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 1950 kg/h · 35% açúcarCorrente 2ṁ₂ = ? · 5% açúcarProduto10% açúcar

Quanto da corrente 2 deve ser adicionado por hora à corrente 1 para que o produto da mistura contenha 10% de açúcar? Encontre ṁ2.

ṁ1 = 950 kg/hx1 = 35 %x2 = 5 %x3 = 10 %
ṁ2 = kg/h
2.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F1500 kg/h · 20% açúcarProduto P40% açúcarVapor W (água pura)W = ? kg/h

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

F = 1500 kg/hxF = 20 %xP = 40 %
W = kg/h
3.Balanço de energiaMédia
lado quentelado frioetanol · 130 °C100 °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: 130 → 100 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 25 °C
tout = °C
4.Balanço de energiaDifícil
lado quentelado friomistura de glicol · 160 °C60 °Cágua · 10 °C50 °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 = 3 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 160 → 60 °Ct: 10 → 50 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perda = 15 %
ṁc = kg/s
5.Lei dos gases ideaisMédia
260 g de HeP = 300 kPaT = 40 °CV = ?

Que volume V ocupam 260 g de He a 300 kPa e 40 °C? Trate como gás ideal.

m = 260 gM = 4,003 g/molP = 300 kPaT = 40 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Lei dos gases ideaisDifícil
O₂, M = 32 g/molP = 100 kPaT = 160 °Cρ = ?

Encontre a massa específica ρ de O₂ a 100 kPa e 160 °C, tratando como gás ideal.

M = 32 g/molP = 100 kPaT = 160 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.EstequiometriaMédia
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 3/ν× M(CO2​)

12 g de Fe2O3 e 80 g de CO reagem segundo Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2. Que massa m de CO2 se pode formar?

M(Fe2O3) = 159,69M(CO) = 28,01M(CO2) = 44,01 g/mol
m = g
8.EstequiometriaDifícil
m(Al)n(Al)n(AlCl3​)m(AlCl3​)÷ M(Al)× 2/2× M(AlCl3​)

Na reação 2Al + 3Cl2 → 2AlCl3, 16 g de Al reagem completamente (os outros reagentes em excesso) e recolhem-se 74,32 g de AlCl3. Calcule o rendimento percentual Y.

M(Al) = 26,98 g/molM(AlCl3) = 133,33 g/molreal: 74,32 g
Y = %
9.Equilíbrio químicoMédia
H2​I2​HII0,10,10C−x−x+2xE0,1 − x0,1 − x2x

0,1 mol/L de H₂ e 0,1 mol/L de I₂ são colocados em um recipiente e reagem: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, com Kc = 54. Calcule a concentração no equilíbrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,1 mol/LKc = 54
[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 = 0,02 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 = 0,02
[Cl2] = mol/L
11.Calorimetria e entalpiaMédia
Tf​ = ?Zincom = 250 gT = 170 °Cc = 0,388 J/(g·°C)Águam = 200 gT = 19 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Um bloco de 250 g de zinco (c = 0,388 J/(g·°C)) a 170 °C é colocado em 200 g de água (c = 4,18 J/(g·°C)) a 19 °C em um copo isolado. Calcule a temperatura final Tf.

mmetal = 250 gcmetal = 0,388 J/(g·°C)Tmetal = 170 °Cmwater = 200 gTwater = 19 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria e entalpiaDifícil
H100 g CH4​CH4​ + 2O₂reagentesCO₂ + 2H₂O(l)produtosq = ?

Use as entalpias padrão de formação para calcular o calor q liberado quando 100 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 = 0,1 L/(mol·min) e começa em 1,5 mol/L. Encontre a concentração CA depois de 20 min.

k = 0,1 L/(mol·min)CA0 = 1,5 mol/Lt = 20 min
CA = mol/L
14.Cinética químicaDifícil
Tk20 °C0,0150 °C?

Uma reação tem constante de velocidade de 0,01 min⁻¹ a 20 °C e energia de ativação de 120 kJ/mol. Encontre a constante de velocidade k2 a 50 °C.

k1 = 0,01 min⁻¹T1 = 20 °CT2 = 50 °CEa = 120 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
Q = 5 L/minX = 95%V = ?, k = 0,4 min⁻¹

Uma reação de primeira ordem em fase líquida A → B com k = 0,4 min⁻¹ é conduzida em um reator de escoamento tubular (PFR) alimentado a 5 L/min. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre o volume do reator V em litros para 95% de conversão de A.

Q = 5 L/mink = 0,4 min⁻¹X = 95%
V = L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil
V = 500 LV = 500 LQ = 100 L/minX = ?

Uma reação de primeira ordem em fase líquida (k = 0,4 min⁻¹) ocorre em dois CSTRs iguais em série, cada um com 500 L. A vazão de alimentação é 100 L/min, a densidade é constante e os reatores estão em regime permanente. Encontre a conversão global X em porcentagem.

V = 500 L (×2)Q = 100 L/mink = 0,4 min⁻¹
X = %
17.Trocadores de calor (LMTD)Média
comprimentoT150 °C125 °C30 °C105 °CΔT₁ΔT₂correntes paralelas

Um trocador de calor de correntes paralelas transfere 140 kW. Sua área de troca térmica é 2 m². O fluido quente esfria de 150 para 125 °C e o fluido frio aquece de 30 para 105 °C. Encontre o coeficiente global de transferência de calor U.

Q̇ = 140 kWA = 2 m²Th: 150 → 125 °CTc: 30 → 105 °C
U = W/(m²·K)
18.Trocadores de calor (LMTD)Difícil
comprimentoT120 °C75 °C31,73 °C25 °CΔT₁ΔT₂contracorrente

Óleo quente (0,5 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) esfria de 120 para 75 °C em um trocador em contracorrente. Ele aquece 2 kg/s de água (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) que entra a 25 °C. Com U = 800 W/(m²·K), encontre a área de troca térmica A necessária.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 120 → 75 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 25 °CU = 800 W/(m²·K)
A = m²
19.Condução de calorMédia
Lã mineral, k = 0,04200 mmMadeira, k = 0,17100 mm17 °C-4 °CQ̇ = ?

Uma parede é feita de 200 mm de lã mineral e 100 mm de madeira, com área de 8 m². As faces externas estão a 17 °C e -4 °C. Encontre o fluxo de calor Q̇ pela parede.

L1 = 200 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 17 °CT3 = -4 °C
Q̇ = W
20.Condução de calorDifícil
Poliestireno expandido, k = 0,035150 mmVidro, k = 0,9675 mmambiente 21 °Cexterior 3 °CQ̇

Uma parede de 150 mm poliestireno expandido e 75 mm vidro separa um ambiente a 21 °C do ar externo a 3 °C. Os coeficientes de convecção são 10 W/(m²·K) por dentro e 30 W/(m²·K) por fora, e a área da parede é 8 m². Encontre o coeficiente global de transferência de calor U da parede.

L1 = 150 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 8 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = 3 °C
U = W/(m²·K)
21.Atrito em tubulações e perda de cargaMédia
V = 1,9 m/sD = 50 mmL = 100 mf = 0,028

Água (ρ = 1000 kg/m³) escoa a 1,9 m/s em uma tubulação horizontal de 100 m de comprimento e diâmetro interno de 50 mm. Use o fator de atrito de Darcy f = 0,028 e g = 9,81 m/s². Encontre a queda de pressão Δp ao longo da tubulação em kPa.

V = 1,9 m/sL = 100 mD = 50 mmf = 0,028ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.Atrito em tubulações e perda de cargaDifícil
K = 2saída livreH = ?L = 100 m, D = 300 mm, f = 0,023× 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), 3 curvas (K = 0,3 cada) e uma válvula (K = 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 100 L/s?

Q = 100 L/sL = 100 mD = 300 mmf = 0,02Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 2
H = m
23.Bombas e potência de bombasMédia
PQ = 80 L/sH = 12 m

Uma bomba fornece 80 L/s de água (ρ = 1000 kg/m³) contra uma altura manométrica de 12 m. O rendimento da bomba é 60% e o motor elétrico que a aciona tem rendimento de 88%. Use g = 9,81 m/s². Encontre a potência elétrica Pel consumida pelo motor, em kW.

Q = 80 L/sH = 12 mηpump = 60%ηmotor = 88%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.Bombas e potência de bombasDifícil
PQ = 20 L/sΔz = 16 mL = 150 m, D = 100 mm, f = 0,022, ΣK = 8

Uma bomba transporta 20 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 150 m de comprimento, diâmetro interno de 100 mm e fator de atrito de Darcy f = 0,022; os coeficientes de perda localizada somam ΣK = 8 (entrada e saída incluídas). Use g = 9,81 m/s². Encontre a altura manométrica H que a bomba deve acrescentar.

Q = 20 L/sΔz = 16 mL = 150 mD = 100 mmf = 0,022ΣK = 8
H = m

3Soluções

1.Balanço de massa

Resposta: ṁ2 = 4750 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) = 950·(35 − 10)/(10 − 5) = 4750 kg/h

Resposta

ṁ2 = 4750 kg/h
2.Balanço de massa

Resposta: W = 750 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 = 1500·20/40 = 750 kg/h

Balanço total

W = F − P = 1500 − 750 = 750 kg/h

Resposta

W = 750 kg/h
3.Balanço de energia

Resposta: tout = 42,51 °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·(130 − 100) = 36,6 kW

Calor absorvido pela água

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 25 + 36,6/(0,5·4,18) = 42,51 °C

Resposta

tout = 42,51 °C
4.Balanço de energia

Resposta: ṁc = 5,49 kg/s

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

Calor liberado

Qh = 3·3,6·(160 − 60) = 1080 kW

Calor que chega à água

Qc = (1 − 0,15)·1080 = 918 kW

Vazão de água

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 918/(4,18·40) = 5,49 kg/s

Resposta

ṁc = 5,49 kg/s
5.Lei dos gases ideais

Resposta: V = 563,7 L

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

Mols

n = 260/4,003 = 64,95 mol
T = 40 + 273,15 = 313,1 K

Volume

V = nRT/P = 64,95·8,314·313,1/300 = 563,7 L

Resposta

V = 563,7 L
6.Lei dos gases ideais

Resposta: ρ = 0,8886 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 = 160 + 273,15 = 433,1 K

Massa específica

ρ = 100·32/(8,314·433,1) = 0,8886 kg/m³

Resposta

ρ = 0,8886 kg/m³
7.Estequiometria

Resposta: m = 9,921 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(Fe2O3) = 12/159,69 = 0,07515 mol
n(CO) = 80/28,01 = 2,856 mol

Reagente limitante

0,07515/1 = 0,07515, 2,856/3 = 0,952 → Fe2O3

Massa de produto

n(CO2) = 0,07515·3 = 0,2254 mol
m = 0,2254·44,01 = 9,921 g

Resposta

m = 9,921 g
8.Estequiometria

Resposta: Y = 93,99 %

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(Al) = 16/26,98 = 0,593 mol
m = 0,593·2/2·133,33 = 79,07 g

Rendimento percentual

Y = 74,32/79,07·100 = 93,99%

Resposta

Y = 93,99%
9.Equilíbrio químico

Resposta: [HI] = 0,1572 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/(0,1 − x)²

Tire a raiz quadrada

7,348 = 2x/(0,1 − x) → x = 0,1·7,348/(2 + 7,348) = 0,07861 mol/L

Concentração no equilíbrio

[HI] = 2x = 0,1572 mol/L

Resposta

[HI] = 0,1572 mol/L
10.Equilíbrio químico

Resposta: [Cl2] = 0,1635 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

0,02 = x²/(1,5 − x) → x² + 0,02·x − 0,03 = 0

Resolva a equação do segundo grau

x = (−0,02 + √(0,02² + 4·0,03))/2 = 0,1635 mol/L

Concentração no equilíbrio

[Cl₂] = x = 0,1635 mol/L

Resposta

[Cl2] = 0,1635 mol/L
11.Calorimetria e entalpia

Resposta: Tf = 34,7 °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

250·0,388·(170 − Tf) = 200·4,18·(Tf − 19)

Isole a temperatura final

Tf = (97·170 + 836·19)/(97 + 836) = 34,7 °C

Resposta

Tf = 34,7 °C
12.Calorimetria e entalpia

Resposta: q = 5550 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 = 100/16,04 = 6,234 mol
q = n·|ΔH°/1| = 6,234·890,3 = 5550 kJ

Resposta

q = 5550 kJ
13.Cinética química

Resposta: CA = 0,375 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 = 0,6667 + 0,1·20 = 2,667 L/mol
CA = 1/2,667 = 0,375 mol/L

Resposta

CA = 0,375 mol/L
14.Cinética química

Resposta: k2 = 0,9663 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 = 323,1 K

Razão de Arrhenius

ln(k2/k1) = −(120000/8,314)·(1/323,1 − 1/293,1) = 4,571
k2 = 0,01·e4,571 = 0,9663 min⁻¹

Resposta

k2 = 0,9663 min⁻¹
15.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: V = 37,45 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 − 0,95))/0,4 = 2,996/0,4 = 7,489 min

Volume

V = Q·τ = 5·7,489 = 37,45 L

Resposta

V = 37,45 L
16.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: X = 88,89 %

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 = 0,4·5 = 2

Conversão

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 2) = 0,3333
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,1111
X = 1 − 0,1111 = 88,89%

Resposta

X = 88,89%
17.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: U = 1254 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 = 150 − 30 = 120 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 125 − 105 = 20 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (120 − 20)/ln(120/20) = 55,81 K

Coeficiente global

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 140000/(2·55,81) = 1254 W/(m²·K)

Resposta

U = 1254 W/(m²·K)
18.Trocadores de calor (LMTD)

Resposta: A = 1,044 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) = 0,5·2,5·45 = 56,25 kW
Tc,out = 25 + 56,25/(2·4,18) = 31,73 °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 = 120 − 31,73 = 88,27 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 75 − 25 = 50 K

Média logarítmica das diferenças de temperatura

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (88,27 − 50)/ln(88,27/50) = 67,33 K

Área

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 56250/(800·67,33) = 1,044 m²

Resposta

A = 1,044 m²
19.Condução de calor

Resposta: Q̇ = 30,06 W

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

Resistências das camadas

R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,04·8) = 0,625 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,17·8) = 0,07353 K/W

Fluxo de calor

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 21/0,6985 = 30,06 W

Resposta

Q̇ = 30,06 W
20.Condução de calor

Resposta: U = 0,2224 W/(m²·K)

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

Resistências em série

Ri = 1/(hiA) = 1/(10·8) = 0,0125 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,035·8) = 0,5357 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,96·8) = 0,009766 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·8) = 0,004167 K/W
ΣR = 0,5621 K/W

Coeficiente global

U = 1/(A·ΣR) = 1/(8·0,5621) = 0,2224 W/(m²·K)

Resposta

U = 0,2224 W/(m²·K)
21.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: Δp = 101,1 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) = 0,028·(100/0,05)·1,9²/(2·9,81) = 10,3 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 = 1000·9,81·10,3 = 101080 Pa = 101,1 kPa

Resposta

Δp = 101,1 kPa
22.Atrito em tubulações e perda de carga

Resposta: H = 1,129 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 = 0,1/0,07069 = 1,415 m/s
V²/(2g) = 0,102 m

Coeficientes de perda

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

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 + 3,4)·0,102 = 1,129 m

Resposta

H = 1,129 m
23.Bombas e potência de bombas

Resposta: Pel = 17,84 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 = 1000·9,81·0,08·12 = 9,418 kW

Potência no eixo

Pshaft = 9,418/0,6 = 15,7 kW

Potência elétrica

Pel = 15,7/0,88 = 17,84 kW

Resposta

Pel = 17,84 kW
24.Bombas e potência de bombas

Resposta: H = 29,55 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 = 0,02/0,007854 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Perdas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (33 + 8)·0,3305 = 13,55 m

Altura manométrica da bomba

As duas superfícies estão abertas e praticamente em repouso, então os termos de pressão e de velocidade desaparecem.

H = Δz + hL = 16 + 13,55 = 29,55 m

Resposta

H = 29,55 m

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