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 1650 kg/h · 15% açúcarCorrente 2ṁ₂ = ? · 40% açúcarProduto30% açúcar

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

ṁ1 = 650 kg/hx1 = 15 %x2 = 40 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F4400 kg/h · 12% salProduto P50% salVapor W (água pura)W = ? kg/h

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

F = 4400 kg/hxF = 12 %xP = 50 %
W = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado friomistura de glicol · 150 °C80 °Cágua · 20 °Ct = ? °C

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

ṁh = 2 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 150 → 80 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado friomistura de glicol · 120 °C80 °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 = 2 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 120 → 80 °Ct: 25 → 70 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 15 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
300 g de HeP = 550 kPaT = 30 °CV = ?

Que volume V ocupam 300 g de He a 550 kPa e 30 °C? Trate como gás ideal.

m = 300 gM = 4,003 g/molP = 550 kPaT = 30 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Lei dos gases ideaisDifícil
Estado 1Estado 2

Uma quantidade fixa de CO₂ passa de 250 kPa, 5 L, 35 °C para 150 kPa e 110 °C. Encontre o novo volume V2.

P1 = 250 kPaV1 = 5 LT1 = 35 °CP2 = 150 kPaT2 = 110 °C
V2 = L
7.EstequiometriaMédia
m(X)n(X)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(X)× 2/ν× M(NH3​)

8 g de N2 e 80 g de H2 reagem segundo N2 + 3H2 → 2NH3. Que massa m de NH3 se pode formar?

M(N2) = 28,02M(H2) = 2,016M(NH3) = 17,03 g/mol
m = g
8.EstequiometriaDifícil
m(Mg)n(Mg)n(MgO)m(MgO)÷ M(Mg)× 2/2× M(MgO)

Na reação 2Mg + O2 → 2MgO, 10 g de Mg reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 9,12 g de MgO. Calcule o rendimento percentual Y.

M(Mg) = 24,31 g/molM(MgO) = 40,3 g/molreal: 9,12 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 = 49. Calcule a concentração no equilíbrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,5 mol/LKc = 49
[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 = 0,01 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 = 0,01
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria e entalpiaMédia
Tf​ = ?Zincom = 75 gT = 100 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Águam = 250 gT = 18 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Um bloco de 75 g de zinco (c = 0,388 J/(g·°C)) a 100 °C é colocado em 250 g de água (c = 4,18 J/(g·°C)) a 18 °C em um copo isolado. Calcule a temperatura final Tf.

mmetal = 75 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 100 °Cmwater = 250 gTwater = 18 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria e entalpiaDifícil
H20 g CH3​OH2CH3​OH + 3O₂reagentes2CO₂ + 4H₂O(l)produtosq = ?

Use as entalpias padrão de formação para calcular o calor q liberado quando 20 g de CH3OH (M = 32,04 g/mol) queimam completamente: 2CH3OH + 3O₂ → 2CO₂ + 4H₂O(l). Dê q como um número positivo.

ΔH°f(CH3OH) = −238,7 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)40 min0,36

Em uma reação de primeira ordem a concentração de A cai de 1,2 mol/L para 0,36 mol/L em 40 min. Encontre a constante de velocidade k.

CA0 = 1,2 mol/LCA = 0,36 mol/Lt = 40 min
k = min⁻¹
14.Cinética químicaDifícil
t (min)X (%)45 minX = ?

Uma reação de primeira ordem tem k = 0,005 min⁻¹ a 25 °C e energia de ativação de 80 kJ/mol. O reator batelada agora opera a 40 °C por 45 min. Encontre a conversão X atingida.

k1 = 0,005 min⁻¹T1 = 25 °CEa = 80 kJ/molT2 = 40 °Ct = 45 minR = 8,314 J/(mol·K)
X = %
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
Q = 80 L/minCA0​ = 2,5 mol/LCA​ = ?V = 1500 L, k = 0,2 min⁻¹

Uma reação de primeira ordem em fase líquida A → B (k = 0,2 min⁻¹) ocorre em um reator de escoamento tubular (PFR) de 1500 L. A alimentação entra a 80 L/min com CA0 = 2,5 mol/L. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre a concentração de saída CA.

V = 1500 LQ = 80 L/mink = 0,2 min⁻¹CA0 = 2,5 mol/L
CA = mol/L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil
V = 50 LQ = 80 L/minX = ?

Uma reação de primeira ordem em fase líquida (k = 0,4 min⁻¹) ocorre em um CSTR de 50 L alimentado a 80 L/min. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre a conversão X em porcentagem.

V = 50 LQ = 80 L/mink = 0,4 min⁻¹
X = %
17.Trocadores de calor (LMTD)Média
comprimentoT90 °C25 °C60 °C10 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Um trocador de calor em contracorrente transfere 30 kW. O fluido quente esfria de 90 para 25 °C e o fluido frio aquece de 10 para 60 °C. O coeficiente global de transferência de calor é 1500 W/(m²·K). Encontre a área de troca térmica A necessária.

Q̇ = 30 kWU = 1500 W/(m²·K)Th: 90 → 25 °CTc: 10 → 60 °C
A = m²
18.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
comprimentoT125 °C80 °C?20 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Em um trocador de calor de tubo duplo em contracorrente, óleo quente (0,2 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) escoa no tubo interno e esfria de 125 para 80 °C. Água (1 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) no espaço anular entra a 20 °C. O tubo interno tem diâmetro de 25 mm, e U = 250 W/(m²·K) se baseia nesse diâmetro. Encontre o comprimento de tubo L necessário.

ṁh = 0,2 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 125 → 80 °Cṁc = 1 kg/sTc,in = 20 °CD = 25 mmU = 250 W/(m²·K)
L = m
19.Condução de calorMédia
Concreto, k = 1,4200 mmPoliestireno expandido, k = 0,03525 mm18 °C-3 °CQ̇ = ?

Uma parede é feita de 200 mm de concreto e 25 mm de poliestireno expandido, com área de 20 m². As faces externas estão a 18 °C e -3 °C. Encontre o fluxo de calor Q̇ pela parede.

L1 = 200 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 20 m²T1 = 18 °CT3 = -3 °C
Q̇ = W
20.Condução de calorDifícil
Concreto, k = 1,450 mmTijolo, k = 0,72150 mmambiente 20 °Cexterior 4 °CQ̇

Uma parede de 50 mm concreto e 150 mm tijolo separa um ambiente a 20 °C do ar externo a 4 °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 o coeficiente global de transferência de calor U da parede.

L1 = 50 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 15 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = 4 °C
U = W/(m²·K)
21.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia
V = 2,3 m/sD = 75 mmL = 150 mf = 0,025

Água (ρ = 1000 kg/m³) escoa a 2,3 m/s em uma tubulação horizontal de 150 m de comprimento e diâmetro interno de 75 mm. Use o fator de atrito de Darcy f = 0,025 e g = 9,81 m/s². Encontre a queda de pressão Δp ao longo da tubulação em kPa.

V = 2,3 m/sL = 150 mD = 75 mmf = 0,025ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Atrito em tubulações e perda de cargaDifícil
K = 0,2Δz = 8 mL = 100 m, D = 300 mm, f = 0,0182× curva (K = 0,3)

Dois reservatórios abertos estão ligados por uma tubulação de 100 m de comprimento com diâmetro interno de 300 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,018. A superfície da água do reservatório superior está 8 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 = 0,2) e a saída no reservatório inferior (K = 1,0). Use g = 9,81 m/s². Encontre a vazão Q em L/s.

Δz = 8 mL = 100 mD = 300 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 0,2Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Bombas e potência de bombasMédia
PQ = 30 L/sH = 78 m

Uma bomba com rendimento de 72% fornece 30 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) contra uma altura manométrica de 78 m. Use g = 9,81 m/s². Encontre a potência no eixo Pshaft necessária, em kW.

Q = 30 L/sH = 78 mη = 72%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Bombas e potência de bombasDifícil
300 kPa (manométrica)PQ = 50 L/sΔz = 12 mL = 150 m, D = 150 mm, f = 0,025, ΣK = 3

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 12 m mais alta. A tubulação tem 150 m de comprimento, diâmetro interno de 150 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,025; os coeficientes de perda localizada somam ΣK = 3 (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 = 50 L/sΔz = 12 mL = 150 mD = 150 mmf = 0,025ΣK = 3ptank = 300 kPa
H = m

3Soluções

1.Balanço de massa

Resposta: ṁ2 = 975 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) = 650·(15 − 30)/(30 − 40) = 975 kg/h

Resposta

ṁ2 = 975 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: W = 3344 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 = 4400·12/50 = 1056 kg/h

Balanço total

W = F − P = 4400 − 1056 = 3344 kg/h

Resposta

W = 3344 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 140,6 °C

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

Calor liberado pela corrente quente

Q = 2·3,6·(150 − 80) = 504 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 504/(1·4,18) = 140,6 °C

Resposta

tout = 140,6 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 1,301 kg/s

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

Calor liberado

Qh = 2·3,6·(120 − 80) = 288 kW

Calor que chega à água

Qc = (1 − 0,15)·288 = 244,8 kW

Vazão de água

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 244,8/(4,18·45) = 1,301 kg/s

Resposta

ṁc = 1,301 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: V = 343,4 L

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

Mols

n = 300/4,003 = 74,94 mol
T = 30 + 273,15 = 303,1 K

Volume

V = nRT/P = 74,94·8,314·303,1/550 = 343,4 L

Resposta

V = 343,4 L
6.Lei dos gases ideais

Resposta: V2 = 10,36 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 308,1 K, T2 = 383,1 K

Lei geral dos gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(250/150)·(383,1/308,1) = 10,36 L

Resposta

V2 = 10,36 L
7.Estequiometria

Resposta: m = 9,724 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(N2) = 8/28,02 = 0,2855 mol
n(H2) = 80/2,016 = 39,68 mol

Reagente limitante

0,2855/1 = 0,2855, 39,68/3 = 13,23 → N2

Massa de produto

n(NH3) = 0,2855·2 = 0,571 mol
m = 0,571·17,03 = 9,724 g

Resposta

m = 9,724 g
8.Estequiometria

Resposta: Y = 55,01 %

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(Mg) = 10/24,31 = 0,4114 mol
m = 0,4114·2/2·40,3 = 16,58 g

Rendimento percentual

Y = 9,12/16,58·100 = 55,01%

Resposta

Y = 55,01%
9.Equilíbrio químico

Resposta: [HI] = 0,7778 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/(0,5 − x)²

Tire a raiz quadrada

7 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·7/(2 + 7) = 0,3889 mol/L

Concentração no equilíbrio

[HI] = 2x = 0,7778 mol/L

Resposta

[HI] = 0,7778 mol/L
10.Equilíbrio químico

Resposta: [Cl2] = 0,05844 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/(0,4 − x) → x² + 0,01·x − 0,004 = 0

Resolva a equação do segundo grau

x = (−0,01 + √(0,01² + 4·0,004))/2 = 0,05844 mol/L

Concentração no equilíbrio

[Cl₂] = x = 0,05844 mol/L

Resposta

[Cl2] = 0,05844 mol/L
11.Calorimetria e entalpia

Resposta: Tf = 20,22 °C

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

Balanço de calor

75·0,388·(100 − Tf) = 250·4,18·(Tf − 18)

Isole a temperatura final

Tf = (29,1·100 + 1045·18)/(29,1 + 1045) = 20,22 °C

Resposta

Tf = 20,22 °C
12.Calorimetria e entalpia

Resposta: q = 453,4 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) + 4·(−285,8)] − [2·(−238,7) + 3·0] = −1453 kJ

Calor para a massa dada

n = 20/32,04 = 0,6242 mol
q = n·|ΔH°/2| = 0,6242·726,4 = 453,4 kJ

Resposta

q = 453,4 kJ
13.Cinética química

Resposta: k = 0,0301 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(1,2/0,36)/40 = 1,204/40 = 0,0301 min⁻¹

Resposta

k = 0,0301 min⁻¹
14.Cinética química

Resposta: X = 65,21 %

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).

Constante de velocidade na nova temperatura

T1 = 298,1 K, T2 = 313,1 K
k2 = 0,005·e−(80000/8,314)·(1/313,1 − 1/298,1) = 0,02346 min⁻¹

Conversão

X = 1 − e−0,02346·45 = 1 − 0,3479 = 65,21 %

Resposta

X = 65,21 %
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: CA = 0,05879 mol/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 = V/Q = 1500/80 = 18,75 min

Concentração de saída

CA = 2,5·e−0,2·18,75 = 0,05879 mol/L

Resposta

CA = 0,05879 mol/L

Conversão: X = 97,65%.

16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: X = 20 %

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 = 50/80 = 0,625 min, kτ = 0,4·0,625 = 0,25

Conversão

X = kτ/(1 + kτ) = 0,25/(1 + 0,25) = 20%

Resposta

X = 20%
17.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 0,9242 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 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 = 90 − 60 = 30 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 25 − 10 = 15 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (30 − 15)/ln(30/15) = 21,64 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 30000/(1500·21,64) = 0,9242 m²

Resposta

A = 0,9242 m²
18.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: L = 12,26 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 = 0,2·2,1·(125 − 80) = 18,9 kW
Tc,out = 20 + 18,9/(1·4,18) = 24,52 °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 = 125 − 24,52 = 100,5 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 80 − 20 = 60 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (100,5 − 60)/ln(100,5/60) = 78,51 K

Área e comprimento

A = 18900/(250·78,51) = 0,963 m²
L = A/(πD) = 0,963/(π·0,025) = 12,26 m

Resposta

L = 12,26 m
19.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 490 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)/(1,4·20) = 0,007143 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,035·20) = 0,03571 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 21/0,04286 = 490 W

Resposta

Q̇ = 490 W
20.Condução de calor

Resposta: U = 2,171 W/(m²·K)

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) = (50/1000)/(1,4·15) = 0,002381 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,72·15) = 0,01389 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·15) = 0,003333 K/W
ΣR = 0,03071 K/W

Coeficiente global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(15·0,03071) = 2,171 W/(m²·K)

Resposta

U = 2,171 W/(m²·K)
21.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: Δp = 132,2 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) = 0,025·(150/0,075)·2,3²/(2·9,81) = 13,48 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 = 1000·9,81·13,48 = 132250 Pa = 132,2 kPa

Resposta

Δp = 132,2 kPa
22.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: Q = 307,4 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 = 0,018·100/0,3 = 6
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 0,2 + 1,0 = 2,3

Equação da energia

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

8 = (6 + 2,3)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·8/8,3) = 4,349 m/s

Vazão

Q = V·π·D²/4 = 4,349·0,07069 = 0,3074 m³/s = 307,4 L/s

Resposta

Q = 307,4 L/s
23.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pshaft = 31,88 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 = 1000·9,81·0,03·78 = 22,96 kW

Potência no eixo

Pshaft = Ph/η = 22,96/0,72 = 31,88 kW

Resposta

Pshaft = 31,88 kW
24.Bombas e potência de bombas

Resposta: H = 54,01 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) = (25 + 3)·0,408 = 11,42 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 = 12 + 30,58 + 11,42 = 54,01 m

Resposta

H = 54,01 m

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