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 1900 kg/h · 40% NaOHCorrente 2ṁ₂ = ? · 20% NaOHProduto25% NaOH

Quanto da corrente 2 deve ser adicionado por hora à corrente 1 para que o produto da mistura contenha 25% de NaOH? Encontre ṁ2.

ṁ1 = 900 kg/hx1 = 40 %x2 = 20 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F2200 kg/h · 17% salProduto P55% 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 = 2200 kg/hxF = 17 %xP = 55 %
W = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado friomistura de glicol · 160 °C130 °Cágua · 30 °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 = 3 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 160 → 130 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado friomistura de glicol · 140 °C80 °Cágua · 25 °C80 °C · ṁ = ?10% perdido

mistura de glicol 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 = 3 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 140 → 80 °Ct: 25 → 80 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 10 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
170 g de O₂P = 200 kPaT = 55 °CV = ?

Que volume V ocupam 170 g de O₂ a 200 kPa e 55 °C? Trate como gás ideal.

m = 170 gM = 32 g/molP = 200 kPaT = 55 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Lei dos gases ideaisDifícil
O₂, M = 32 g/molP = 300 kPaT = 80 °Cρ = ?

Encontre a massa específica ρ de O₂ a 300 kPa e 80 °C, tratando como gás ideal.

M = 32 g/molP = 300 kPaT = 80 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.EstequiometriaMédia
m(X)n(X)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(X)× 2/ν× M(NaCl)

24 g de Na e 16 g de Cl2 reagem segundo 2Na + Cl2 → 2NaCl. Que massa m de NaCl se pode formar?

M(Na) = 22,99M(Cl2) = 70,9M(NaCl) = 58,44 g/mol
m = g
8.EstequiometriaDifícil
m(C3​H8​)n(C3​H8​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(C3​H8​)× 3/1× M(CO2​)

Na reação C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O, 4 g de C3H8 reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 9,82 g de CO2. Calcule o rendimento percentual Y.

M(C3H8) = 44,1 g/molM(CO2) = 44,01 g/molreal: 9,82 g
Y = %
9.Equilíbrio químicoMédia
H2​I2​HII0,80,80C−x−x+2xE0,8 − x0,8 − x2x

0,8 mol/L de H₂ e 0,8 mol/L de I₂ são colocados em um recipiente e reagem: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, com Kc = 4. Calcule a concentração no equilíbrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,8 mol/LKc = 4
[HI] = mol/L
10.Equilíbrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,800C−x+x+xE0,8 − xxx

O PCl₅ se decompõe: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, com Kc = 0,08 na temperatura da reação. Um recipiente começa apenas com 0,8 mol/L de PCl₅. Calcule a concentração no equilíbrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,8 mol/LKc = 0,08
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria e entalpiaMédia
Tf​ = ?Alumíniom = 250 gT = 90 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Águam = 100 gT = 23 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Um bloco de 250 g de alumínio (c = 0,897 J/(g·°C)) a 90 °C é colocado em 100 g de água (c = 4,18 J/(g·°C)) a 23 °C em um copo isolado. Calcule a temperatura final Tf.

mmetal = 250 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 90 °Cmwater = 100 gTwater = 23 °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)X (%)t = ?60%

Uma reação de segunda ordem (−rA = k·CA²) em um reator batelada tem k = 0,2 L/(mol·min) e começa com 1 mol/L. Quanto tempo leva para atingir 60% de conversão? Encontre t.

k = 0,2 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/LX = 60 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk40 °C0,0580 °C?

Uma reação tem constante de velocidade de 0,05 min⁻¹ a 40 °C e energia de ativação de 75 kJ/mol. Encontre a constante de velocidade k2 a 80 °C.

k1 = 0,05 min⁻¹T1 = 40 °CT2 = 80 °CEa = 75 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
Q = 20 L/minX = 75%V = ?, k = 0,15 min⁻¹

Uma reação de primeira ordem em fase líquida A → B com k = 0,15 min⁻¹ é conduzida em um reator de escoamento tubular (PFR) alimentado a 20 L/min. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre o volume do reator V em litros para 75% de conversão de A.

Q = 20 L/mink = 0,15 min⁻¹X = 75%
V = L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil
Q = 40 L/minX = ?V = 200 L

Uma reação de primeira ordem em fase líquida (k = 0,1 min⁻¹) ocorre em um reator de escoamento tubular (PFR) de 200 L alimentado a 40 L/min. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre a conversão X em porcentagem.

V = 200 LQ = 40 L/mink = 0,1 min⁻¹
X = %
17.Trocadores de calor (LMTD)Média
comprimentoT170 °C50 °C40 °C15 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Um trocador de calor casco e tubos (uma passagem no casco, duas passagens nos tubos) deve transferir 440 kW. O fluido quente esfria de 170 para 50 °C e o fluido frio aquece de 15 para 40 °C. O fator de correção da MLDT para esse arranjo é F = 0,88, e U = 200 W/(m²·K). Encontre a área de troca térmica A necessária.

Q̇ = 440 kWF = 0,88U = 200 W/(m²·K)Th: 170 → 50 °CTc: 15 → 40 °C
A = m²
18.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
comprimentoT95 °C75 °C35,5 °C30 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Óleo quente (0,5 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) esfria de 95 para 75 °C em um trocador em contracorrente. Ele aquece 1 kg/s de água (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) que entra a 30 °C. Com U = 200 W/(m²·K), encontre a área de troca térmica A necessária.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 95 → 75 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 30 °CU = 200 W/(m²·K)
A = m²
19.Condução de calorMédia
Tijolo, k = 0,72100 mmConcreto, k = 1,425 mm18 °C3 °CQ̇ = ?

Uma parede é feita de 100 mm de tijolo e 25 mm de concreto, com área de 12 m². As faces externas estão a 18 °C e 3 °C. Encontre o fluxo de calor Q̇ pela parede.

L1 = 100 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 18 °CT3 = 3 °C
Q̇ = W
20.Condução de calorDifícil
Vidro, k = 0,9650 mmTijolo, k = 0,7250 mmambiente 22 °Cexterior 0 °CQ̇

Uma parede de 50 mm vidro e 50 mm tijolo separa um ambiente a 22 °C do ar externo a 0 °C. Os coeficientes de convecção são 7,7 W/(m²·K) por dentro e 20 W/(m²·K) por fora, e a área da parede é 10 m². Encontre o coeficiente global de transferência de calor U da parede.

L1 = 50 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 10 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = 0 °C
U = W/(m²·K)
21.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia
V = 2,3 m/sD = 200 mmL = 400 mf = 0,03

Água (ρ = 1000 kg/m³) escoa a 2,3 m/s em uma tubulação horizontal de 400 m de comprimento e diâmetro interno de 200 mm. Use o fator de atrito de Darcy f = 0,03 e g = 9,81 m/s². Encontre a queda de pressão Δp ao longo da tubulação em kPa.

V = 2,3 m/sL = 400 mD = 200 mmf = 0,03ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Atrito em tubulações e perda de cargaDifícil
K = 0,2Δz = 20 mL = 150 m, D = 250 mm, f = 0,0184× curva (K = 0,3)

Dois reservatórios abertos estão ligados por uma tubulação de 150 m de comprimento com diâmetro interno de 250 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,018. A superfície da água do reservatório superior está 20 m acima da do inferior. As perdas localizadas são uma entrada de cantos vivos (K = 0,5), 4 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 = 20 mL = 150 mD = 250 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 0,2Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Bombas e potência de bombasMédia
PQ = 150 L/sH = 80 m

Uma bomba com rendimento de 72% fornece 150 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) contra uma altura manométrica de 80 m. Use g = 9,81 m/s². Encontre a potência no eixo Pshaft necessária, em kW.

Q = 150 L/sH = 80 mη = 72%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Bombas e potência de bombasDifícil
PQ = 120 L/sΔz = 11 mL = 400 m, D = 250 mm, f = 0,025, 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 11 m mais alta. A tubulação tem 400 m de comprimento, diâmetro interno de 250 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,025; os coeficientes de perda localizada somam ΣK = 6 (entrada e saída incluídas). Use g = 9,81 m/s². O rendimento da bomba é 85%. Encontre a potência no eixo Pshaft em kW.

Q = 120 L/sΔz = 11 mL = 400 mD = 250 mmf = 0,025ΣK = 6η = 85%
Pshaft = kW

3Soluções

1.Balanço de massa

Resposta: ṁ2 = 2700 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) = 900·(40 − 25)/(25 − 20) = 2700 kg/h

Resposta

ṁ2 = 2700 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: W = 1520 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 = 2200·17/55 = 680 kg/h

Balanço total

W = F − P = 2200 − 680 = 1520 kg/h

Resposta

W = 1520 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 68,76 °C

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

Calor liberado pela corrente quente

Q = 3·3,6·(160 − 130) = 324 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 324/(2·4,18) = 68,76 °C

Resposta

tout = 68,76 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 2,537 kg/s

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

Calor liberado

Qh = 3·3,6·(140 − 80) = 648 kW

Calor que chega à água

Qc = (1 − 0,1)·648 = 583,2 kW

Vazão de água

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 583,2/(4,18·55) = 2,537 kg/s

Resposta

ṁc = 2,537 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: V = 72,47 L

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

Mols

n = 170/32 = 5,313 mol
T = 55 + 273,15 = 328,1 K

Volume

V = nRT/P = 5,313·8,314·328,1/200 = 72,47 L

Resposta

V = 72,47 L
6.Lei dos gases ideais

Resposta: ρ = 3,27 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 = 80 + 273,15 = 353,1 K

Massa específica

ρ = 300·32/(8,314·353,1) = 3,27 kg/m³

Resposta

ρ = 3,27 kg/m³
7.Estequiometria

Resposta: m = 26,38 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(Na) = 24/22,99 = 1,044 mol
n(Cl2) = 16/70,9 = 0,2257 mol

Reagente limitante

1,044/2 = 0,522, 0,2257/1 = 0,2257 → Cl2

Massa de produto

n(NaCl) = 0,2257·2 = 0,4513 mol
m = 0,4513·58,44 = 26,38 g

Resposta

m = 26,38 g
8.Estequiometria

Resposta: Y = 82 %

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(C3H8) = 4/44,1 = 0,0907 mol
m = 0,0907·3/1·44,01 = 11,98 g

Rendimento percentual

Y = 9,82/11,98·100 = 82%

Resposta

Y = 82%
9.Equilíbrio químico

Resposta: [HI] = 0,8 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

4 = (2x)²/(0,8 − x)²

Tire a raiz quadrada

2 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·2/(2 + 2) = 0,4 mol/L

Concentração no equilíbrio

[HI] = 2x = 0,8 mol/L

Resposta

[HI] = 0,8 mol/L
10.Equilíbrio químico

Resposta: [Cl2] = 0,2161 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/(0,8 − x) → x² + 0,08·x − 0,064 = 0

Resolva a equação do segundo grau

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,064))/2 = 0,2161 mol/L

Concentração no equilíbrio

[Cl₂] = x = 0,2161 mol/L

Resposta

[Cl2] = 0,2161 mol/L
11.Calorimetria e entalpia

Resposta: Tf = 46,39 °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

250·0,897·(90 − Tf) = 100·4,18·(Tf − 23)

Isole a temperatura final

Tf = (224,3·90 + 418·23)/(224,3 + 418) = 46,39 °C

Resposta

Tf = 46,39 °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: t = 7,5 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).

Concentração no final

CA = 1·(1 − 0,6) = 0,4 mol/L

Lei integrada de segunda ordem

t = (1/CA − 1/CA0)/k = (2,5 − 1)/0,2 = 7,5 min

Resposta

t = 7,5 min
14.Cinética química

Resposta: k2 = 1,306 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 = 313,1 K, T2 = 353,1 K

Razão de Arrhenius

ln(k2/k1) = −(75000/8,314)·(1/353,1 − 1/313,1) = 3,263
k2 = 0,05·e3,263 = 1,306 min⁻¹

Resposta

k2 = 1,306 min⁻¹
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: V = 184,8 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 − 0,75))/0,15 = 1,386/0,15 = 9,242 min

Volume

V = Q·τ = 20·9,242 = 184,8 L

Resposta

V = 184,8 L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: X = 39,35 %

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 = 200/40 = 5 min, kτ = 0,1·5 = 0,5

Conversão

X = 1 − e−kτ = 1 − e−0,5 = 39,35%

Resposta

X = 39,35%
17.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 34,53 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 = 170 − 40 = 130 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 50 − 15 = 35 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (130 − 35)/ln(130/35) = 72,4 K

Área

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 440000/(200·0,88·72,4) = 34,53 m²

Resposta

A = 34,53 m²
18.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 2,215 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) = 0,5·2,3·20 = 23 kW
Tc,out = 30 + 23/(1·4,18) = 35,5 °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 − 35,5 = 59,5 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 75 − 30 = 45 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (59,5 − 45)/ln(59,5/45) = 51,91 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 23000/(200·51,91) = 2,215 m²

Resposta

A = 2,215 m²
19.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 1148 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) = (100/1000)/(0,72·12) = 0,01157 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(1,4·12) = 0,001488 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 15/0,01306 = 1148 W

Resposta

Q̇ = 1148 W
20.Condução de calor

Resposta: U = 3,318 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/(7,7·10) = 0,01299 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,96·10) = 0,005208 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,72·10) = 0,006944 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·10) = 0,005 K/W
ΣR = 0,03014 K/W

Coeficiente global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(10·0,03014) = 3,318 W/(m²·K)

Resposta

U = 3,318 W/(m²·K)
21.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: Δp = 158,7 kPa

Escoamento em tubulações: o número de Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue o escoamento laminar (Re abaixo de cerca de 2000) do turbulento (acima de cerca de 4000). O atrito ao longo de uma tubulação custa a perda de carga de Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Conexões, válvulas, a entrada e a saída acrescentam perdas localizadas hm = ΣK·V²/(2g). Entre duas superfícies livres de reservatórios, a equação da energia dá Δz = hf + hm, incluindo a perda na saída K = 1.

Perda de carga

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(400/0,2)·2,3²/(2·9,81) = 16,18 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 = 1000·9,81·16,18 = 158700 Pa = 158,7 kPa

Resposta

Δp = 158,7 kPa
22.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: Q = 262,7 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 = 0,018·150/0,25 = 10,8
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 0,2 + 1,0 = 2,9

Equação da energia

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

20 = (10,8 + 2,9)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·20/13,7) = 5,352 m/s

Vazão

Q = V·π·D²/4 = 5,352·0,04909 = 0,2627 m³/s = 262,7 L/s

Resposta

Q = 262,7 L/s
23.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pshaft = 163,5 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 = Ph/η = 117,7/0,72 = 163,5 kW

Resposta

Pshaft = 163,5 kW
24.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pshaft = 34,64 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 = 0,12/0,04909 = 2,445 m/s
V²/(2g) = 0,3046 m

Perdas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (40 + 6)·0,3046 = 14,01 m

Altura manométrica da bomba

H = Δz + hL = 11 + 14,01 = 25,01 m

Potência no eixo

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,12·25,01/0,85 = 34,64 kW

Resposta

Pshaft = 34,64 kW

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