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 1850 kg/h · 35% salCorrente 2ṁ₂ = ? · 15% salProduto25% sal

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

ṁ1 = 850 kg/hx1 = 35 %x2 = 15 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F600 kg/h · 16% NaOHProduto PP = ? · 60%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 = 600 kg/hxF = 16 %xP = 60 %
P = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado friomistura de glicol · 160 °C90 °Cágua · 10 °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 → 90 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado friomistura de glicol · 140 °C110 °Cágua · 30 °C90 °C · ṁ = ?10% perdido

mistura de glicol 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 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 140 → 110 °Ct: 30 → 90 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 10 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
160 g de CH₄P = 700 kPaT = 65 °CV = ?

Que volume V ocupam 160 g de CH₄ a 700 kPa e 65 °C? Trate como gás ideal.

m = 160 gM = 16,04 g/molP = 700 kPaT = 65 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Lei dos gases ideaisDifícil
N₂, M = 28,01 g/molP = 600 kPaT = 60 °Cρ = ?

Encontre a massa específica ρ de N₂ a 600 kPa e 60 °C, tratando como gás ideal.

M = 28,01 g/molP = 600 kPaT = 60 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.EstequiometriaMédia
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 1/ν× M(CO2​)

20 g de CH4 e 32 g de O2 reagem segundo CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. Que massa m de CO2 se pode formar?

M(CH4) = 16,04M(O2) = 32M(CO2) = 44,01 g/mol
m = g
8.EstequiometriaDifícil
m(N2​)n(N2​)n(NH3​)m(NH3​)÷ M(N2​)× 2/1× M(NH3​)

Na reação N2 + 3H2 → 2NH3, 30 g de N2 reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 27,35 g de NH3. Calcule o rendimento percentual Y.

M(N2) = 28,02 g/molM(NH3) = 17,03 g/molreal: 27,35 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 = 16. Calcule a concentração no equilíbrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,5 mol/LKc = 16
[HI] = mol/L
10.Equilíbrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,500C−x+x+xE0,5 − xxx

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

[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LKc = 0,1
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria e entalpiaMédia
Tf​ = ?Ferrom = 150 gT = 100 °Cc = 0,449 J/(g·°C)Águam = 150 gT = 19 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Um bloco de 150 g de ferro (c = 0,449 J/(g·°C)) a 100 °C é colocado em 150 g de água (c = 4,18 J/(g·°C)) a 19 °C em um copo isolado. Calcule a temperatura final Tf.

mmetal = 150 gcmetal = 0,449 J/(g·°C)Tmetal = 100 °Cmwater = 150 gTwater = 19 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria e entalpiaDifícil
H20 g C4​H10​2C4​H10​ + 13O₂reagentes8CO₂ + 10H₂O(l)produtosq = ?

Use as entalpias padrão de formação para calcular o calor q liberado quando 20 g de C4H10 (M = 58,12 g/mol) queimam completamente: 2C4H10 + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O(l). Dê q como um número positivo.

ΔH°f(C4H10) = −125,6 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)X (%)t = ?60%

Uma reação de ordem zero tem k = 0,005 mol/(L·min) e começa com 0,8 mol/L. Quanto tempo leva para atingir 60% de conversão? Encontre t.

k = 0,005 mol/(L·min)CA0 = 0,8 mol/LX = 60 %
t = min
14.Cinética químicaDifícil
1/Tln kT = 60 °Cln 0,001ln A = ?Ea​ = 80 kJ/mol

Uma reação de primeira ordem tem constante de velocidade de 0,001 s⁻¹ a 60 °C e energia de ativação de 80 kJ/mol. Encontre o fator pré-exponencial A na equação de Arrhenius.

k = 0,001 s⁻¹T = 60 °CEa = 80 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
A = s⁻¹
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
Q = 40 L/minX = 50%V = ?, k = 0,15 min⁻¹

Uma reação de primeira ordem em fase líquida A → B com k = 0,15 min⁻¹ é conduzida em um reator de escoamento tubular (PFR) alimentado a 40 L/min. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre o volume do reator V em litros para 50% de conversão de A.

Q = 40 L/mink = 0,15 min⁻¹X = 50%
V = L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil
V = 150 LV = 150 LQ = 10 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 150 L. A vazão de alimentação é 10 L/min, a densidade é constante e os reatores estão em regime permanente. Encontre a conversão global X em porcentagem.

V = 150 L (×2)Q = 10 L/mink = 0,05 min⁻¹
X = %
17.Trocadores de calor (LMTD)Média
comprimentoT95 °C50 °C65 °C30 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Um trocador de calor casco e tubos (uma passagem no casco, duas passagens nos tubos) deve transferir 590 kW. O fluido quente esfria de 95 para 50 °C e o fluido frio aquece de 30 para 65 °C. O fator de correção da MLDT para esse arranjo é F = 0,85, e U = 300 W/(m²·K). Encontre a área de troca térmica A necessária.

Q̇ = 590 kWF = 0,85U = 300 W/(m²·K)Th: 95 → 50 °CTc: 30 → 65 °C
A = m²
18.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
comprimentoT140 °C30 °C?ΔT₁ΔT₂vapor condensando

Vapor condensa a 140 °C constantes por fora dos tubos de um condensador com área de troca térmica de 2,5 m² e U = 1500 W/(m²·K). Água de resfriamento (1 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entra nos tubos a 30 °C. Encontre a temperatura de saída da água Tc,out.

Ts = 140 °CA = 2,5 m²U = 1500 W/(m²·K)ṁ = 1 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 30 °C
Tc,out = °C
19.Condução de calorMédia
Lã mineral, k = 0,04250 mmPoliestireno expandido, k = 0,03575 mm25 °C0 °CTi​ = ?Q̇

Uma parede é feita de 250 mm de lã mineral e 75 mm de poliestireno expandido, com área de 12 m². As faces externas estão a 25 °C e 0 °C. Encontre a temperatura Ti na interface entre as duas camadas.

L1 = 250 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 25 °CT3 = 0 °C
Ti = °C
20.Condução de calorDifícil
Concreto, k = 1,4100 mmPoliestireno expandido, k = 0,035150 mmambiente 21 °Cexterior -2 °CQ̇ = ?

Uma parede de 100 mm concreto e 150 mm poliestireno expandido separa um ambiente a 21 °C do ar externo a -2 °C. Os coeficientes de convecção são 8 W/(m²·K) por dentro e 25 W/(m²·K) por fora, e a área da parede é 10 m². Encontre a perda de calor Q̇ pela parede.

L1 = 100 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 10 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -2 °C
Q̇ = W
21.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia
Q = 6 L/sD = 75 mmL = 500 mf = 0,028

Água escoa a 6 L/s em uma tubulação de 500 m de comprimento com diâmetro interno de 75 mm. Use o fator de atrito de Darcy f = 0,028 e g = 9,81 m/s². Encontre a perda de carga por atrito hf.

Q = 6 L/sL = 500 mD = 75 mmf = 0,028g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Atrito em tubulações e perda de cargaDifícil
K = 0,2saída livreH = ?L = 100 m, D = 300 mm, f = 0,024× curva (K = 0,3)

Uma tubulação de 100 m de comprimento com diâmetro interno de 300 mm (fator de atrito de Darcy f = 0,02) sai de um reservatório aberto e descarrega como jato livre no ar. As perdas localizadas são uma entrada de cantos vivos (K = 0,5), 4 curvas (K = 0,3 cada) e uma válvula (K = 0,2). Use g = 9,81 m/s². A que altura H a superfície do reservatório deve estar acima da saída da tubulação para uma vazão de 80 L/s?

Q = 80 L/sL = 100 mD = 300 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 0,2
H = m
23.Bombas e potência de bombasMédia
PQ = 80 L/sH = 60 m

Em um ensaio, uma bomba fornece 80 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) contra uma altura manométrica de 60 m enquanto seu eixo absorve 72,4 kW. Use g = 9,81 m/s². Encontre o rendimento da bomba η em porcentagem.

Q = 80 L/sH = 60 mPshaft = 72,4 kWg = 9,81 m/s²
η = %
24.Bombas e potência de bombasDifícil
350 kPa (manométrica)PQ = 75 L/sΔz = 16 mL = 200 m, D = 200 mm, f = 0,015, ΣK = 5

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 16 m mais alta. A tubulação tem 200 m de comprimento, diâmetro interno de 200 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,015; os coeficientes de perda localizada somam ΣK = 5 (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 350 kPa. Encontre a altura manométrica H que a bomba deve acrescentar.

Q = 75 L/sΔz = 16 mL = 200 mD = 200 mmf = 0,015ΣK = 5ptank = 350 kPa
H = m

3Soluções

1.Balanço de massa

Resposta: ṁ2 = 850 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) = 850·(35 − 25)/(25 − 15) = 850 kg/h

Resposta

ṁ2 = 850 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: P = 160 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 = 600·16/60 = 160 kg/h

Resposta

P = 160 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 55,22 °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 − 90) = 378 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 378/(2·4,18) = 55,22 °C

Resposta

tout = 55,22 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 0,7751 kg/s

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

Calor liberado

Qh = 2·3,6·(140 − 110) = 216 kW

Calor que chega à água

Qc = (1 − 0,1)·216 = 194,4 kW

Vazão de água

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 194,4/(4,18·60) = 0,7751 kg/s

Resposta

ṁc = 0,7751 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: V = 40,06 L

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

Mols

n = 160/16,04 = 9,975 mol
T = 65 + 273,15 = 338,1 K

Volume

V = nRT/P = 9,975·8,314·338,1/700 = 40,06 L

Resposta

V = 40,06 L
6.Lei dos gases ideais

Resposta: ρ = 6,068 kg/m³

Massa específica de um gás ideal: ρ = PM/(RT).

Rearranje a lei dos gases

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 60 + 273,15 = 333,1 K

Massa específica

ρ = 600·28,01/(8,314·333,1) = 6,068 kg/m³

Resposta

ρ = 6,068 kg/m³
7.Estequiometria

Resposta: m = 22 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) = 32/32 = 1 mol

Reagente limitante

1,247/1 = 1,247, 1/2 = 0,5 → O2

Massa de produto

n(CO2) = 0,5·1 = 0,5 mol
m = 0,5·44,01 = 22 g

Resposta

m = 22 g
8.Estequiometria

Resposta: Y = 75 %

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(N2) = 30/28,02 = 1,071 mol
m = 1,071·2/1·17,03 = 36,47 g

Rendimento percentual

Y = 27,35/36,47·100 = 75%

Resposta

Y = 75%
9.Equilíbrio químico

Resposta: [HI] = 0,6667 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

16 = (2x)²/(0,5 − x)²

Tire a raiz quadrada

4 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·4/(2 + 4) = 0,3333 mol/L

Concentração no equilíbrio

[HI] = 2x = 0,6667 mol/L

Resposta

[HI] = 0,6667 mol/L
10.Equilíbrio químico

Resposta: [PCl5] = 0,3209 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

0,1 = x²/(0,5 − x) → x² + 0,1·x − 0,05 = 0

Resolva a equação do segundo grau

x = (−0,1 + √(0,1² + 4·0,05))/2 = 0,1791 mol/L

Concentração no equilíbrio

[PCl₅] = 0,5 − 0,1791 = 0,3209 mol/L

Resposta

[PCl5] = 0,3209 mol/L
11.Calorimetria e entalpia

Resposta: Tf = 26,86 °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

150·0,449·(100 − Tf) = 150·4,18·(Tf − 19)

Isole a temperatura final

Tf = (67,35·100 + 627·19)/(67,35 + 627) = 26,86 °C

Resposta

Tf = 26,86 °C
12.Calorimetria e entalpia

Resposta: q = 990,2 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

Calor para a massa dada

n = 20/58,12 = 0,3441 mol
q = n·|ΔH°/2| = 0,3441·2877 = 990,2 kJ

Resposta

q = 990,2 kJ
13.Cinética química

Resposta: t = 96 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).

Quantidade convertida

CA0·X = 0,8·0,6 = 0,48 mol/L

Tempo

t = CA0·X/k = 0,48/0,005 = 96 min

Resposta

t = 96 min
14.Cinética química

Resposta: A = 3,497 × 10⁹ s⁻¹

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

Temperatura absoluta

T = 60 + 273,15 = 333,1 K

Resolva Arrhenius para A

Ea/(RT) = 80000/(8,314·333,1) = 28,88
A = k·e28,88 = 0,001·3,497 × 10¹² = 3,497 × 10⁹ s⁻¹

Resposta

A = 3,497 × 10⁹ s⁻¹
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: V = 184,8 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 = ln(1/(1 − 0,5))/0,15 = 0,6931/0,15 = 4,621 min

Volume

V = Q·τ = 40·4,621 = 184,8 L

Resposta

V = 184,8 L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: X = 67,35 %

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 = 150/10 = 15 min, kτ = 0,05·15 = 0,75

Conversão

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 0,75) = 0,5714
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,3265
X = 1 − 0,3265 = 67,35%

Resposta

X = 67,35%
17.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 93,81 m²

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 (contracorrente)

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 = 95 − 65 = 30 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 50 − 30 = 20 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (30 − 20)/ln(30/20) = 24,66 K

Área

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 590000/(300·0,85·24,66) = 93,81 m²

Resposta

A = 93,81 m²
18.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: Tc,out = 95,15 °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) = 1500·2,5/(1·4180) = 0,8971

Temperatura de saída

ΔT₂ = ΔT₁·e−0,8971 = 110·0,4077 = 44,85 K
Tc,out = 140 − 44,85 = 95,15 °C

Resposta

Tc,out = 95,15 °C

Calor transferido: Q̇ = 272,3 kW.

19.Condução de calor

Resposta: Ti = 6,383 °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)/(0,04·12) = 0,5208 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,035·12) = 0,1786 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 25/0,6994 = 35,74 W

Temperatura da interface

A temperatura cai Q̇·R₁ na primeira camada.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 25 − 35,74·0,5208 = 6,383 °C

Resposta

Ti = 6,383 °C
20.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 50,86 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/(8·10) = 0,0125 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(1,4·10) = 0,007143 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,035·10) = 0,4286 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·10) = 0,004 K/W
ΣR = 0,4522 K/W

Perda de calor

Q̇ = (21 − (-2))/0,4522 = 50,86 W

Resposta

Q̇ = 50,86 W
21.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: hf = 17,55 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·0,075²/4 = 0,004418 m²
V = Q/A = 0,006/0,004418 = 1,358 m/s

Carga cinética

V²/(2g) = 1,358²/(2·9,81) = 0,09401 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,028·(500/0,075)·1,358²/(2·9,81) = 17,55 m

Resposta

hf = 17,55 m
22.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: H = 0,6246 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 = 0,08/0,07069 = 1,132 m/s
V²/(2g) = 0,06529 m

Coeficientes de perda

f·L/D = 0,02·100/0,3 = 6,667
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 0,2 = 1,9

Equação da energia

O jato na saída ainda carrega sua carga cinética; ela não é uma perda, mas precisa ser fornecida.

H = (1 + 6,667 + 1,9)·0,06529 = 0,6246 m

Resposta

H = 0,6246 m
23.Bombas e potência de bombas

Resposta: η = 65,04 %

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 = 1000·9,81·0,08·60 = 47,09 kW

Rendimento

η = Ph/Pshaft = 47,09/72,4 = 65,04%

Resposta

η = 65,04%
24.Bombas e potência de bombas

Resposta: H = 57,49 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) = (15 + 5)·0,2905 = 5,81 m

Carga de pressão

p/(ρ·g) = 350000/(1000·9,81) = 35,68 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 = 16 + 35,68 + 5,81 = 57,49 m

Resposta

H = 57,49 m

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