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 1300 kg/h · 40% açúcarCorrente 2ṁ₂ = ? · 10% açúcarProduto15% açúcar

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

ṁ1 = 300 kg/hx1 = 40 %x2 = 10 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F4900 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 = 4900 kg/hxF = 7 %xP = 55 %
P = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado frioóleo leve · 180 °C130 °Cágua · 25 °Ct = ? °C

óleo leve 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 = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 180 → 130 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado friomistura de glicol · 170 °C140 °Cágua · 15 °C40 °C · ṁ = ?5% perdido

mistura de glicol quente aquece água em um trocador que perde para o ambiente 5% do calor liberado pela corrente quente. Encontre a vazão de água ṁc necessária.

ṁh = 1 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 170 → 140 °Ct: 15 → 40 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 5 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
60 g de N₂V = 30 LT = 70 °CP = ?

Um tanque de 30 L contém 60 g de N₂ a 70 °C. Trate como gás ideal e encontre a pressão P.

m = 60 gM = 28,01 g/molV = 30 LT = 70 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Lei dos gases ideaisDifícil
N₂, M = 28,01 g/molP = 400 kPaT = 50 °Cρ = ?

Encontre a massa específica ρ de N₂ a 400 kPa e 50 °C, tratando como gás ideal.

M = 28,01 g/molP = 400 kPaT = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.EstequiometriaMédia
m(X)n(X)n(Fe)m(Fe)÷ M(X)× 2/ν× M(Fe)

8 g de Fe2O3 e 48 g de CO reagem segundo Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2. Que massa m de Fe se pode formar?

M(Fe2O3) = 159,69M(CO) = 28,01M(Fe) = 55,85 g/mol
m = g
8.EstequiometriaDifícil
m(CH4​)n(CH4​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(CH4​)× 2/1× M(H2​O)

Na reação CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O, 24 g de CH4 reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 45,84 g de H2O. Calcule o rendimento percentual Y.

M(CH4) = 16,04 g/molM(H2O) = 18,02 g/molreal: 45,84 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 = 9. Calcule a concentração no equilíbrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 9
[H2] = mol/L
10.Equilíbrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I100C−x+x+xE1 − xxx

O PCl₅ se decompõe: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, com Kc = 0,02 na temperatura da reação. Um recipiente começa apenas com 1 mol/L de PCl₅. Calcule a concentração no equilíbrio [Cl2].

[PCl₅]₀ = 1 mol/LKc = 0,02
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria e entalpiaMédia
Tf​ = ?Chumbom = 100 gT = 180 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Águam = 300 gT = 16 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Um bloco de 100 g de chumbo (c = 0,129 J/(g·°C)) a 180 °C é colocado em 300 g de água (c = 4,18 J/(g·°C)) a 16 °C em um copo isolado. Calcule a temperatura final Tf.

mmetal = 100 gcmetal = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 180 °Cmwater = 300 gTwater = 16 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria e entalpiaDifícil
HCH4​ + 2O₂reagentesCO₂ + 2H₂O(l)produtosΔH° = ?

Use as entalpias padrão de formação para calcular o ΔH° da reação CH4 + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l).

ΔH°f(CH4) = −74,8 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)15 min0,4

Em uma reação de primeira ordem a concentração de A cai de 0,8 mol/L para 0,4 mol/L em 15 min. Encontre a constante de velocidade k.

CA0 = 0,8 mol/LCA = 0,4 mol/Lt = 15 min
k = min⁻¹
14.Cinética químicaDifícil
1/Tln kT = 100 °Cln 0,001ln A = ?Ea​ = 75 kJ/mol

Uma reação de primeira ordem tem constante de velocidade de 0,001 s⁻¹ a 100 °C e energia de ativação de 75 kJ/mol. Encontre o fator pré-exponencial A na equação de Arrhenius.

k = 0,001 s⁻¹T = 100 °CEa = 75 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
A = s⁻¹
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
Q = 100 L/minCA0​ = 1 mol/LCA​ = ?V = 50 L, k = 0,5 min⁻¹

Uma reação de primeira ordem em fase líquida A → B (k = 0,5 min⁻¹) ocorre em um reator de escoamento tubular (PFR) de 50 L. A alimentação entra a 100 L/min com CA0 = 1 mol/L. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre a concentração de saída CA.

V = 50 LQ = 100 L/mink = 0,5 min⁻¹CA0 = 1 mol/L
CA = mol/L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil
V = 400 LV = 400 LQ = 40 L/minX = ?

Uma reação de primeira ordem em fase líquida (k = 0,25 min⁻¹) ocorre em dois CSTRs iguais em série, cada um com 400 L. A vazão de alimentação é 40 L/min, a densidade é constante e os reatores estão em regime permanente. Encontre a conversão global X em porcentagem.

V = 400 L (×2)Q = 40 L/mink = 0,25 min⁻¹
X = %
17.Trocadores de calor (LMTD)Média
comprimentoT120 °C90 °C40 °C25 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Um trocador de calor em contracorrente transfere 410 kW. O fluido quente esfria de 120 para 90 °C e o fluido frio aquece de 25 para 40 °C. O coeficiente global de transferência de calor é 200 W/(m²·K). Encontre a área de troca térmica A necessária.

Q̇ = 410 kWU = 200 W/(m²·K)Th: 120 → 90 °CTc: 25 → 40 °C
A = m²
18.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
comprimentoT105 °C10 °C?ΔT₁ΔT₂vapor condensando

Vapor condensa a 105 °C constantes por fora dos tubos de um condensador com área de troca térmica de 2 m² e U = 3000 W/(m²·K). Água de resfriamento (1 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entra nos tubos a 10 °C. Encontre a temperatura de saída da água Tc,out.

Ts = 105 °CA = 2 m²U = 3000 W/(m²·K)ṁ = 1 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 10 °C
Tc,out = °C
19.Condução de calorMédia
Concreto, k = 1,4150 mmLã mineral, k = 0,0475 mm18 °C3 °CQ̇ = ?

Uma parede é feita de 150 mm de concreto e 75 mm de lã mineral, com área de 12 m². As faces externas estão a 18 °C e 3 °C. Encontre o fluxo de calor Q̇ pela parede.

L1 = 150 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 18 °CT3 = 3 °C
Q̇ = W
20.Condução de calorDifícil
Madeira, k = 0,17100 mmLã mineral, k = 0,0450 mmambiente 22 °Cexterior -3 °CQ̇

Uma parede de 100 mm madeira e 50 mm lã mineral separa um ambiente a 22 °C do ar externo a -3 °C. Os coeficientes de convecção são 10 W/(m²·K) por dentro e 20 W/(m²·K) por fora, e a área da parede é 12 m². Encontre o coeficiente global de transferência de calor U da parede.

L1 = 100 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 12 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -3 °C
U = W/(m²·K)
21.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia
V = 2,1 m/sD = 250 mmL = 800 mf = 0,02

Água (ρ = 1000 kg/m³) escoa a 2,1 m/s em uma tubulação horizontal de 800 m de comprimento e diâmetro interno de 250 mm. Use o fator de atrito de Darcy f = 0,02 e g = 9,81 m/s². Encontre a queda de pressão Δp ao longo da tubulação em kPa.

V = 2,1 m/sL = 800 mD = 250 mmf = 0,02ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Atrito em tubulações e perda de cargaDifícil
K = 2Δz = 36 mL = 100 m, D = 100 mm, f = 0,0222× curva (K = 0,3)

Dois reservatórios abertos estão ligados por uma tubulação de 100 m de comprimento com diâmetro interno de 100 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,022. A superfície da água do reservatório superior está 36 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 = 2) e a saída no reservatório inferior (K = 1,0). Use g = 9,81 m/s². Encontre a vazão Q em L/s.

Δz = 36 mL = 100 mD = 100 mmf = 0,022Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Bombas e potência de bombasMédia
PQ = 25 L/sH = 58 m

Uma bomba com rendimento de 78% fornece 25 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) contra uma altura manométrica de 58 m. Use g = 9,81 m/s². Encontre a potência no eixo Pshaft necessária, em kW.

Q = 25 L/sH = 58 mη = 78%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Bombas e potência de bombasDifícil
PQ = 20 L/sΔz = 11 mL = 200 m, D = 100 mm, f = 0,025, 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 11 m mais alta. A tubulação tem 200 m de comprimento, diâmetro interno de 100 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,025; os coeficientes de perda localizada somam ΣK = 8 (entrada e saída incluídas). Use g = 9,81 m/s². O rendimento da bomba é 70%. Encontre a potência no eixo Pshaft em kW.

Q = 20 L/sΔz = 11 mL = 200 mD = 100 mmf = 0,025ΣK = 8η = 70%
Pshaft = kW

3Soluções

1.Balanço de massa

Resposta: ṁ2 = 1500 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) = 300·(40 − 15)/(15 − 10) = 1500 kg/h

Resposta

ṁ2 = 1500 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: P = 623,6 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 = 4900·7/55 = 623,6 kg/h

Resposta

P = 623,6 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 62,68 °C

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

Calor liberado pela corrente quente

Q = 3·2,1·(180 − 130) = 315 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 315/(2·4,18) = 62,68 °C

Resposta

tout = 62,68 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 0,9818 kg/s

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

Calor liberado

Qh = 1·3,6·(170 − 140) = 108 kW

Calor que chega à água

Qc = (1 − 0,05)·108 = 102,6 kW

Vazão de água

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 102,6/(4,18·25) = 0,9818 kg/s

Resposta

ṁc = 0,9818 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: P = 203,7 kPa

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

Mols

n = m/M = 60/28,01 = 2,142 mol
T = 70 + 273,15 = 343,1 K

Pressão

P = nRT/V = 2,142·8,314·343,1/0,03 = 203,7 kPa

Resposta

P = 203,7 kPa
6.Lei dos gases ideais

Resposta: ρ = 4,17 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 = 50 + 273,15 = 323,1 K

Massa específica

ρ = 400·28,01/(8,314·323,1) = 4,17 kg/m³

Resposta

ρ = 4,17 kg/m³
7.Estequiometria

Resposta: m = 5,596 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) = 8/159,69 = 0,0501 mol
n(CO) = 48/28,01 = 1,714 mol

Reagente limitante

0,0501/1 = 0,0501, 1,714/3 = 0,5712 → Fe2O3

Massa de produto

n(Fe) = 0,0501·2 = 0,1002 mol
m = 0,1002·55,85 = 5,596 g

Resposta

m = 5,596 g
8.Estequiometria

Resposta: Y = 85,01 %

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(CH4) = 24/16,04 = 1,496 mol
m = 1,496·2/1·18,02 = 53,93 g

Rendimento percentual

Y = 45,84/53,93·100 = 85,01%

Resposta

Y = 85,01%
9.Equilíbrio químico

Resposta: [H2] = 0,4 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/(1 − x)²

Tire a raiz quadrada

3 = 2x/(1 − x) → x = 1·3/(2 + 3) = 0,6 mol/L

Concentração no equilíbrio

[H₂] = 1 − x = 0,4 mol/L

Resposta

[H2] = 0,4 mol/L
10.Equilíbrio químico

Resposta: [Cl2] = 0,1318 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

0,02 = x²/(1 − x) → x² + 0,02·x − 0,02 = 0

Resolva a equação do segundo grau

x = (−0,02 + √(0,02² + 4·0,02))/2 = 0,1318 mol/L

Concentração no equilíbrio

[Cl₂] = x = 0,1318 mol/L

Resposta

[Cl2] = 0,1318 mol/L
11.Calorimetria e entalpia

Resposta: Tf = 17,67 °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

100·0,129·(180 − Tf) = 300·4,18·(Tf − 16)

Isole a temperatura final

Tf = (12,9·180 + 1254·16)/(12,9 + 1254) = 17,67 °C

Resposta

Tf = 17,67 °C
12.Calorimetria e entalpia

Resposta: ΔH° = −890,3 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° = [1·(−393,5) + 2·(−285,8)] − [1·(−74,8) + 2·0] = −890,3 kJ

Resposta

ΔH° = −890,3 kJ

Negativo: a reação libera calor (exotérmica).

13.Cinética química

Resposta: k = 0,04621 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(0,8/0,4)/15 = 0,6931/15 = 0,04621 min⁻¹

Resposta

k = 0,04621 min⁻¹
14.Cinética química

Resposta: A = 3,156 × 10⁷ s⁻¹

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).

Temperatura absoluta

T = 100 + 273,15 = 373,1 K

Resolva Arrhenius para A

Ea/(RT) = 75000/(8,314·373,1) = 24,18
A = k·e24,18 = 0,001·3,156 × 10¹⁰ = 3,156 × 10⁷ s⁻¹

Resposta

A = 3,156 × 10⁷ s⁻¹
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: CA = 0,7788 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 = 50/100 = 0,5 min

Concentração de saída

CA = 1·e−0,5·0,5 = 0,7788 mol/L

Resposta

CA = 0,7788 mol/L

Conversão: X = 22,12%.

16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: X = 91,84 %

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 = 400/40 = 10 min, kτ = 0,25·10 = 2,5

Conversão

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 2,5) = 0,2857
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,08163
X = 1 − 0,08163 = 91,84%

Resposta

X = 91,84%
17.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 28,38 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 = 120 − 40 = 80 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 90 − 25 = 65 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (80 − 65)/ln(80/65) = 72,24 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 410000/(200·72,24) = 28,38 m²

Resposta

A = 28,38 m²
18.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: Tc,out = 82,39 °C

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.

Combine o balanço de energia e a equação de taxa

Com ΔT₁ = Ts − Tc,in e ΔT₂ = Ts − Tc,out, a diferença ΔT₁ − ΔT₂ é igual à elevação de temperatura da água, então a elevação se cancela.

ṁcp(ΔT₁ − ΔT₂) = U·A·(ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
ln(ΔT₁/ΔT₂) = U·A/(ṁcp) = 3000·2/(1·4180) = 1,435

Temperatura de saída

ΔT₂ = ΔT₁·e−1,435 = 95·0,238 = 22,61 K
Tc,out = 105 − 22,61 = 82,39 °C

Resposta

Tc,out = 82,39 °C

Calor transferido: Q̇ = 302,6 kW.

19.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 90,81 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) = (150/1000)/(1,4·12) = 0,008929 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,04·12) = 0,1563 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 15/0,1652 = 90,81 W

Resposta

Q̇ = 90,81 W
20.Condução de calor

Resposta: U = 0,503 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/(10·12) = 0,008333 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,17·12) = 0,04902 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,04·12) = 0,1042 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·12) = 0,004167 K/W
ΣR = 0,1657 K/W

Coeficiente global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(12·0,1657) = 0,503 W/(m²·K)

Resposta

U = 0,503 W/(m²·K)
21.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: Δp = 141,1 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) = 0,02·(800/0,25)·2,1²/(2·9,81) = 14,39 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 = 1000·9,81·14,39 = 141120 Pa = 141,1 kPa

Resposta

Δp = 141,1 kPa
22.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: Q = 40,86 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 = 0,022·100/0,1 = 22
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 2 + 1,0 = 4,1

Equação da energia

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

36 = (22 + 4,1)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·36/26,1) = 5,202 m/s

Vazão

Q = V·π·D²/4 = 5,202·0,007854 = 0,04086 m³/s = 40,86 L/s

Resposta

Q = 40,86 L/s
23.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pshaft = 18,24 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 = 1000·9,81·0,025·58 = 14,22 kW

Potência no eixo

Pshaft = Ph/η = 14,22/0,78 = 18,24 kW

Resposta

Pshaft = 18,24 kW
24.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pshaft = 8,456 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) = (50 + 8)·0,3305 = 19,17 m

Altura manométrica da bomba

H = Δz + hL = 11 + 19,17 = 30,17 m

Potência no eixo

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,02·30,17/0,7 = 8,456 kW

Resposta

Pshaft = 8,456 kW

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