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 · 5% salCorrente 2ṁ₂ = ? · 30% 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 = 900 kg/hx1 = 5 %x2 = 30 %x3 = 15 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F2000 kg/h · 20% NaOHProduto PP = ? · 30%Vapor W (água pura)0% NaOH

Um evaporador concentra uma solução de NaOH evaporando água pura. Encontre a vazão de produto P em kg/h.

F = 2000 kg/hxF = 20 %xP = 30 %
P = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado frioetanol · 180 °C70 °Cágua · 25 °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 = 0,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 180 → 70 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado frioóleo leve · 180 °C140 °Cágua · 20 °C60 °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 = 2,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 180 → 140 °Ct: 20 → 60 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 10 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
500 g de N₂V = 5 LT = 10 °CP = ?

Um tanque de 5 L contém 500 g de N₂ a 10 °C. Trate como gás ideal e encontre a pressão P.

m = 500 gM = 28,01 g/molV = 5 LT = 10 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Lei dos gases ideaisDifícil
Estado 1Estado 2

Uma quantidade fixa de He passa de 250 kPa, 2 L, 15 °C para 500 kPa e 220 °C. Encontre o novo volume V2.

P1 = 250 kPaV1 = 2 LT1 = 15 °CP2 = 500 kPaT2 = 220 °C
V2 = L
7.EstequiometriaMédia
m(X)n(X)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(X)× 2/ν× M(AlCl3​)

10 g de Al e 48 g de Cl2 reagem segundo 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3. Que massa m de AlCl3 se pode formar?

M(Al) = 26,98M(Cl2) = 70,9M(AlCl3) = 133,33 g/mol
m = g
8.EstequiometriaDifícil
m(H2​)n(H2​)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(H2​)× 2/2× M(H2​O)

Na reação 2H2 + O2 → 2H2O, 10 g de H2 reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 81,34 g de H2O. Calcule o rendimento percentual Y.

M(H2) = 2,016 g/molM(H2O) = 18,02 g/molreal: 81,34 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 = 9. Calcule a concentração no equilíbrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,5 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 = 0,2 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 = 0,2
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria e entalpiaMédia
Tf​ = ?Chumbom = 250 gT = 140 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Águam = 100 gT = 21 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Um bloco de 250 g de chumbo (c = 0,129 J/(g·°C)) a 140 °C é colocado em 100 g de água (c = 4,18 J/(g·°C)) a 21 °C em um copo isolado. Calcule a temperatura final Tf.

mmetal = 250 gcmetal = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 140 °Cmwater = 100 gTwater = 21 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria e entalpiaDifícil
H20 g CH4​CH4​ + 2O₂reagentesCO₂ + 2H₂O(l)produtosq = ?

Use as entalpias padrão de formação para calcular o calor q liberado quando 20 g de CH4 (M = 16,04 g/mol) queimam completamente: CH4 + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l). Dê q como um número positivo.

ΔH°f(CH4) = −74,8 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)C (mol/L)20 minC = ?

Uma reação com lei de velocidade −rA = k·CA² tem k = 0,8 L/(mol·min) e começa em 0,5 mol/L. Encontre a concentração CA depois de 20 min.

k = 0,8 L/(mol·min)CA0 = 0,5 mol/Lt = 20 min
CA = mol/L
14.Cinética químicaDifícil
t (min)X (%)15 minX = ?

Uma reação de primeira ordem tem k = 0,02 min⁻¹ a 30 °C e energia de ativação de 70 kJ/mol. O reator batelada agora opera a 50 °C por 15 min. Encontre a conversão X atingida.

k1 = 0,02 min⁻¹T1 = 30 °CEa = 70 kJ/molT2 = 50 °Ct = 15 minR = 8,314 J/(mol·K)
X = %
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
QX = 80%mesmos Q, k e X que o CSTR

Uma reação de primeira ordem em fase líquida deve atingir 80% 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 = 80%primeira ordem, mesmos k e Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil
V = 500 LQ = 100 L/minX = ?

Uma reação de primeira ordem em fase líquida (k = 0,08 min⁻¹) ocorre em um CSTR de 500 L alimentado a 100 L/min. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre a conversão X em porcentagem.

V = 500 LQ = 100 L/mink = 0,08 min⁻¹
X = %
17.Trocadores de calor (LMTD)Média
comprimentoT160 °C145 °C40 °C15 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Um trocador de calor em contracorrente transfere 90 kW. O fluido quente esfria de 160 para 145 °C e o fluido frio aquece de 15 para 40 °C. O coeficiente global de transferência de calor é 300 W/(m²·K). Encontre a área de troca térmica A necessária.

Q̇ = 90 kWU = 300 W/(m²·K)Th: 160 → 145 °CTc: 15 → 40 °C
A = m²
18.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
comprimentoT120 °C15 °C?ΔT₁ΔT₂vapor condensando

Vapor condensa a 120 °C constantes por fora dos tubos de um condensador com área de troca térmica de 5 m² e U = 2000 W/(m²·K). Água de resfriamento (1 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entra nos tubos a 15 °C. Encontre a temperatura de saída da água Tc,out.

Ts = 120 °CA = 5 m²U = 2000 W/(m²·K)ṁ = 1 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 15 °C
Tc,out = °C
19.Condução de calorMédia
Tijolo, k = 0,72200 mmPoliestireno expandido, k = 0,035150 mm23 °C10 °CTi​ = ?Q̇

Uma parede é feita de 200 mm de tijolo e 150 mm de poliestireno expandido, com área de 20 m². As faces externas estão a 23 °C e 10 °C. Encontre a temperatura Ti na interface entre as duas camadas.

L1 = 200 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 20 m²T1 = 23 °CT3 = 10 °C
Ti = °C
20.Condução de calorDifícil
Tijolo, k = 0,72250 mmPlaca de gesso, k = 0,1750 mmambiente 20 °Cexterior 3 °CQ̇ = ?

Uma parede de 250 mm tijolo e 50 mm placa de gesso separa um ambiente a 20 °C do ar externo a 3 °C. Os coeficientes de convecção são 10 W/(m²·K) por dentro e 25 W/(m²·K) por fora, e a área da parede é 20 m². Encontre a perda de calor Q̇ pela parede.

L1 = 250 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 20 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = 3 °C
Q̇ = W
21.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia
Q = 12 L/sD = 150 mmL = 100 mf = 0,015

Água escoa a 12 L/s em uma tubulação de 100 m de comprimento com diâmetro interno de 150 mm. Use o fator de atrito de Darcy f = 0,015 e g = 9,81 m/s². Encontre a perda de carga por atrito hf.

Q = 12 L/sL = 100 mD = 150 mmf = 0,015g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Atrito em tubulações e perda de cargaDifícil
K = 2Δz = ?L = 200 m, D = 200 mm, f = 0,0152× curva (K = 0,3)

Dois reservatórios abertos estão ligados por uma tubulação de 200 m de comprimento com diâmetro interno de 200 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,015. 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. Que diferença de nível d'água Δz entre os reservatórios dá uma vazão de 50 L/s?

Q = 50 L/sL = 200 mD = 200 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Δz = m
23.Bombas e potência de bombasMédia
PQ = 100 L/sH = 42 m

Uma bomba com rendimento de 78% fornece 100 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) contra uma altura manométrica de 42 m. Use g = 9,81 m/s². Encontre a potência no eixo Pshaft necessária, em kW.

Q = 100 L/sH = 42 mη = 78%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Bombas e potência de bombasDifícil
PQ = 80 L/sΔz = 6 mL = 200 m, D = 200 mm, f = 0,02, ΣK = 6

Uma bomba transporta 80 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 200 m de comprimento, diâmetro interno de 200 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,02; os coeficientes de perda localizada somam ΣK = 6 (entrada e saída incluídas). Use g = 9,81 m/s². O rendimento da bomba é 82%. Encontre a potência no eixo Pshaft em kW.

Q = 80 L/sΔz = 6 mL = 200 mD = 200 mmf = 0,02ΣK = 6η = 82%
Pshaft = kW

3Soluções

1.Balanço de massa

Resposta: ṁ2 = 600 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) = 900·(5 − 15)/(15 − 30) = 600 kg/h

Resposta

ṁ2 = 600 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: P = 1333 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 = 2000·20/30 = 1333 kg/h

Resposta

P = 1333 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 89,21 °C

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

Calor liberado pela corrente quente

Q = 0,5·2,44·(180 − 70) = 134,2 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 134,2/(0,5·4,18) = 89,21 °C

Resposta

tout = 89,21 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 1,13 kg/s

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

Calor liberado

Qh = 2,5·2,1·(180 − 140) = 210 kW

Calor que chega à água

Qc = (1 − 0,1)·210 = 189 kW

Vazão de água

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 189/(4,18·40) = 1,13 kg/s

Resposta

ṁc = 1,13 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: P = 8405 kPa

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

Mols

n = m/M = 500/28,01 = 17,85 mol
T = 10 + 273,15 = 283,1 K

Pressão

P = nRT/V = 17,85·8,314·283,1/0,005 = 8405 kPa

Resposta

P = 8405 kPa
6.Lei dos gases ideais

Resposta: V2 = 1,711 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 288,1 K, T2 = 493,1 K

Lei geral dos gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(250/500)·(493,1/288,1) = 1,711 L

Resposta

V2 = 1,711 L
7.Estequiometria

Resposta: m = 49,42 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(Al) = 10/26,98 = 0,3706 mol
n(Cl2) = 48/70,9 = 0,677 mol

Reagente limitante

0,3706/2 = 0,1853, 0,677/3 = 0,2257 → Al

Massa de produto

n(AlCl3) = 0,1853·2 = 0,3706 mol
m = 0,3706·133,33 = 49,42 g

Resposta

m = 49,42 g
8.Estequiometria

Resposta: Y = 91 %

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(H2) = 10/2,016 = 4,96 mol
m = 4,96·2/2·18,02 = 89,38 g

Rendimento percentual

Y = 81,34/89,38·100 = 91%

Resposta

Y = 91%
9.Equilíbrio químico

Resposta: [HI] = 0,6 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/(0,5 − x)²

Tire a raiz quadrada

3 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·3/(2 + 3) = 0,3 mol/L

Concentração no equilíbrio

[HI] = 2x = 0,6 mol/L

Resposta

[HI] = 0,6 mol/L
10.Equilíbrio químico

Resposta: [PCl5] = 0,07639 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

0,2 = x²/(0,2 − x) → x² + 0,2·x − 0,04 = 0

Resolva a equação do segundo grau

x = (−0,2 + √(0,2² + 4·0,04))/2 = 0,1236 mol/L

Concentração no equilíbrio

[PCl₅] = 0,2 − 0,1236 = 0,07639 mol/L

Resposta

[PCl5] = 0,07639 mol/L
11.Calorimetria e entalpia

Resposta: Tf = 29,52 °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

250·0,129·(140 − Tf) = 100·4,18·(Tf − 21)

Isole a temperatura final

Tf = (32,25·140 + 418·21)/(32,25 + 418) = 29,52 °C

Resposta

Tf = 29,52 °C
12.Calorimetria e entalpia

Resposta: q = 1110 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

Calor para a massa dada

n = 20/16,04 = 1,247 mol
q = n·|ΔH°/1| = 1,247·890,3 = 1110 kJ

Resposta

q = 1110 kJ
13.Cinética química

Resposta: CA = 0,05556 mol/L

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).

Lei integrada de segunda ordem

1/CA = 1/CA0 + kt = 2 + 0,8·20 = 18 L/mol
CA = 1/18 = 0,05556 mol/L

Resposta

CA = 0,05556 mol/L
14.Cinética química

Resposta: X = 81,24 %

Reaction rates: for a first-order reaction −dC/dt = kC, so C = C₀·e−kt and the half-life ln 2/k does not depend on concentration. For a second-order reaction 1/C = 1/C₀ + kt. The rate constant rises with temperature following Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Constante de velocidade na nova temperatura

T1 = 303,1 K, T2 = 323,1 K
k2 = 0,02·e−(70000/8,314)·(1/323,1 − 1/303,1) = 0,1116 min⁻¹

Conversão

X = 1 − e−0,1116·15 = 1 − 0,1876 = 81,24 %

Resposta

X = 81,24 %
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: VCSTR/VPFR = 2,485

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) = 0,8/0,2 = 4
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(5) = 1,609

Razão de volumes

VCSTR/VPFR = 4/1,609 = 2,485

Resposta

VCSTR/VPFR = 2,485

A diferença cresce rapidamente em conversões altas.

16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: X = 28,57 %

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 = 500/100 = 5 min, kτ = 0,08·5 = 0,4

Conversão

X = kτ/(1 + kτ) = 0,4/(1 + 0,4) = 28,57%

Resposta

X = 28,57%
17.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 2,401 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 = 160 − 40 = 120 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 145 − 15 = 130 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (120 − 130)/ln(120/130) = 124,9 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 90000/(300·124,9) = 2,401 m²

Resposta

A = 2,401 m²
18.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: Tc,out = 110,4 °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) = 2000·5/(1·4180) = 2,392

Temperatura de saída

ΔT₂ = ΔT₁·e−2,392 = 105·0,09142 = 9,599 K
Tc,out = 120 − 9,599 = 110,4 °C

Resposta

Tc,out = 110,4 °C

Calor transferido: Q̇ = 398,8 kW.

19.Condução de calor

Resposta: Ti = 22,21 °C

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

Resistências das camadas

R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,72·20) = 0,01389 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,035·20) = 0,2143 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 13/0,2282 = 56,97 W

Temperatura da interface

A temperatura cai Q̇·R₁ na primeira camada.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 23 − 56,97·0,01389 = 22,21 °C

Resposta

Ti = 22,21 °C
20.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 435,1 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 em série

Ri = 1/(hiA) = 1/(10·20) = 0,005 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,72·20) = 0,01736 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,17·20) = 0,01471 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·20) = 0,002 K/W
ΣR = 0,03907 K/W

Perda de calor

Q̇ = (20 − (3))/0,03907 = 435,1 W

Resposta

Q̇ = 435,1 W
21.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: hf = 0,235 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·0,15²/4 = 0,01767 m²
V = Q/A = 0,012/0,01767 = 0,6791 m/s

Carga cinética

V²/(2g) = 0,6791²/(2·9,81) = 0,0235 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(100/0,15)·0,6791²/(2·9,81) = 0,235 m

Resposta

hf = 0,235 m
22.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: Δz = 2,466 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 = 0,05/0,03142 = 1,592 m/s
V²/(2g) = 0,1291 m

Coeficientes de perda

f·L/D = 0,015·200/0,2 = 15
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 2 + 1,0 = 4,1

Perda de carga total

hf = 15·0,1291 = 1,937 m
hm = 4,1·0,1291 = 0,5293 m
Δz = hf + hm = 2,466 m

Resposta

Δz = 2,466 m
23.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pshaft = 52,82 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 = 1000·9,81·0,1·42 = 41,2 kW

Potência no eixo

Pshaft = Ph/η = 41,2/0,78 = 52,82 kW

Resposta

Pshaft = 52,82 kW
24.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pshaft = 13,97 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 = 0,08/0,03142 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Perdas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (20 + 6)·0,3305 = 8,593 m

Altura manométrica da bomba

H = Δz + hL = 6 + 8,593 = 14,59 m

Potência no eixo

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,08·14,59/0,82 = 13,97 kW

Resposta

Pshaft = 13,97 kW

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