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 1500 kg/h · 15% NaOHCorrente 2ṁ₂ = ? · 35% NaOHProduto30% NaOH

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

ṁ1 = 500 kg/hx1 = 15 %x2 = 35 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F2100 kg/h · 19% açúcarProduto PP = ? · 50%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 = 2100 kg/hxF = 19 %xP = 50 %
P = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado frioóleo leve · 180 °C100 °Cágua · 10 °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 = 2,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 180 → 100 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado frioetanol · 130 °C80 °Cágua · 30 °C75 °C · ṁ = ?5% perdido

etanol 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 = 3 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 130 → 80 °Ct: 30 → 75 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 5 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
170 g de CH₄P = 100 kPaT = 25 °CV = ?

Que volume V ocupam 170 g de CH₄ a 100 kPa e 25 °C? Trate como gás ideal.

m = 170 gM = 16,04 g/molP = 100 kPaT = 25 °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, 10 L, 10 °C para 400 kPa e 160 °C. Encontre o novo volume V2.

P1 = 250 kPaV1 = 10 LT1 = 10 °CP2 = 400 kPaT2 = 160 °C
V2 = L
7.EstequiometriaMédia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

20 g de CH4 e 80 g de O2 reagem segundo CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. Que massa m de H2O se pode formar?

M(CH4) = 16,04M(O2) = 32M(H2O) = 18,02 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, 20 g de Mg reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 20,56 g de MgO. Calcule o rendimento percentual Y.

M(Mg) = 24,31 g/molM(MgO) = 40,3 g/molreal: 20,56 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 = 25. Calcule a concentração no equilíbrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,5 mol/LKc = 25
[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 = 0,05 na temperatura da reação. Um recipiente começa apenas com 0,4 mol/L de PCl₅. Calcule a concentração no equilíbrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,4 mol/LKc = 0,05
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria e entalpiaMédia
Tf​ = ?Alumíniom = 100 gT = 130 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Águam = 300 gT = 17 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Um bloco de 100 g de alumínio (c = 0,897 J/(g·°C)) a 130 °C é colocado em 300 g de água (c = 4,18 J/(g·°C)) a 17 °C em um copo isolado. Calcule a temperatura final Tf.

mmetal = 100 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 130 °Cmwater = 300 gTwater = 17 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria e entalpiaDifícil
H2C4​H10​ + 13O₂reagentes8CO₂ + 10H₂O(l)produtosΔH° = ?

Use as entalpias padrão de formação para calcular o ΔH° da reação 2C4H10 + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O(l).

ΔH°f(C4H10) = −125,6 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 = ?80%

Uma reação de segunda ordem (−rA = k·CA²) em um reator batelada tem k = 0,1 L/(mol·min) e começa com 1 mol/L. Quanto tempo leva para atingir 80% de conversão? Encontre t.

k = 0,1 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/LX = 80 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk30 °Ck1​?4·k1​

Uma reação tem energia de ativação de 80 kJ/mol. A 30 °C ela é lenta demais. A que temperatura T2 (em °C) ela deve ser aquecida para ficar 4 vezes mais rápida?

Ea = 80 kJ/molT1 = 30 °Ck2/k1 = 4R = 8,314 J/(mol·K)
T2 = °C
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
QX = 85%mesmos Q, k e X que o CSTR

Uma reação de primeira ordem em fase líquida deve atingir 85% de conversão. Quantas vezes maior um CSTR precisa ser que um PFR para a mesma vazão de alimentação, constante de velocidade e conversão? Encontre a razão VCSTR/VPFR.

X = 85%primeira ordem, mesmos k e Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil
V = 100 LV = 100 LQ = 50 L/minX = ?

Uma reação de primeira ordem em fase líquida (k = 0,2 min⁻¹) ocorre em dois CSTRs iguais em série, cada um com 100 L. A vazão de alimentação é 50 L/min, a densidade é constante e os reatores estão em regime permanente. Encontre a conversão global X em porcentagem.

V = 100 L (×2)Q = 50 L/mink = 0,2 min⁻¹
X = %
17.Trocadores de calor (LMTD)Média
comprimentoT135 °C115 °C75 °C20 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Um trocador de calor em contracorrente transfere 150 kW. O fluido quente esfria de 135 para 115 °C e o fluido frio aquece de 20 para 75 °C. O coeficiente global de transferência de calor é 500 W/(m²·K). Encontre a área de troca térmica A necessária.

Q̇ = 150 kWU = 500 W/(m²·K)Th: 135 → 115 °CTc: 20 → 75 °C
A = m²
18.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
comprimentoT130 °C??25 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Em um trocador de calor em contracorrente as duas correntes têm a mesma taxa de capacidade térmica, ṁ·cp = 1 kW/K. A corrente quente entra a 130 °C e a corrente fria a 25 °C. O trocador tem A = 1,5 m² e U = 200 W/(m²·K). Encontre a temperatura de saída quente Th,out.

Ch = Cc = 1 kW/KTh,in = 130 °CTc,in = 25 °CA = 1,5 m²U = 200 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.Condução de calorMédia
Placa de gesso, k = 0,1750 mmLã mineral, k = 0,0450 mm23 °C-4 °CQ̇ = ?

Uma parede é feita de 50 mm de placa de gesso e 50 mm de lã mineral, com área de 20 m². As faces externas estão a 23 °C e -4 °C. Encontre o fluxo de calor Q̇ pela parede.

L1 = 50 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 20 m²T1 = 23 °CT3 = -4 °C
Q̇ = W
20.Condução de calorDifícil
Placa de gesso, k = 0,17200 mmPoliestireno expandido, k = 0,03575 mmambiente 21 °Cexterior -10 °CQ̇

Uma parede de 200 mm placa de gesso e 75 mm poliestireno expandido separa um ambiente a 21 °C do ar externo a -10 °C. Os coeficientes de convecção são 7,7 W/(m²·K) por dentro e 25 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 = 200 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 12 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -10 °C
U = W/(m²·K)
21.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia
Q = 20 L/sD = 200 mmL = 500 mf = 0,025

Água escoa a 20 L/s em uma tubulação de 500 m de comprimento com diâmetro interno de 200 mm. Use o fator de atrito de Darcy f = 0,025 e g = 9,81 m/s². Encontre a perda de carga por atrito hf.

Q = 20 L/sL = 500 mD = 200 mmf = 0,025g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Atrito em tubulações e perda de cargaDifícil
K = 2Δz = 5 mL = 150 m, D = 200 mm, f = 0,0154× curva (K = 0,3)

Dois reservatórios abertos estão ligados por uma tubulação de 150 m de comprimento com diâmetro interno de 200 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,015. A superfície da água do reservatório superior está 5 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 = 2) e a saída no reservatório inferior (K = 1,0). Use g = 9,81 m/s². Encontre a vazão Q em L/s.

Δz = 5 mL = 150 mD = 200 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Q = L/s
23.Bombas e potência de bombasMédia
PQ = 25 L/sH = 28 m

Uma bomba com rendimento de 70% fornece 25 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) contra uma altura manométrica de 28 m. Use g = 9,81 m/s². Encontre a potência no eixo Pshaft necessária, em kW.

Q = 25 L/sH = 28 mη = 70%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Bombas e potência de bombasDifícil
PQ = 50 L/sΔz = 6 mL = 400 m, D = 250 mm, f = 0,02, ΣK = 8

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 6 m mais alta. A tubulação tem 400 m de comprimento, diâmetro interno de 250 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,02; os coeficientes de perda localizada somam ΣK = 8 (entrada e saída incluídas). Use g = 9,81 m/s². O rendimento da bomba é 65%. Encontre a potência no eixo Pshaft em kW.

Q = 50 L/sΔz = 6 mL = 400 mD = 250 mmf = 0,02ΣK = 8η = 65%
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
NaOH: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Resolva para ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 500·(15 − 30)/(30 − 35) = 1500 kg/h

Resposta

ṁ2 = 1500 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: P = 798 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 = 2100·19/50 = 798 kg/h

Resposta

P = 798 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 43,49 °C

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

Calor liberado pela corrente quente

Q = 2,5·2,1·(180 − 100) = 420 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 420/(3·4,18) = 43,49 °C

Resposta

tout = 43,49 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 1,848 kg/s

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

Calor liberado

Qh = 3·2,44·(130 − 80) = 366 kW

Calor que chega à água

Qc = (1 − 0,05)·366 = 347,7 kW

Vazão de água

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 347,7/(4,18·45) = 1,848 kg/s

Resposta

ṁc = 1,848 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: V = 262,7 L

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

Mols

n = 170/16,04 = 10,6 mol
T = 25 + 273,15 = 298,1 K

Volume

V = nRT/P = 10,6·8,314·298,1/100 = 262,7 L

Resposta

V = 262,7 L
6.Lei dos gases ideais

Resposta: V2 = 9,561 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 283,1 K, T2 = 433,1 K

Lei geral dos gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(250/400)·(433,1/283,1) = 9,561 L

Resposta

V2 = 9,561 L
7.Estequiometria

Resposta: m = 44,94 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(CH4) = 20/16,04 = 1,247 mol
n(O2) = 80/32 = 2,5 mol

Reagente limitante

1,247/1 = 1,247, 2,5/2 = 1,25 → CH4

Massa de produto

n(H2O) = 1,247·2 = 2,494 mol
m = 2,494·18,02 = 44,94 g

Resposta

m = 44,94 g
8.Estequiometria

Resposta: Y = 62,01 %

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) = 20/24,31 = 0,8227 mol
m = 0,8227·2/2·40,3 = 33,16 g

Rendimento percentual

Y = 20,56/33,16·100 = 62,01%

Resposta

Y = 62,01%
9.Equilíbrio químico

Resposta: [HI] = 0,7143 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

25 = (2x)²/(0,5 − x)²

Tire a raiz quadrada

5 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·5/(2 + 5) = 0,3571 mol/L

Concentração no equilíbrio

[HI] = 2x = 0,7143 mol/L

Resposta

[HI] = 0,7143 mol/L
10.Equilíbrio químico

Resposta: [PCl5] = 0,2814 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

0,05 = x²/(0,4 − x) → x² + 0,05·x − 0,02 = 0

Resolva a equação do segundo grau

x = (−0,05 + √(0,05² + 4·0,02))/2 = 0,1186 mol/L

Concentração no equilíbrio

[PCl₅] = 0,4 − 0,1186 = 0,2814 mol/L

Resposta

[PCl5] = 0,2814 mol/L
11.Calorimetria e entalpia

Resposta: Tf = 24,54 °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

100·0,897·(130 − Tf) = 300·4,18·(Tf − 17)

Isole a temperatura final

Tf = (89,7·130 + 1254·17)/(89,7 + 1254) = 24,54 °C

Resposta

Tf = 24,54 °C
12.Calorimetria e entalpia

Resposta: ΔH° = −5755 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° = [8·(−393,5) + 10·(−285,8)] − [2·(−125,6) + 13·0] = −5755 kJ

Resposta

ΔH° = −5755 kJ

Negativo: a reação libera calor (exotérmica).

13.Cinética química

Resposta: t = 40 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 − 0,8) = 0,2 mol/L

Lei integrada de segunda ordem

t = (1/CA − 1/CA0)/k = (5 − 1)/0,1 = 40 min

Resposta

t = 40 min
14.Cinética química

Resposta: T2 = 43,84 °C

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

T1 = 303,1 K

Resolva Arrhenius para T₂

1/T2 = 1/303,1 − 8,314·ln(4)/80000 = 3,299 × 10⁻³ − 1,441 × 10⁻⁴ = 3,155 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 317 K = 43,84 °C

Resposta

T2 = 43,84 °C
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: VCSTR/VPFR = 2,987

Reatores ideais, reação de primeira ordem (−rA = k·CA) em regime permanente, com tempo espacial τ = V/Q. Um CSTR é perfeitamente misturado, então todo o volume reage na baixa concentração de saída: τ = X/(k·(1 − X)) e CA = CA0/(1 + k·τ). Em um PFR cada fatia de fluido reage como um pequeno reator em batelada: τ = ln(1/(1 − X))/k e CA = CA0·e−k·τ. Para a mesma conversão, um CSTR sempre precisa de mais volume que um PFR.

k·τ para cada reator

CSTR: k·τ = X/(1 − X) = 0,85/0,15 = 5,667
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(6,667) = 1,897

Razão de volumes

VCSTR/VPFR = 5,667/1,897 = 2,987

Resposta

VCSTR/VPFR = 2,987

A diferença cresce rapidamente em conversões altas.

16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: X = 48,98 %

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 = 100/50 = 2 min, kτ = 0,2·2 = 0,4

Conversão

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 0,4) = 0,7143
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,5102
X = 1 − 0,5102 = 48,98%

Resposta

X = 48,98%
17.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 3,939 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 = 135 − 75 = 60 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 115 − 20 = 95 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (60 − 95)/ln(60/95) = 76,16 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 150000/(500·76,16) = 3,939 m²

Resposta

A = 3,939 m²
18.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: Th,out = 105,8 °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.

Diferença de temperatura constante

A saída fria fica em frente à entrada quente: Tc,out = Tc,in + (Th,in − Th,out), então ΔT₁ = Th,in − Tc,out = Th,out − Tc,in = ΔT₂.

ΔTlm = Th,out − Tc,in

Balanço de energia igual à equação de taxa

1·(130 − Th,out) = 0,3·(Th,out − 25)
Th,out = (1·130 + 0,3·25)/(1 + 0,3) = 105,8 °C

Resposta

Th,out = 105,8 °C

Calor transferido: Q̇ = 24,23 kW; a corrente fria sai a 49,23 °C.

19.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 349,7 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) = (50/1000)/(0,17·20) = 0,01471 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,04·20) = 0,0625 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 27/0,07721 = 349,7 W

Resposta

Q̇ = 349,7 W
20.Condução de calor

Resposta: U = 0,2866 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/(7,7·12) = 0,01082 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,17·12) = 0,09804 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,035·12) = 0,1786 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·12) = 0,003333 K/W
ΣR = 0,2908 K/W

Coeficiente global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(12·0,2908) = 0,2866 W/(m²·K)

Resposta

U = 0,2866 W/(m²·K)
21.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: hf = 1,291 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 média

A = π·0,2²/4 = 0,03142 m²
V = Q/A = 0,02/0,03142 = 0,6366 m/s

Carga cinética

V²/(2g) = 0,6366²/(2·9,81) = 0,02066 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,025·(500/0,2)·0,6366²/(2·9,81) = 1,291 m

Resposta

hf = 1,291 m
22.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: Q = 77,91 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 = 0,015·150/0,2 = 11,25
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 2 + 1,0 = 4,7

Equação da energia

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

5 = (11,25 + 4,7)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·5/15,95) = 2,48 m/s

Vazão

Q = V·π·D²/4 = 2,48·0,03142 = 0,07791 m³/s = 77,91 L/s

Resposta

Q = 77,91 L/s
23.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pshaft = 9,81 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 = 1000·9,81·0,025·28 = 6,867 kW

Potência no eixo

Pshaft = Ph/η = 6,867/0,7 = 9,81 kW

Resposta

Pshaft = 9,81 kW
24.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pshaft = 6,124 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 = 0,05/0,04909 = 1,019 m/s
V²/(2g) = 0,05288 m

Perdas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (32 + 8)·0,05288 = 2,115 m

Altura manométrica da bomba

H = Δz + hL = 6 + 2,115 = 8,115 m

Potência no eixo

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,05·8,115/0,65 = 6,124 kW

Resposta

Pshaft = 6,124 kW

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