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 · 40% salCorrente 2ṁ₂ = ? · 10% salProduto15% sal

Quanto da corrente 2 deve ser adicionado por hora à corrente 1 para que o produto da mistura contenha 15% de sal? Encontre ṁ2.

ṁ1 = 650 kg/hx1 = 40 %x2 = 10 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F1500 kg/h · 8% açúcarProduto PP = ? · 30%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 = 1500 kg/hxF = 8 %xP = 30 %
P = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado frioetanol · 170 °C90 °Cágua · 20 °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 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 170 → 90 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado frioóleo leve · 130 °C90 °Cágua · 25 °C40 °C · ṁ = ?10% perdido

óleo leve 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 = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 130 → 90 °Ct: 25 → 40 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 10 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
330 g de N₂P = 750 kPaT = 65 °CV = ?

Que volume V ocupam 330 g de N₂ a 750 kPa e 65 °C? Trate como gás ideal.

m = 330 gM = 28,01 g/molP = 750 kPaT = 65 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Lei dos gases ideaisDifícil
Estado 1Estado 2

Uma quantidade fixa de N₂ passa de 300 kPa, 2 L, 30 °C para 100 kPa e 80 °C. Encontre o novo volume V2.

P1 = 300 kPaV1 = 2 LT1 = 30 °CP2 = 100 kPaT2 = 80 °C
V2 = L
7.EstequiometriaMédia
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 3/ν× M(CO2​)

24 g de Fe2O3 e 16 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(Fe2​O3​)n(Fe2​O3​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(Fe2​O3​)× 3/1× M(CO2​)

Na reação Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2, 16 g de Fe2O3 reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 9,26 g de CO2. Calcule o rendimento percentual Y.

M(Fe2O3) = 159,69 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreal: 9,26 g
Y = %
9.Equilíbrio químicoMédia
H2​I2​HII0,10,10C−x−x+2xE0,1 − x0,1 − x2x

0,1 mol/L de H₂ e 0,1 mol/L de I₂ são colocados em um recipiente e reagem: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, com Kc = 9. Calcule a concentração no equilíbrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,1 mol/LKc = 9
[HI] = mol/L
10.Equilíbrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,200C−x+x+xE0,2 − xxx

O PCl₅ se decompõe: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, com Kc = 0,08 na temperatura da reação. Um recipiente começa apenas com 0,2 mol/L de PCl₅. Calcule a concentração no equilíbrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,2 mol/LKc = 0,08
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria e entalpiaMédia
Tf​ = ?Cobrem = 150 gT = 130 °Cc = 0,385 J/(g·°C)Águam = 100 gT = 19 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Um bloco de 150 g de cobre (c = 0,385 J/(g·°C)) a 130 °C é colocado em 100 g de água (c = 4,18 J/(g·°C)) a 19 °C em um copo isolado. Calcule a temperatura final Tf.

mmetal = 150 gcmetal = 0,385 J/(g·°C)Tmetal = 130 °Cmwater = 100 gTwater = 19 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria e entalpiaDifícil
H10 g C3​H8​C3​H8​ + 5O₂reagentes3CO₂ + 4H₂O(l)produtosq = ?

Use as entalpias padrão de formação para calcular o calor q liberado quando 10 g de C3H8 (M = 44,1 g/mol) queimam completamente: C3H8 + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O(l). Dê q como um número positivo.

ΔH°f(C3H8) = −103,8 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)X (%)t = ?95%

Uma reação de primeira ordem em um reator batelada tem k = 0,2 min⁻¹. Quanto tempo leva para chegar a 95% de conversão? Encontre t.

k = 0,2 min⁻¹X = 95 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk30 °C0,160 °C?

Uma reação tem constante de velocidade de 0,1 min⁻¹ a 30 °C e energia de ativação de 40 kJ/mol. Encontre a constante de velocidade k2 a 60 °C.

k1 = 0,1 min⁻¹T1 = 30 °CT2 = 60 °CEa = 40 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
Q = 25 L/minCA0​ = 0,5 mol/LCA​ = ?V = 250 L, k = 0,3 min⁻¹

Uma reação de primeira ordem em fase líquida A → B (k = 0,3 min⁻¹) ocorre em um reator de escoamento tubular (PFR) de 250 L. A alimentação entra a 25 L/min com CA0 = 0,5 mol/L. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre a concentração de saída CA.

V = 250 LQ = 25 L/mink = 0,3 min⁻¹CA0 = 0,5 mol/L
CA = mol/L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil
Q = 10 L/minX = ?V = 50 L

Uma reação de primeira ordem em fase líquida (k = 0,5 min⁻¹) ocorre em um reator de escoamento tubular (PFR) de 50 L alimentado a 10 L/min. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre a conversão X em porcentagem.

V = 50 LQ = 10 L/mink = 0,5 min⁻¹
X = %
17.Trocadores de calor (LMTD)Média
comprimentoT105 °C45 °C60 °C25 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Um trocador de calor em contracorrente transfere 250 kW. O fluido quente esfria de 105 para 45 °C e o fluido frio aquece de 25 para 60 °C. O coeficiente global de transferência de calor é 1000 W/(m²·K). Encontre a área de troca térmica A necessária.

Q̇ = 250 kWU = 1000 W/(m²·K)Th: 105 → 45 °CTc: 25 → 60 °C
A = m²
18.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
comprimentoT130 °C65 °C?15 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Em um trocador de calor de tubo duplo em contracorrente, óleo quente (0,5 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) escoa no tubo interno e esfria de 130 para 65 °C. Água (0,3 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) no espaço anular entra a 15 °C. O tubo interno tem diâmetro de 25 mm, e U = 300 W/(m²·K) se baseia nesse diâmetro. Encontre o comprimento de tubo L necessário.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 130 → 65 °Cṁc = 0,3 kg/sTc,in = 15 °CD = 25 mmU = 300 W/(m²·K)
L = m
19.Condução de calorMédia
Placa de gesso, k = 0,17250 mmVidro, k = 0,9650 mm23 °C4 °CQ̇ = ?

Uma parede é feita de 250 mm de placa de gesso e 50 mm de vidro, com área de 8 m². As faces externas estão a 23 °C e 4 °C. Encontre o fluxo de calor Q̇ pela parede.

L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 23 °CT3 = 4 °C
Q̇ = W
20.Condução de calorDifícil
Lã mineral, k = 0,04250 mmPoliestireno expandido, k = 0,03550 mmambiente 22 °Cexterior 5 °CQ̇

Uma parede de 250 mm lã mineral e 50 mm poliestireno expandido separa um ambiente a 22 °C do ar externo a 5 °C. Os coeficientes de convecção são 6 W/(m²·K) por dentro e 30 W/(m²·K) por fora, e a área da parede é 20 m². Encontre o coeficiente global de transferência de calor U da parede.

L1 = 250 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 20 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = 5 °C
U = W/(m²·K)
21.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia
V = 1,2 m/sD = 250 mmL = 1000 mf = 0,022

Água escoa com velocidade média de 1,2 m/s em uma tubulação de 1000 m de comprimento com diâmetro interno de 250 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.

V = 1,2 m/sL = 1000 mD = 250 mmf = 0,022g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Atrito em tubulações e perda de cargaDifícil
K = 10saída livreH = ?L = 100 m, D = 100 mm, f = 0,022× curva (K = 0,3)

Uma tubulação de 100 m de comprimento com diâmetro interno de 100 mm (fator de atrito de Darcy f = 0,02) sai de um reservatório aberto e descarrega como jato livre no ar. As perdas localizadas são uma entrada de cantos vivos (K = 0,5), 2 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 25 L/s?

Q = 25 L/sL = 100 mD = 100 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 10
H = m
23.Bombas e potência de bombasMédia
PQ = 150 L/sH = 28 m

Em um ensaio, uma bomba fornece 150 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) contra uma altura manométrica de 28 m enquanto seu eixo absorve 58,9 kW. Use g = 9,81 m/s². Encontre o rendimento da bomba η em porcentagem.

Q = 150 L/sH = 28 mPshaft = 58,9 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Bombas e potência de bombasDifícil
300 kPa (manométrica)PQ = 120 L/sΔz = 21 mL = 200 m, D = 250 mm, f = 0,015, ΣK = 5

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 21 m mais alta. A tubulação tem 200 m de comprimento, diâmetro interno de 250 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,015; os coeficientes de perda localizada somam ΣK = 5 (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 = 120 L/sΔz = 21 mL = 200 mD = 250 mmf = 0,015ΣK = 5ptank = 300 kPa
H = m

3Soluções

1.Balanço de massa

Resposta: ṁ2 = 3250 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
sal: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Resolva para ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 650·(40 − 15)/(15 − 10) = 3250 kg/h

Resposta

ṁ2 = 3250 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: P = 400 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 = 1500·8/30 = 400 kg/h

Resposta

P = 400 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 35,57 °C

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

Calor liberado pela corrente quente

Q = 1·2,44·(170 − 90) = 195,2 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 195,2/(3·4,18) = 35,57 °C

Resposta

tout = 35,57 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 2,411 kg/s

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

Calor liberado

Qh = 2·2,1·(130 − 90) = 168 kW

Calor que chega à água

Qc = (1 − 0,1)·168 = 151,2 kW

Vazão de água

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 151,2/(4,18·15) = 2,411 kg/s

Resposta

ṁc = 2,411 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: V = 44,16 L

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

Mols

n = 330/28,01 = 11,78 mol
T = 65 + 273,15 = 338,1 K

Volume

V = nRT/P = 11,78·8,314·338,1/750 = 44,16 L

Resposta

V = 44,16 L
6.Lei dos gases ideais

Resposta: V2 = 6,99 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 303,1 K, T2 = 353,1 K

Lei geral dos gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(300/100)·(353,1/303,1) = 6,99 L

Resposta

V2 = 6,99 L
7.Estequiometria

Resposta: m = 19,84 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) = 24/159,69 = 0,1503 mol
n(CO) = 16/28,01 = 0,5712 mol

Reagente limitante

0,1503/1 = 0,1503, 0,5712/3 = 0,1904 → Fe2O3

Massa de produto

n(CO2) = 0,1503·3 = 0,4509 mol
m = 0,4509·44,01 = 19,84 g

Resposta

m = 19,84 g
8.Estequiometria

Resposta: Y = 70 %

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

Rendimento teórico

n(Fe2O3) = 16/159,69 = 0,1002 mol
m = 0,1002·3/1·44,01 = 13,23 g

Rendimento percentual

Y = 9,26/13,23·100 = 70%

Resposta

Y = 70%
9.Equilíbrio químico

Resposta: [HI] = 0,12 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

9 = (2x)²/(0,1 − x)²

Tire a raiz quadrada

3 = 2x/(0,1 − x) → x = 0,1·3/(2 + 3) = 0,06 mol/L

Concentração no equilíbrio

[HI] = 2x = 0,12 mol/L

Resposta

[HI] = 0,12 mol/L
10.Equilíbrio químico

Resposta: [PCl5] = 0,1073 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

0,08 = x²/(0,2 − x) → x² + 0,08·x − 0,016 = 0

Resolva a equação do segundo grau

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,016))/2 = 0,09266 mol/L

Concentração no equilíbrio

[PCl₅] = 0,2 − 0,09266 = 0,1073 mol/L

Resposta

[PCl5] = 0,1073 mol/L
11.Calorimetria e entalpia

Resposta: Tf = 32,47 °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

150·0,385·(130 − Tf) = 100·4,18·(Tf − 19)

Isole a temperatura final

Tf = (57,75·130 + 418·19)/(57,75 + 418) = 32,47 °C

Resposta

Tf = 32,47 °C
12.Calorimetria e entalpia

Resposta: q = 503,4 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° = [3·(−393,5) + 4·(−285,8)] − [1·(−103,8) + 5·0] = −2220 kJ

Calor para a massa dada

n = 10/44,1 = 0,2268 mol
q = n·|ΔH°/1| = 0,2268·2220 = 503,4 kJ

Resposta

q = 503,4 kJ
13.Cinética química

Resposta: t = 14,98 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 = 0,05

Resolva para o tempo

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,05)/0,2 = 14,98 min

Resposta

t = 14,98 min
14.Cinética química

Resposta: k2 = 0,4175 min⁻¹

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 = 333,1 K

Razão de Arrhenius

ln(k2/k1) = −(40000/8,314)·(1/333,1 − 1/303,1) = 1,429
k2 = 0,1·e1,429 = 0,4175 min⁻¹

Resposta

k2 = 0,4175 min⁻¹
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: CA = 0,02489 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 = 250/25 = 10 min

Concentração de saída

CA = 0,5·e−0,3·10 = 0,02489 mol/L

Resposta

CA = 0,02489 mol/L

Conversão: X = 95,02%.

16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: X = 91,79 %

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 = 50/10 = 5 min, kτ = 0,5·5 = 2,5

Conversão

X = 1 − e−kτ = 1 − e−2,5 = 91,79%

Resposta

X = 91,79%
17.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 8,109 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 = 105 − 60 = 45 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 45 − 25 = 20 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (45 − 20)/ln(45/20) = 30,83 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 250000/(1000·30,83) = 8,109 m²

Resposta

A = 8,109 m²
18.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: L = 52,55 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 = 0,5·2,1·(130 − 65) = 68,25 kW
Tc,out = 15 + 68,25/(0,3·4,18) = 69,43 °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 = 130 − 69,43 = 60,57 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 65 − 15 = 50 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (60,57 − 50)/ln(60,57/50) = 55,12 K

Área e comprimento

A = 68250/(300·55,12) = 4,127 m²
L = A/(πD) = 4,127/(π·0,025) = 52,55 m

Resposta

L = 52,55 m
19.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 99,82 W

Resistência térmica: o fluxo de calor permanente através de camadas em série se comporta como corrente em resistores em série: Q̇ = ΔT/ΣR, com R = L/(kA) para uma camada condutora e R = 1/(hA) para uma superfície com convecção. A queda de temperatura em cada camada é proporcional à sua resistência.

Resistências das camadas

R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,17·8) = 0,1838 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,96·8) = 0,00651 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 19/0,1903 = 99,82 W

Resposta

Q̇ = 99,82 W
20.Condução de calor

Resposta: U = 0,1269 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/(6·20) = 0,008333 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,04·20) = 0,3125 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,035·20) = 0,07143 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·20) = 0,001667 K/W
ΣR = 0,3939 K/W

Coeficiente global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(20·0,3939) = 0,1269 W/(m²·K)

Resposta

U = 0,1269 W/(m²·K)
21.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: hf = 6,459 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) = 1,2²/(2·9,81) = 0,07339 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,022·(1000/0,25)·1,2²/(2·9,81) = 6,459 m

Resposta

hf = 6,459 m
22.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: H = 16,58 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 = 0,02·100/0,1 = 20
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 10 = 11,1

Equação da energia

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

H = (1 + 20 + 11,1)·0,5164 = 16,58 m

Resposta

H = 16,58 m
23.Bombas e potência de bombas

Resposta: η = 69,95 %

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 = 1000·9,81·0,15·28 = 41,2 kW

Rendimento

η = Ph/Pshaft = 41,2/58,9 = 69,95%

Resposta

η = 69,95%
24.Bombas e potência de bombas

Resposta: H = 56,76 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) = (12 + 5)·0,3046 = 5,178 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 = 21 + 30,58 + 5,178 = 56,76 m

Resposta

H = 56,76 m

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