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 1800 kg/h · 30% NaOHCorrente 2ṁ₂ = ? · 5% NaOHProduto20% NaOH

Quanto da corrente 2 deve ser adicionado por hora à corrente 1 para que o produto da mistura contenha 20% de NaOH? Encontre ṁ2.

ṁ1 = 800 kg/hx1 = 30 %x2 = 5 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F4200 kg/h · 9% salProduto PP = ? · 45%Vapor W (água pura)0% sal

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

F = 4200 kg/hxF = 9 %xP = 45 %
P = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado friomistura de glicol · 160 °C120 °Cágua · 15 °Ct = ? °C

mistura de glicol quente resfria água em um trocador de calor em contracorrente sem perda de calor. Encontre a temperatura de saída da água tout.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 160 → 120 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado frioetanol · 160 °C70 °Cágua · 30 °C45 °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 = 1 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 160 → 70 °Ct: 30 → 45 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 5 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
30 g de HeV = 50 LT = 95 °CP = ?

Um tanque de 50 L contém 30 g de He a 95 °C. Trate como gás ideal e encontre a pressão P.

m = 30 gM = 4,003 g/molV = 50 LT = 95 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
6.Lei dos gases ideaisDifícil
Estado 1Estado 2

Uma quantidade fixa de CH₄ passa de 350 kPa, 20 L, 25 °C para 350 kPa e 210 °C. Encontre o novo volume V2.

P1 = 350 kPaV1 = 20 LT1 = 25 °CP2 = 350 kPaT2 = 210 °C
V2 = L
7.EstequiometriaMédia
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

16 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(Fe2​O3​)n(Fe2​O3​)n(Fe)m(Fe)÷ M(Fe2​O3​)× 2/1× M(Fe)

Na reação Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2, 10 g de Fe2O3 reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 6,58 g de Fe. Calcule o rendimento percentual Y.

M(Fe2O3) = 159,69 g/molM(Fe) = 55,85 g/molreal: 6,58 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​I1,500C−x+x+xE1,5 − xxx

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

[PCl₅]₀ = 1,5 mol/LKc = 0,5
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria e entalpiaMédia
Tf​ = ?Chumbom = 100 gT = 110 °Cc = 0,129 J/(g·°C)Águam = 100 gT = 15 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Um bloco de 100 g de chumbo (c = 0,129 J/(g·°C)) a 110 °C é colocado em 100 g de água (c = 4,18 J/(g·°C)) a 15 °C em um copo isolado. Calcule a temperatura final Tf.

mmetal = 100 gcmetal = 0,129 J/(g·°C)Tmetal = 110 °Cmwater = 100 gTwater = 15 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria e entalpiaDifícil
HC6​H12​O6​ + 6O₂reagentes6CO₂ + 6H₂O(l)produtosΔH° = ?

Use as entalpias padrão de formação para calcular o ΔH° da reação C6H12O6 + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O(l).

ΔH°f(C6H12O6) = −1274 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 = ?95%

Uma reação de primeira ordem em um reator batelada tem k = 0,05 min⁻¹. Quanto tempo leva para chegar a 95% de conversão? Encontre t.

k = 0,05 min⁻¹X = 95 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
Tk20 °C0,00245 °C?

Uma reação tem constante de velocidade de 0,002 min⁻¹ a 20 °C e energia de ativação de 50 kJ/mol. Encontre a constante de velocidade k2 a 45 °C.

k1 = 0,002 min⁻¹T1 = 20 °CT2 = 45 °CEa = 50 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
Q = 25 L/minCA0​ = 2,5 mol/LCA​ = ?V = 400 L, k = 0,15 min⁻¹

Uma reação de primeira ordem em fase líquida A → B (k = 0,15 min⁻¹) ocorre em um reator de escoamento tubular (PFR) de 400 L. A alimentação entra a 25 L/min com CA0 = 2,5 mol/L. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre a concentração de saída CA.

V = 400 LQ = 25 L/mink = 0,15 min⁻¹CA0 = 2,5 mol/L
CA = mol/L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil
V = 100 LV = 100 LQ = 5 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 100 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 = 100 L (×2)Q = 5 L/mink = 0,25 min⁻¹
X = %
17.Trocadores de calor (LMTD)Média
comprimentoT165 °C70 °C120 °C10 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Um trocador de calor em contracorrente transfere 50 kW. Sua área de troca térmica é 12 m². O fluido quente esfria de 165 para 70 °C e o fluido frio aquece de 10 para 120 °C. Encontre o coeficiente global de transferência de calor U.

Q̇ = 50 kWA = 12 m²Th: 165 → 70 °CTc: 10 → 120 °C
U = W/(m²·K)
18.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
comprimentoT145 °C65 °C45,89 °C10 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Óleo quente (1,5 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) esfria de 145 para 65 °C em um trocador em contracorrente. Ele aquece 2 kg/s de água (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) que entra a 10 °C. Com U = 300 W/(m²·K), encontre a área de troca térmica A necessária.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 145 → 65 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 10 °CU = 300 W/(m²·K)
A = m²
19.Condução de calorMédia
Madeira, k = 0,17250 mmConcreto, k = 1,4150 mm20 °C-5 °CTi​ = ?Q̇

Uma parede é feita de 250 mm de madeira e 150 mm de concreto, com área de 15 m². As faces externas estão a 20 °C e -5 °C. Encontre a temperatura Ti na interface entre as duas camadas.

L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 20 °CT3 = -5 °C
Ti = °C
20.Condução de calorDifícil
Vidro, k = 0,96100 mmTijolo, k = 0,72150 mmambiente 21 °Cexterior -1 °CTs​ = ?Q̇

Uma parede de 100 mm vidro e 150 mm tijolo separa um ambiente a 21 °C do ar externo a -1 °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 a temperatura Ts da superfície interna da parede.

L1 = 100 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 12 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -1 °C
Ts = °C
21.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia
V = 1,6 m/sD = 100 mmL = 1000 mf = 0,022

Água escoa com velocidade média de 1,6 m/s em uma tubulação de 1000 m de comprimento com diâmetro interno de 100 mm. Use o fator de atrito de Darcy f = 0,022 e g = 9,81 m/s². Encontre a perda de carga por atrito hf.

V = 1,6 m/sL = 1000 mD = 100 mmf = 0,022g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Atrito em tubulações e perda de cargaDifícil
K = 10Δz = ?L = 200 m, D = 150 mm, f = 0,024× curva (K = 0,3)

Dois reservatórios abertos estão ligados por uma tubulação de 200 m de comprimento com diâmetro interno de 150 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,02. As perdas localizadas são uma entrada de cantos vivos (K = 0,5), 4 curvas (K = 0,3 cada), uma válvula (K = 10) 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 40 L/s?

Q = 40 L/sL = 200 mD = 150 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Δz = m
23.Bombas e potência de bombasMédia
PQ = 20 L/sH = 76 m

Uma bomba fornece 20 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) contra uma altura manométrica de 76 m. O rendimento da bomba é 82% e o motor elétrico que a aciona tem rendimento de 94%. Use g = 9,81 m/s². Encontre a potência elétrica Pel consumida pelo motor, em kW.

Q = 20 L/sH = 76 mηpump = 82%ηmotor = 94%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Bombas e potência de bombasDifícil
250 kPa (manométrica)PQ = 75 L/sΔz = 24 mL = 100 m, D = 200 mm, f = 0,015, ΣK = 6

Uma bomba transporta 75 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) de um reservatório inferior aberto para um tanque superior cuja superfície da água está 24 m mais alta. A tubulação tem 100 m de comprimento, diâmetro interno de 200 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,015; os coeficientes de perda localizada somam ΣK = 6 (entrada e saída incluídas). Use g = 9,81 m/s². O tanque superior é fechado e o ar acima da água está a uma pressão manométrica de 250 kPa. Encontre a altura manométrica H que a bomba deve acrescentar.

Q = 75 L/sΔz = 24 mL = 100 mD = 200 mmf = 0,015ΣK = 6ptank = 250 kPa
H = m

3Soluções

1.Balanço de massa

Resposta: ṁ2 = 533,3 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) = 800·(30 − 20)/(20 − 5) = 533,3 kg/h

Resposta

ṁ2 = 533,3 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: P = 840 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 = 4200·9/45 = 840 kg/h

Resposta

P = 840 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 32,22 °C

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

Calor liberado pela corrente quente

Q = 1,5·3,6·(160 − 120) = 216 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 216/(3·4,18) = 32,22 °C

Resposta

tout = 32,22 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 3,327 kg/s

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

Calor liberado

Qh = 1·2,44·(160 − 70) = 219,6 kW

Calor que chega à água

Qc = (1 − 0,05)·219,6 = 208,6 kW

Vazão de água

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 208,6/(4,18·15) = 3,327 kg/s

Resposta

ṁc = 3,327 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: P = 458,8 kPa

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

Mols

n = m/M = 30/4,003 = 7,494 mol
T = 95 + 273,15 = 368,1 K

Pressão

P = nRT/V = 7,494·8,314·368,1/0,05 = 458,8 kPa

Resposta

P = 458,8 kPa
6.Lei dos gases ideais

Resposta: V2 = 32,41 L

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

Temperaturas absolutas

T1 = 298,1 K, T2 = 483,1 K

Lei geral dos gases

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(350/350)·(483,1/298,1) = 32,41 L

Resposta

V2 = 32,41 L
7.Estequiometria

Resposta: m = 35,95 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) = 16/16,04 = 0,9975 mol
n(O2) = 80/32 = 2,5 mol

Reagente limitante

0,9975/1 = 0,9975, 2,5/2 = 1,25 → CH4

Massa de produto

n(H2O) = 0,9975·2 = 1,995 mol
m = 1,995·18,02 = 35,95 g

Resposta

m = 35,95 g
8.Estequiometria

Resposta: Y = 94,07 %

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) = 10/159,69 = 0,06262 mol
m = 0,06262·2/1·55,85 = 6,995 g

Rendimento percentual

Y = 6,58/6,995·100 = 94,07%

Resposta

Y = 94,07%
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: [Cl2] = 0,6514 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

0,5 = x²/(1,5 − x) → x² + 0,5·x − 0,75 = 0

Resolva a equação do segundo grau

x = (−0,5 + √(0,5² + 4·0,75))/2 = 0,6514 mol/L

Concentração no equilíbrio

[Cl₂] = x = 0,6514 mol/L

Resposta

[Cl2] = 0,6514 mol/L
11.Calorimetria e entalpia

Resposta: Tf = 17,84 °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·(110 − Tf) = 100·4,18·(Tf − 15)

Isole a temperatura final

Tf = (12,9·110 + 418·15)/(12,9 + 418) = 17,84 °C

Resposta

Tf = 17,84 °C
12.Calorimetria e entalpia

Resposta: ΔH° = −2802 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° = [6·(−393,5) + 6·(−285,8)] − [1·(−1274) + 6·0] = −2802 kJ

Resposta

ΔH° = −2802 kJ

Negativo: a reação libera calor (exotérmica).

13.Cinética química

Resposta: t = 59,91 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 = 0,05

Resolva para o tempo

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,05)/0,05 = 59,91 min

Resposta

t = 59,91 min
14.Cinética química

Resposta: k2 = 0,01003 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 = 293,1 K, T2 = 318,1 K

Razão de Arrhenius

ln(k2/k1) = −(50000/8,314)·(1/318,1 − 1/293,1) = 1,612
k2 = 0,002·e1,612 = 0,01003 min⁻¹

Resposta

k2 = 0,01003 min⁻¹
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: CA = 0,2268 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 = 400/25 = 16 min

Concentração de saída

CA = 2,5·e−0,15·16 = 0,2268 mol/L

Resposta

CA = 0,2268 mol/L

Conversão: X = 90,93%.

16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: X = 97,22 %

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 = 100/5 = 20 min, kτ = 0,25·20 = 5

Conversão

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 5) = 0,1667
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,02778
X = 1 − 0,02778 = 97,22%

Resposta

X = 97,22%
17.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: U = 79,91 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 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 = 165 − 120 = 45 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 70 − 10 = 60 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (45 − 60)/ln(45/60) = 52,14 K

Coeficiente global

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 50000/(12·52,14) = 79,91 W/(m²·K)

Resposta

U = 79,91 W/(m²·K)
18.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 13,35 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) = 1,5·2,5·80 = 300 kW
Tc,out = 10 + 300/(2·4,18) = 45,89 °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 = 145 − 45,89 = 99,11 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 65 − 10 = 55 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (99,11 − 55)/ln(99,11/55) = 74,9 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 300000/(300·74,9) = 13,35 m²

Resposta

A = 13,35 m²
19.Condução de calor

Resposta: Ti = −3,302 °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) = (250/1000)/(0,17·15) = 0,09804 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(1,4·15) = 0,007143 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 25/0,1052 = 237,7 W

Temperatura da interface

A temperatura cai Q̇·R₁ na primeira camada.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 20 − 237,7·0,09804 = −3,302 °C

Resposta

Ti = −3,302 °C
20.Condução de calor

Resposta: Ts = 15,08 °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 em série

Ri = 1/(hiA) = 1/(7,7·12) = 0,01082 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,96·12) = 0,008681 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,72·12) = 0,01736 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·12) = 0,003333 K/W
ΣR = 0,0402 K/W

Perda de calor

Q̇ = (21 − (-1))/0,0402 = 547,3 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 21 − 547,3·0,01082 = 15,08 °C

Resposta

Ts = 15,08 °C
21.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: hf = 28,71 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.

Carga cinética

V²/(2g) = 1,6²/(2·9,81) = 0,1305 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,022·(1000/0,1)·1,6²/(2·9,81) = 28,71 m

Resposta

hf = 28,71 m
22.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: Δz = 10,28 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 = 0,04/0,01767 = 2,264 m/s
V²/(2g) = 0,2611 m

Coeficientes de perda

f·L/D = 0,02·200/0,15 = 26,67
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 10 + 1,0 = 12,7

Perda de carga total

hf = 26,67·0,2611 = 6,964 m
hm = 12,7·0,2611 = 3,316 m
Δz = hf + hm = 10,28 m

Resposta

Δz = 10,28 m
23.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pel = 19,35 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 = 1000·9,81·0,02·76 = 14,91 kW

Potência no eixo

Pshaft = 14,91/0,82 = 18,18 kW

Potência elétrica

Pel = 18,18/0,94 = 19,35 kW

Resposta

Pel = 19,35 kW
24.Bombas e potência de bombas

Resposta: H = 53,41 m

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 = 0,075/0,03142 = 2,387 m/s
V²/(2g) = 0,2905 m

Perdas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (7,5 + 6)·0,2905 = 3,922 m

Carga de pressão

p/(ρ·g) = 250000/(1000·9,81) = 25,48 m

Altura manométrica da bomba

As duas superfícies estão praticamente em repouso, então não há termo de carga cinética.

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 24 + 25,48 + 3,922 = 53,41 m

Resposta

H = 53,41 m

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