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 1750 kg/h · 20% açúcarCorrente 2ṁ₂ = ? · 35% açúcarProduto25% açúcar

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

ṁ1 = 750 kg/hx1 = 20 %x2 = 35 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F4400 kg/h · 18% NaOHProduto P40% NaOHVapor W (água pura)W = ? kg/h

Um evaporador concentra uma solução de NaOH evaporando água pura. Encontre a água evaporada W em kg/h.

F = 4400 kg/hxF = 18 %xP = 40 %
W = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado frioóleo leve · 170 °C80 °Cágua · 20 °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: 170 → 80 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado friomistura de glicol · 180 °C130 °Cágua · 25 °C85 °C · ṁ = ?15% perdido

mistura de glicol quente aquece água em um trocador que perde para o ambiente 15% do calor liberado pela corrente quente. Encontre a vazão de água ṁc necessária.

ṁh = 2,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 180 → 130 °Ct: 25 → 85 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 15 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
60 g de ArV = 30 LT = 20 °CP = ?

Um tanque de 30 L contém 60 g de Ar a 20 °C. Trate como gás ideal e encontre a pressão P.

m = 60 gM = 39,95 g/molV = 30 LT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Lei dos gases ideaisDifícil
Estado 1Estado 2

Uma quantidade fixa de Ar passa de 100 kPa, 5 L, 25 °C para 250 kPa e 60 °C. Encontre o novo volume V2.

P1 = 100 kPaV1 = 5 LT1 = 25 °CP2 = 250 kPaT2 = 60 °C
V2 = L
7.EstequiometriaMédia
m(X)n(X)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(X)× 2/ν× M(NH3​)

20 g de N2 e 40 g de H2 reagem segundo N2 + 3H2 → 2NH3. Que massa m de NH3 se pode formar?

M(N2) = 28,02M(H2) = 2,016M(NH3) = 17,03 g/mol
m = g
8.EstequiometriaDifícil
m(Fe2​O3​)n(Fe2​O3​)n(Fe)m(Fe)÷ M(Fe2​O3​)× 2/1× M(Fe)

Na reação Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2, 8 g de Fe2O3 reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 4,36 g de Fe. Calcule o rendimento percentual Y.

M(Fe2O3) = 159,69 g/molM(Fe) = 55,85 g/molreal: 4,36 g
Y = %
9.Equilíbrio químicoMédia
H2​I2​HII0,40,40C−x−x+2xE0,4 − x0,4 − x2x

0,4 mol/L de H₂ e 0,4 mol/L de I₂ são colocados em um recipiente e reagem: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, com Kc = 54. Calcule a concentração no equilíbrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,4 mol/LKc = 54
[H2] = mol/L
10.Equilíbrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I1,500C−x+x+xE1,5 − xxx

O PCl₅ se decompõe: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, com Kc = 0,05 na temperatura da reação. Um recipiente começa apenas com 1,5 mol/L de PCl₅. Calcule a concentração no equilíbrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 1,5 mol/LKc = 0,05
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria e entalpiaMédia
Tf​ = ?Alumíniom = 75 gT = 150 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Águam = 250 gT = 24 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Um bloco de 75 g de alumínio (c = 0,897 J/(g·°C)) a 150 °C é colocado em 250 g de água (c = 4,18 J/(g·°C)) a 24 °C em um copo isolado. Calcule a temperatura final Tf.

mmetal = 75 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 150 °Cmwater = 250 gTwater = 24 °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 = ?50%

Uma reação de primeira ordem em um reator batelada tem k = 0,02 min⁻¹. Quanto tempo leva para chegar a 50% de conversão? Encontre t.

k = 0,02 min⁻¹X = 50 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk25 °C0,00240 °C?

Uma reação tem constante de velocidade de 0,002 min⁻¹ a 25 °C e energia de ativação de 60 kJ/mol. Encontre a constante de velocidade k2 a 40 °C.

k1 = 0,002 min⁻¹T1 = 25 °CT2 = 40 °CEa = 60 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
QX = 60%mesmos Q, k e X que o CSTR

Uma reação de primeira ordem em fase líquida deve atingir 60% 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 = 60%primeira ordem, mesmos k e Q
VCSTR/VPFR =
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil
V = 250 LV = 250 LQ = 5 L/minX = ?

Uma reação de primeira ordem em fase líquida (k = 0,05 min⁻¹) ocorre em dois CSTRs iguais em série, cada um com 250 L. A vazão de alimentação é 5 L/min, a densidade é constante e os reatores estão em regime permanente. Encontre a conversão global X em porcentagem.

V = 250 L (×2)Q = 5 L/mink = 0,05 min⁻¹
X = %
17.Trocadores de calor (LMTD)Média
comprimentoT180 °C100 °C20 °C45 °CΔT₁ΔT₂correntes paralelas

Um trocador de calor de correntes paralelas transfere 100 kW. Sua área de troca térmica é 10 m². O fluido quente esfria de 180 para 100 °C e o fluido frio aquece de 20 para 45 °C. Encontre o coeficiente global de transferência de calor U.

Q̇ = 100 kWA = 10 m²Th: 180 → 100 °CTc: 20 → 45 °C
U = W/(m²·K)
18.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
comprimentoT100 °C75 °C39,17 °C30 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Óleo quente (2 kg/s, cp = 2,3 kJ/(kg·K)) esfria de 100 para 75 °C em um trocador em contracorrente. Ele aquece 3 kg/s de água (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) que entra a 30 °C. Com U = 1000 W/(m²·K), encontre a área de troca térmica A necessária.

ṁh = 2 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 100 → 75 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 30 °CU = 1000 W/(m²·K)
A = m²
19.Condução de calorMédia
Vidro, k = 0,96100 mmLã mineral, k = 0,04100 mm20 °C-10 °CTi​ = ?Q̇

Uma parede é feita de 100 mm de vidro e 100 mm de lã mineral, com área de 6 m². As faces externas estão a 20 °C e -10 °C. Encontre a temperatura Ti na interface entre as duas camadas.

L1 = 100 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 20 °CT3 = -10 °C
Ti = °C
20.Condução de calorDifícil
Vidro, k = 0,9650 mmMadeira, k = 0,17150 mmambiente 21 °Cexterior 2 °CQ̇ = ?

Uma parede de 50 mm vidro e 150 mm madeira separa um ambiente a 21 °C do ar externo a 2 °C. Os coeficientes de convecção são 6 W/(m²·K) por dentro e 30 W/(m²·K) por fora, e a área da parede é 12 m². Encontre a perda de calor Q̇ pela parede.

L1 = 50 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 12 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = 2 °C
Q̇ = W
21.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia
V = 1,3 m/sD = 150 mmL = 800 mf = 0,015

Água (ρ = 1000 kg/m³) escoa a 1,3 m/s em uma tubulação horizontal de 800 m de comprimento e diâmetro interno de 150 mm. Use o fator de atrito de Darcy f = 0,015 e g = 9,81 m/s². Encontre a queda de pressão Δp ao longo da tubulação em kPa.

V = 1,3 m/sL = 800 mD = 150 mmf = 0,015ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Atrito em tubulações e perda de cargaDifícil
K = 5Δz = ?L = 500 m, D = 250 mm, f = 0,0153× curva (K = 0,3)

Dois reservatórios abertos estão ligados por uma tubulação de 500 m de comprimento com diâmetro interno de 250 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,015. As perdas localizadas são uma entrada de cantos vivos (K = 0,5), 3 curvas (K = 0,3 cada), uma válvula (K = 5) 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 60 L/s?

Q = 60 L/sL = 500 mD = 250 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 5Kexit = 1,0
Δz = m
23.Bombas e potência de bombasMédia
PQ = 10 L/sH = 14 m

Uma bomba fornece 10 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) contra uma altura manométrica de 14 m. O rendimento da bomba é 75% e o motor elétrico que a aciona tem rendimento de 90%. Use g = 9,81 m/s². Encontre a potência elétrica Pel consumida pelo motor, em kW.

Q = 10 L/sH = 14 mηpump = 75%ηmotor = 90%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Bombas e potência de bombasDifícil
PQ = 30 L/sΔz = 10 mL = 150 m, D = 150 mm, f = 0,025, ΣK = 6

Uma bomba transporta 30 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) de um reservatório inferior aberto para um tanque superior cuja superfície da água está 10 m mais alta. A tubulação tem 150 m de comprimento, diâmetro interno de 150 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 72%. Encontre a potência no eixo Pshaft em kW.

Q = 30 L/sΔz = 10 mL = 150 mD = 150 mmf = 0,025ΣK = 6η = 72%
Pshaft = kW

3Soluções

1.Balanço de massa

Resposta: ṁ2 = 375 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) = 750·(20 − 25)/(25 − 35) = 375 kg/h

Resposta

ṁ2 = 375 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: W = 2420 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 = 4400·18/40 = 1980 kg/h

Balanço total

W = F − P = 4400 − 1980 = 2420 kg/h

Resposta

W = 2420 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 155,6 °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·(170 − 80) = 567 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 567/(1·4,18) = 155,6 °C

Resposta

tout = 155,6 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 1,525 kg/s

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

Calor liberado

Qh = 2,5·3,6·(180 − 130) = 450 kW

Calor que chega à água

Qc = (1 − 0,15)·450 = 382,5 kW

Vazão de água

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 382,5/(4,18·60) = 1,525 kg/s

Resposta

ṁc = 1,525 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: P = 122 kPa

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

Mols

n = m/M = 60/39,95 = 1,502 mol
T = 20 + 273,15 = 293,1 K

Pressão

P = nRT/V = 1,502·8,314·293,1/0,03 = 122 kPa

Resposta

P = 122 kPa
6.Lei dos gases ideais

Resposta: V2 = 2,235 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 298,1 K, T2 = 333,1 K

Lei geral dos gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(100/250)·(333,1/298,1) = 2,235 L

Resposta

V2 = 2,235 L
7.Estequiometria

Resposta: m = 24,31 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(N2) = 20/28,02 = 0,7138 mol
n(H2) = 40/2,016 = 19,84 mol

Reagente limitante

0,7138/1 = 0,7138, 19,84/3 = 6,614 → N2

Massa de produto

n(NH3) = 0,7138·2 = 1,428 mol
m = 1,428·17,03 = 24,31 g

Resposta

m = 24,31 g
8.Estequiometria

Resposta: Y = 77,91 %

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(Fe2O3) = 8/159,69 = 0,0501 mol
m = 0,0501·2/1·55,85 = 5,596 g

Rendimento percentual

Y = 4,36/5,596·100 = 77,91%

Resposta

Y = 77,91%
9.Equilíbrio químico

Resposta: [H2] = 0,08558 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

54 = (2x)²/(0,4 − x)²

Tire a raiz quadrada

7,348 = 2x/(0,4 − x) → x = 0,4·7,348/(2 + 7,348) = 0,3144 mol/L

Concentração no equilíbrio

[H₂] = 0,4 − x = 0,08558 mol/L

Resposta

[H2] = 0,08558 mol/L
10.Equilíbrio químico

Resposta: [PCl5] = 1,25 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/(1,5 − x) → x² + 0,05·x − 0,075 = 0

Resolva a equação do segundo grau

x = (−0,05 + √(0,05² + 4·0,075))/2 = 0,25 mol/L

Concentração no equilíbrio

[PCl₅] = 1,5 − 0,25 = 1,25 mol/L

Resposta

[PCl5] = 1,25 mol/L
11.Calorimetria e entalpia

Resposta: Tf = 31,62 °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

75·0,897·(150 − Tf) = 250·4,18·(Tf − 24)

Isole a temperatura final

Tf = (67,28·150 + 1045·24)/(67,28 + 1045) = 31,62 °C

Resposta

Tf = 31,62 °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 = 34,66 min

Velocidades de reação: para uma reação de primeira ordem −dC/dt = kC, então C = C₀·e−kt e a meia-vida ln 2/k não depende da concentração. Para uma reação de segunda ordem 1/C = 1/C₀ + kt. A constante de velocidade aumenta com a temperatura segundo Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Conversão e concentração

C/C0 = 1 − X = 0,5

Resolva para o tempo

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,5)/0,02 = 34,66 min

Resposta

t = 34,66 min
14.Cinética química

Resposta: k2 = 0,006376 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 = 298,1 K, T2 = 313,1 K

Razão de Arrhenius

ln(k2/k1) = −(60000/8,314)·(1/313,1 − 1/298,1) = 1,159
k2 = 0,002·e1,159 = 0,006376 min⁻¹

Resposta

k2 = 0,006376 min⁻¹
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: VCSTR/VPFR = 1,637

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) = 0,6/0,4 = 1,5
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(2,5) = 0,9163

Razão de volumes

VCSTR/VPFR = 1,5/0,9163 = 1,637

Resposta

VCSTR/VPFR = 1,637

A diferença cresce rapidamente em conversões altas.

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 = 250/5 = 50 min, kτ = 0,05·50 = 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: U = 101,7 W/(m²·K)

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

Em correntes paralelas as duas entradas ficam na mesma extremidade, e as duas saídas na outra.

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 180 − 20 = 160 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 100 − 45 = 55 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (160 − 55)/ln(160/55) = 98,33 K

Coeficiente global

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 100000/(10·98,33) = 101,7 W/(m²·K)

Resposta

U = 101,7 W/(m²·K)
18.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 2,19 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) = 2·2,3·25 = 115 kW
Tc,out = 30 + 115/(3·4,18) = 39,17 °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 = 100 − 39,17 = 60,83 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 75 − 30 = 45 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (60,83 − 45)/ln(60,83/45) = 52,52 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 115000/(1000·52,52) = 2,19 m²

Resposta

A = 2,19 m²
19.Condução de calor

Resposta: Ti = 18,8 °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) = (100/1000)/(0,96·6) = 0,01736 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,04·6) = 0,4167 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 30/0,434 = 69,12 W

Temperatura da interface

A temperatura cai Q̇·R₁ na primeira camada.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 20 − 69,12·0,01736 = 18,8 °C

Resposta

Ti = 18,8 °C
20.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 201 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/(6·12) = 0,01389 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,96·12) = 0,00434 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,17·12) = 0,07353 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·12) = 0,002778 K/W
ΣR = 0,09454 K/W

Perda de calor

Q̇ = (21 − (2))/0,09454 = 201 W

Resposta

Q̇ = 201 W
21.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: Δp = 67,6 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) = 0,015·(800/0,15)·1,3²/(2·9,81) = 6,891 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 = 1000·9,81·6,891 = 67600 Pa = 67,6 kPa

Resposta

Δp = 67,6 kPa
22.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: Δz = 2,848 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 = 0,06/0,04909 = 1,222 m/s
V²/(2g) = 0,07615 m

Coeficientes de perda

f·L/D = 0,015·500/0,25 = 30
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 5 + 1,0 = 7,4

Perda de carga total

hf = 30·0,07615 = 2,284 m
hm = 7,4·0,07615 = 0,5635 m
Δz = hf + hm = 2,848 m

Resposta

Δz = 2,848 m
23.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pel = 2,035 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 = 1000·9,81·0,01·14 = 1,373 kW

Potência no eixo

Pshaft = 1,373/0,75 = 1,831 kW

Potência elétrica

Pel = 1,831/0,9 = 2,035 kW

Resposta

Pel = 2,035 kW
24.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pshaft = 5,949 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 = 0,03/0,01767 = 1,698 m/s
V²/(2g) = 0,1469 m

Perdas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (25 + 6)·0,1469 = 4,554 m

Altura manométrica da bomba

H = Δz + hL = 10 + 4,554 = 14,55 m

Potência no eixo

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,03·14,55/0,72 = 5,949 kW

Resposta

Pshaft = 5,949 kW

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