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 11000 kg/h · 15% NaOHCorrente 2ṁ₂ = ? · 35% NaOHProduto30% NaOH

Quanto da corrente 2 deve ser adicionado por hora à corrente 1 para que o produto da mistura contenha 30% de NaOH? Encontre ṁ2.

ṁ1 = 1000 kg/hx1 = 15 %x2 = 35 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F2600 kg/h · 7% açúcarProduto PP = ? · 55%Vapor W (água pura)0% açúcar

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

F = 2600 kg/hxF = 7 %xP = 55 %
P = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado frioetanol · 120 °C60 °Cágua · 15 °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: 120 → 60 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado frioetanol · 120 °C70 °Cágua · 15 °C85 °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 = 1,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 120 → 70 °Ct: 15 → 85 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 10 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
330 g de HeV = 30 LT = 0 °CP = ?

Um tanque de 30 L contém 330 g de He a 0 °C. Trate como gás ideal e encontre a pressão P.

m = 330 gM = 4,003 g/molV = 30 LT = 0 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Lei dos gases ideaisDifícil
N₂, M = 28,01 g/molP = 200 kPaT = 140 °Cρ = ?

Encontre a massa específica ρ de N₂ a 200 kPa e 140 °C, tratando como gás ideal.

M = 28,01 g/molP = 200 kPaT = 140 °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​)

12 g de Fe2O3 e 32 g de CO reagem segundo Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2. Que massa m de CO2 se pode formar?

M(Fe2O3) = 159,69M(CO) = 28,01M(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, 16 g de H2 reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 107,3 g de H2O. Calcule o rendimento percentual Y.

M(H2) = 2,016 g/molM(H2O) = 18,02 g/molreal: 107,3 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 = 54. Calcule a concentração no equilíbrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 54
[H2] = mol/L
10.Equilíbrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,500C−x+x+xE0,5 − xxx

O PCl₅ se decompõe: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, com Kc = 0,01 na temperatura da reação. Um recipiente começa apenas com 0,5 mol/L de PCl₅. Calcule a concentração no equilíbrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LKc = 0,01
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria e entalpiaMédia
Tf​ = ?Zincom = 150 gT = 110 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Águam = 400 gT = 16 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Um bloco de 150 g de zinco (c = 0,388 J/(g·°C)) a 110 °C é colocado em 400 g de água (c = 4,18 J/(g·°C)) a 16 °C em um copo isolado. Calcule a temperatura final Tf.

mmetal = 150 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 110 °Cmwater = 400 gTwater = 16 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria e entalpiaDifícil
HC2​H5​OH + 3O₂reagentes2CO₂ + 3H₂O(l)produtosΔH° = ?

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
t (min)C (mol/L)20 minC = ?

Uma reação com lei de velocidade −rA = k·CA² tem k = 0,25 L/(mol·min) e começa em 1 mol/L. Encontre a concentração CA depois de 20 min.

k = 0,25 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/Lt = 20 min
CA = mol/L
14.Cinética químicaDifícil
Tk30 °C0,00550 °C0,0357

A constante de velocidade de uma reação é 0,005 min⁻¹ a 30 °C e 0,0357 min⁻¹ a 50 °C. Encontre a energia de ativação Ea.

k1 = 0,005 min⁻¹T1 = 30 °Ck2 = 0,0357 min⁻¹T2 = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
QX = 70%mesmos Q, k e X que o CSTR

Uma reação de primeira ordem em fase líquida deve atingir 70% de conversão. Quantas vezes maior um CSTR precisa ser que um PFR para a mesma vazão de alimentação, constante de velocidade e conversão? Encontre a razão VCSTR/VPFR.

X = 70%primeira ordem, mesmos k e Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil
Q = 50 L/minX = ?V = 200 L

Uma reação de primeira ordem em fase líquida (k = 0,15 min⁻¹) ocorre em um reator de escoamento tubular (PFR) de 200 L alimentado a 50 L/min. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre a conversão X em porcentagem.

V = 200 LQ = 50 L/mink = 0,15 min⁻¹
X = %
17.Trocadores de calor (LMTD)Média
comprimentoT120 °C45 °C55 °C20 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Um trocador de calor casco e tubos (uma passagem no casco, duas passagens nos tubos) deve transferir 90 kW. O fluido quente esfria de 120 para 45 °C e o fluido frio aquece de 20 para 55 °C. O fator de correção da MLDT para esse arranjo é F = 0,95, e U = 1000 W/(m²·K). Encontre a área de troca térmica A necessária.

Q̇ = 90 kWF = 0,95U = 1000 W/(m²·K)Th: 120 → 45 °CTc: 20 → 55 °C
A = m²
18.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
comprimentoT95 °C45 °C37,43 °C15 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Óleo quente (1,5 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) esfria de 95 para 45 °C em um trocador em contracorrente. Ele aquece 2 kg/s de água (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) que entra a 15 °C. Com U = 1500 W/(m²·K), encontre a área de troca térmica A necessária.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 95 → 45 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 15 °CU = 1500 W/(m²·K)
A = m²
19.Condução de calorMédia
Vidro, k = 0,96200 mmPlaca de gesso, k = 0,1750 mm19 °C3 °CQ̇ = ?

Uma parede é feita de 200 mm de vidro e 50 mm de placa de gesso, com área de 10 m². As faces externas estão a 19 °C e 3 °C. Encontre o fluxo de calor Q̇ pela parede.

L1 = 200 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 10 m²T1 = 19 °CT3 = 3 °C
Q̇ = W
20.Condução de calorDifícil
Placa de gesso, k = 0,1750 mmTijolo, k = 0,72150 mmambiente 20 °Cexterior -5 °CTs​ = ?Q̇

Uma parede de 50 mm placa de gesso e 150 mm tijolo separa um ambiente a 20 °C do ar externo a -5 °C. Os coeficientes de convecção são 10 W/(m²·K) por dentro e 30 W/(m²·K) por fora, e a área da parede é 20 m². Encontre a temperatura Ts da superfície interna da parede.

L1 = 50 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 20 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -5 °C
Ts = °C
21.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia
V = 1,4 m/sD = 200 mmL = 400 mf = 0,018

Água escoa com velocidade média de 1,4 m/s em uma tubulação de 400 m de comprimento com diâmetro interno de 200 mm. Use o fator de atrito de Darcy f = 0,018 e g = 9,81 m/s². Encontre a perda de carga por atrito hf.

V = 1,4 m/sL = 400 mD = 200 mmf = 0,018g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Atrito em tubulações e perda de cargaDifícil
K = 2Δz = ?L = 200 m, D = 100 mm, f = 0,0154× curva (K = 0,3)

Dois reservatórios abertos estão ligados por uma tubulação de 200 m de comprimento com diâmetro interno de 100 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,015. 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 25 L/s?

Q = 25 L/sL = 200 mD = 100 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Δz = m
23.Bombas e potência de bombasMédia
PQ = 150 L/sH = 80 m

Uma bomba fornece 150 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) contra uma altura manométrica de 80 m. O rendimento da bomba é 60% e o motor elétrico que a aciona tem rendimento de 94%. Use g = 9,81 m/s². Encontre a potência elétrica Pel consumida pelo motor, em kW.

Q = 150 L/sH = 80 mηpump = 60%ηmotor = 94%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Bombas e potência de bombasDifícil
PQ = 20 L/sΔz = 24 mL = 200 m, D = 100 mm, f = 0,022, ΣK = 8

Uma bomba transporta 20 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) de um reservatório inferior aberto para um tanque superior cuja superfície da água está 24 m mais alta. A tubulação tem 200 m de comprimento, diâmetro interno de 100 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,022; os coeficientes de perda localizada somam ΣK = 8 (entrada e saída incluídas). Use g = 9,81 m/s². O rendimento da bomba é 72%. Encontre a potência no eixo Pshaft em kW.

Q = 20 L/sΔz = 24 mL = 200 mD = 100 mmf = 0,022ΣK = 8η = 72%
Pshaft = kW

3Soluções

1.Balanço de massa

Resposta: ṁ2 = 3000 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
NaOH: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Resolva para ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 1000·(15 − 30)/(30 − 35) = 3000 kg/h

Resposta

ṁ2 = 3000 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: P = 330,9 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 = 2600·7/55 = 330,9 kg/h

Resposta

P = 330,9 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 44,19 °C

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

Calor liberado pela corrente quente

Q = 2,5·2,44·(120 − 60) = 366 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 366/(3·4,18) = 44,19 °C

Resposta

tout = 44,19 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 0,5629 kg/s

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

Calor liberado

Qh = 1,5·2,44·(120 − 70) = 183 kW

Calor que chega à água

Qc = (1 − 0,1)·183 = 164,7 kW

Vazão de água

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 164,7/(4,18·70) = 0,5629 kg/s

Resposta

ṁc = 0,5629 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: P = 6240 kPa

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

Mols

n = m/M = 330/4,003 = 82,44 mol
T = 0 + 273,15 = 273,1 K

Pressão

P = nRT/V = 82,44·8,314·273,1/0,03 = 6240 kPa

Resposta

P = 6240 kPa
6.Lei dos gases ideais

Resposta: ρ = 1,631 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 = 140 + 273,15 = 413,1 K

Massa específica

ρ = 200·28,01/(8,314·413,1) = 1,631 kg/m³

Resposta

ρ = 1,631 kg/m³
7.Estequiometria

Resposta: m = 9,921 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(Fe2O3) = 12/159,69 = 0,07515 mol
n(CO) = 32/28,01 = 1,142 mol

Reagente limitante

0,07515/1 = 0,07515, 1,142/3 = 0,3808 → Fe2O3

Massa de produto

n(CO2) = 0,07515·3 = 0,2254 mol
m = 0,2254·44,01 = 9,921 g

Resposta

m = 9,921 g
8.Estequiometria

Resposta: Y = 75 %

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

Rendimento teórico

n(H2) = 16/2,016 = 7,937 mol
m = 7,937·2/2·18,02 = 143 g

Rendimento percentual

Y = 107,3/143·100 = 75%

Resposta

Y = 75%
9.Equilíbrio químico

Resposta: [H2] = 0,2139 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

54 = (2x)²/(1 − x)²

Tire a raiz quadrada

7,348 = 2x/(1 − x) → x = 1·7,348/(2 + 7,348) = 0,7861 mol/L

Concentração no equilíbrio

[H₂] = 1 − x = 0,2139 mol/L

Resposta

[H2] = 0,2139 mol/L
10.Equilíbrio químico

Resposta: [PCl5] = 0,4341 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

0,01 = x²/(0,5 − x) → x² + 0,01·x − 0,005 = 0

Resolva a equação do segundo grau

x = (−0,01 + √(0,01² + 4·0,005))/2 = 0,06589 mol/L

Concentração no equilíbrio

[PCl₅] = 0,5 − 0,06589 = 0,4341 mol/L

Resposta

[PCl5] = 0,4341 mol/L
11.Calorimetria e entalpia

Resposta: Tf = 19,16 °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

150·0,388·(110 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 16)

Isole a temperatura final

Tf = (58,2·110 + 1672·16)/(58,2 + 1672) = 19,16 °C

Resposta

Tf = 19,16 °C
12.Calorimetria e entalpia

Resposta: ΔH° = −1367 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° = [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: CA = 0,1667 mol/L

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).

Lei integrada de segunda ordem

1/CA = 1/CA0 + kt = 1 + 0,25·20 = 6 L/mol
CA = 1/6 = 0,1667 mol/L

Resposta

CA = 0,1667 mol/L
14.Cinética química

Resposta: Ea = 80,05 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 = 323,1 K

Resolva Arrhenius para Ea

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·1,966/(-2,042e-4) = 80050 J/mol
Ea = 80,05 kJ/mol

Resposta

Ea = 80,05 kJ/mol
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: VCSTR/VPFR = 1,938

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.

k·τ para cada reator

CSTR: k·τ = X/(1 − X) = 0,7/0,3 = 2,333
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(3,333) = 1,204

Razão de volumes

VCSTR/VPFR = 2,333/1,204 = 1,938

Resposta

VCSTR/VPFR = 1,938

A diferença cresce rapidamente em conversões altas.

16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: X = 45,12 %

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 = 200/50 = 4 min, kτ = 0,15·4 = 0,6

Conversão

X = 1 − e−kτ = 1 − e−0,6 = 45,12%

Resposta

X = 45,12%
17.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 2,263 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.

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 = Th,in − Tc,out = 120 − 55 = 65 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 45 − 20 = 25 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (65 − 25)/ln(65/25) = 41,86 K

Área

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 90000/(1000·0,95·41,86) = 2,263 m²

Resposta

A = 2,263 m²
18.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 2,955 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) = 1,5·2,5·50 = 187,5 kW
Tc,out = 15 + 187,5/(2·4,18) = 37,43 °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 = 95 − 37,43 = 57,57 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 45 − 15 = 30 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (57,57 − 30)/ln(57,57/30) = 42,3 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 187500/(1500·42,3) = 2,955 m²

Resposta

A = 2,955 m²
19.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 318,4 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) = (200/1000)/(0,96·10) = 0,02083 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,17·10) = 0,02941 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 16/0,05025 = 318,4 W

Resposta

Q̇ = 318,4 W
20.Condução de calor

Resposta: Ts = 16,07 °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/(10·20) = 0,005 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,17·20) = 0,01471 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,72·20) = 0,01042 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·20) = 0,001667 K/W
ΣR = 0,03179 K/W

Perda de calor

Q̇ = (20 − (-5))/0,03179 = 786,4 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 20 − 786,4·0,005 = 16,07 °C

Resposta

Ts = 16,07 °C
21.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: hf = 3,596 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.

Carga cinética

V²/(2g) = 1,4²/(2·9,81) = 0,0999 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,018·(400/0,2)·1,4²/(2·9,81) = 3,596 m

Resposta

hf = 3,596 m
22.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: Δz = 17,92 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 = 0,025/0,007854 = 3,183 m/s
V²/(2g) = 0,5164 m

Coeficientes de perda

f·L/D = 0,015·200/0,1 = 30
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 2 + 1,0 = 4,7

Perda de carga total

hf = 30·0,5164 = 15,49 m
hm = 4,7·0,5164 = 2,427 m
Δz = hf + hm = 17,92 m

Resposta

Δz = 17,92 m
23.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pel = 208,7 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 = 1000·9,81·0,15·80 = 117,7 kW

Potência no eixo

Pshaft = 117,7/0,6 = 196,2 kW

Potência elétrica

Pel = 196,2/0,94 = 208,7 kW

Resposta

Pel = 208,7 kW
24.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pshaft = 11,22 kW

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

Velocidade

V = Q/A = 0,02/0,007854 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Perdas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (44 + 8)·0,3305 = 17,19 m

Altura manométrica da bomba

H = Δz + hL = 24 + 17,19 = 41,19 m

Potência no eixo

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,02·41,19/0,72 = 11,22 kW

Resposta

Pshaft = 11,22 kW

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