta

tout = 59,19 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 0,3254 kg/s

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

Calor liberado

Qh = 0,5·3,6·(130 − 90) = 72 kW

Calor que chega à água

Qc = (1 − 0,15)·72 = 61,2 kW

Vazão de água

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 61,2/(4,18·45) = 0,3254 kg/s

Resposta

ṁc = 0,3254 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: P = 899,5 kPa

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

Mols

n = m/M = 290/32 = 9,063 mol
T = 85 + 273,15 = 358,1 K

Pressão

P = nRT/V = 9,063·8,314·358,1/0,03 = 899,5 kPa

Resposta

P = 899,5 kPa
6.Lei dos gases ideais

Resposta: ρ = 18,69 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 = 10 + 273,15 = 283,1 K

Massa específica

ρ = 1000·44,01/(8,314·283,1) = 18,69 kg/m³

Resposta

ρ = 18,69 kg/m³
7.Estequiometria

Resposta: m = 8,252 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) = 4/44,1 = 0,0907 mol
n(O2) = 10/32 = 0,3125 mol

Reagente limitante

0,0907/1 = 0,0907, 0,3125/5 = 0,0625 → O2

Massa de produto

n(CO2) = 0,0625·3 = 0,1875 mol
m = 0,1875·44,01 = 8,252 g

Resposta

m = 8,252 g
8.Estequiometria

Resposta: Y = 85 %

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) = 20/2,016 = 9,921 mol
m = 9,921·2/2·18,02 = 178,8 g

Rendimento percentual

Y = 151,9/178,8·100 = 85%

Resposta

Y = 85%
9.Equilíbrio químico

Resposta: [HI] = 0,7795 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

50 = (2x)²/(0,5 − x)²

Tire a raiz quadrada

7,071 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·7,071/(2 + 7,071) = 0,3898 mol/L

Concentração no equilíbrio

[HI] = 2x = 0,7795 mol/L

Resposta

[HI] = 0,7795 mol/L
10.Equilíbrio químico

Resposta: [Cl2] = 0,1081 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/(0,4 − x) → x² + 0,04·x − 0,016 = 0

Resolva a equação do segundo grau

x = (−0,04 + √(0,04² + 4·0,016))/2 = 0,1081 mol/L

Concentração no equilíbrio

[Cl₂] = x = 0,1081 mol/L

Resposta

[Cl2] = 0,1081 mol/L
11.Calorimetria e entalpia

Resposta: Tf = 24,19 °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

250·0,388·(130 − Tf) = 300·4,18·(Tf − 16)

Isole a temperatura final

Tf = (97·130 + 1254·16)/(97 + 1254) = 24,19 °C

Resposta

Tf = 24,19 °C
12.Calorimetria e entalpia

Resposta: ΔH° = −5755 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° = [8·(−393,5) + 10·(−285,8)] − [2·(−125,6) + 13·0] = −5755 kJ

Resposta

ΔH° = −5755 kJ

Negativo: a reação libera calor (exotérmica).

13.Cinética química

Resposta: t½ = 5 min

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

Meia-vida de segunda ordem

t½ = 1/(k·CA0) = 1/(0,25·0,8) = 5 min

Resposta

t½ = 5 min

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

14.Cinética química

Resposta: Ea = 100,2 kJ/mol

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

Temperaturas absolutas

T1 = 303,1 K, T2 = 313,1 K

Resolva Arrhenius para Ea

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

Resposta

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

Resposta: V = 11,45 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))/0,4 = 0,9163/0,4 = 2,291 min

Volume

V = Q·τ = 5·2,291 = 11,45 L

Resposta

V = 11,45 L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: X = 96 %

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 = 2000/50 = 40 min, kτ = 0,1·40 = 4

Conversão

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 4) = 0,2
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,04
X = 1 − 0,04 = 96%

Resposta

X = 96%
17.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 7,517 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 = 115 − 10 = 105 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 50 − 20 = 30 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (105 − 30)/ln(105/30) = 59,87 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 360000/(800·59,87) = 7,517 m²

Resposta

A = 7,517 m²
18.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: L = 42,45 m

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 e temperatura de saída da água

Q̇ = 1·2,3·(160 − 65) = 218,5 kW
Tc,out = 25 + 218,5/(1,5·4,18) = 59,85 °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 = 160 − 59,85 = 100,2 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 65 − 25 = 40 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (100,2 − 40)/ln(100,2/40) = 65,54 K

Área e comprimento

A = 218500/(500·65,54) = 6,668 m²
L = A/(πD) = 6,668/(π·0,05) = 42,45 m

Resposta

L = 42,45 m
19.Condução de calor

Resposta: Ti = 2,519 °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) = (250/1000)/(0,17·6) = 0,2451 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,035·6) = 0,119 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 23/0,3641 = 63,16 W

Temperatura da interface

A temperatura cai Q̇·R₁ na primeira camada.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 18 − 63,16·0,2451 = 2,519 °C

Resposta

Ti = 2,519 °C
20.Condução de calor

Resposta: Ts = 19,49 °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/(10·6) = 0,01667 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,04·6) = 1,042 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,17·6) = 0,07353 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·6) = 0,006667 K/W
ΣR = 1,139 K/W

Perda de calor

Q̇ = (20 − (-15))/1,139 = 30,74 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 20 − 30,74·0,01667 = 19,49 °C

Resposta

Ts = 19,49 °C
21.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: hf = 0,9089 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·0,2²/4 = 0,03142 m²
V = Q/A = 0,02/0,03142 = 0,6366 m/s

Carga cinética

V²/(2g) = 0,6366²/(2·9,81) = 0,02066 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,022·(400/0,2)·0,6366²/(2·9,81) = 0,9089 m

Resposta

hf = 0,9089 m
22.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: Δz = 1,702 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 = 0,04/0,03142 = 1,273 m/s
V²/(2g) = 0,08263 m

Coeficientes de perda

f·L/D = 0,022·150/0,2 = 16,5
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 2 + 1,0 = 4,1

Perda de carga total

hf = 16,5·0,08263 = 1,363 m
hm = 4,1·0,08263 = 0,3388 m
Δz = hf + hm = 1,702 m

Resposta

Δz = 1,702 m
23.Bombas e potência de bombas

Resposta: η = 59,94 %

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 = 1000·9,81·0,03·78 = 22,96 kW

Rendimento

η = Ph/Pshaft = 22,96/38,3 = 59,94%

Resposta

η = 59,94%
24.Bombas e potência de bombas

Resposta: H = 28,41 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 = 0,12/0,04909 = 2,445 m/s
V²/(2g) = 0,3046 m

Perdas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (21,6 + 6)·0,3046 = 8,407 m

Altura manométrica da bomba

As duas superfícies estão abertas e praticamente em repouso, então os termos de pressão e de velocidade desaparecem.

H = Δz + hL = 20 + 8,407 = 28,41 m

Resposta

H = 28,41 m

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