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AS 20 QUESTÕES MAIS DIFÍCEIS DA TRANSPETRO PARA ENGENHARIA DE PROCESSAMENTO Olá, queridos alunos do Estratégia. Meu nome é Jordana Abreu, professora de Engenharia Química do Estratégia. Sou formada em Engenharia Química pela PUC-MG e Mestre em Engenharia Química pela UFMG. Nesses últimos anos tenho me dedicado exclusivamente na área de lecionar para concursos nacionais de nível técnico em Operações Industriais e de Engenharia Química, elaborando simulados, aulas em pdf e em vídeo, lives e produzindo diversos materiais especializados para os concursos da área. Neste Ebook está um compilado de algumas questões chave, resolvidas e comentadas por mim, das provas de 2018, 2012 e 2011 da Transpetro para Engenheiro de Processamento com banca Cesgranrio. Esse material é só uma pequena amostra do que temos no nosso curso que conta com um material de alto nível, além das provas inteiras resolvidas. Espero que gostem! Um abraço e bons estudos. PROVA 2011 *Lembramos a todos que as questões resolvidas seguem a numeração da prova aplicada. 23. É conhecida a seguinte função de transferência em malha aberta (MA): GMA(s)=GC(s).Gf(s).GP(s).Gm(s) = 𝟎,𝟐𝟓 𝑲𝒄 (𝒔+𝟏)(𝟎,𝟓𝒔+𝟏) , tal que GC denota a função de transferência do controlador, Gf, da válvula, GP, do processo e Gm, do elemento de medida. O maior valor de ganho do controlador (Kc) para o qual o sistema não oscila em malha fechada, quando perturbado por degrau no set point, é (A) 0,25 (B) 0,50 (C) 0,75 (D) 1,00 (E) 1,25 Comentários: A partir da função transferência da malha aberta, podemos determinar a função transferência da malha fechada, onde 𝐺(𝑀𝐹)(𝑠) = 𝐺(𝑀𝐴) 1 + 𝐺(𝑀𝐴) Substituindo, 𝐺(𝑀𝐹)(𝑠) = 0,25𝐾𝑐 (𝑠 + 1)(0,5𝑠 + 1) 1 + 0,25𝐾𝑐 (𝑠 + 1)(0,5𝑠 + 1) Simplificando, 𝐺(𝑀𝐹)(𝑠) = 0,25𝐾𝑐 (𝑠 + 1)(0,5𝑠 + 1) (𝑠 + 1)(0,5𝑠 + 1) + 0,25𝐾𝑐 (𝑠 + 1)(0,5𝑠 + 1) 𝐺(𝑀𝐹)(𝑠) = 0,25𝐾𝑐 (𝑠 + 1)(0,5𝑠 + 1) + 0,25𝐾𝑐 𝐺(𝑀𝐹)(𝑠) = 0,25𝐾𝑐 0,5𝑠2 + 𝑠 + 0,5𝑠 + 1 + 0,25𝐾𝑐 𝐺(𝑀𝐹)(𝑠) = 0,25𝐾𝑐 0,5𝑠2 + 1,5𝑠 + (1 + 0,25𝐾𝑐) Para que o sistema não oscile, temos como condição que os polos não sejam complexos. Assim, aplicando o teorema de Bháskara para o denominador, 0,5𝑠2 + 1,5𝑠 + (1 + 0,25𝐾𝑐) = 0 ∆= 𝑏2 − 4𝑎𝑐 = (1,5)2 − 4𝑥0,5𝑥(1 + 0,25𝐾𝑐) ≥ 0 ∆= 2,25 − 2 − 0,5𝐾𝑐 ≥ 0 ∆= 0,25 − 0,5𝐾𝑐 ≥ 0 0,25 ≥ 0,5𝐾𝑐 0,5 ≥ 𝐾𝑐 Gabarito: Letra B) 27. Com respeito ao escoamento de um fluido, analise as afirmativas a seguir. I - No regime laminar, o fator de atrito é diretamente proporcional ao número de Reynolds. II - No regime turbulento, o fator de atrito é função do número de Reynolds e da rugosidade relativa da tubulação. III - A perda de carga é diretamente proporcional ao comprimento equivalente da tubulação. IV - Mantida a vazão constante, a perda de carga é inversamente proporcional ao diâmetro da tubulação elevado ao quadrado. É correto APENAS o que se afirma em (A) I e III (B) I e IV (C) II e III (D) II e IV (E) III e IV Comentários: Com respeito ao escoamento de um fluido, I - No regime laminar, o fator de atrito é diretamente proporcional ao número de Reynolds. INCORRETO, pois o fator de atrito para regime laminar segue a equação 𝑓 = 64 𝑅𝑒 Assim, percebemos que o fator de atrito é inversamente proporcional ao número de Reynolds. II - No regime turbulento, o fator de atrito é função do número de Reynolds e da rugosidade relativa da tubulação. CORRETO, e isso pode ser observado através do Ábaco de Moody que relaciona o fator de atrito (eixo das ordenadas) com o número de Reynolds (eixo das abcissas) e rugosidade (diferentes curvas). III - A perda de carga é diretamente proporcional ao comprimento equivalente da tubulação. CORRETO, e é possível ver isso a partir da equação de perda de carga distribuída onde ℎ = 𝑉2 2 . 𝐿 𝐷 onde L é o comprimento da tubulação, D o diâmetro e V a velocidade de escoamento. IV - Mantida a vazão constante, a perda de carga é inversamente proporcional ao diâmetro da tubulação elevado ao quadrado. INCORRETO, pois conforme posto no item anterior a perda de carga distribuída é dado por ℎ = 𝑉2 2 . 𝐿 𝐷 onde D é inversamente proporcional, porém não levado ao quadrado. Gabarito: Letra C) 32. Um trocador de calor casco e tubo deve ser construído para aquecer a água que irá alimentar uma caldeira. O líquido frio é água proveniente da central de utilidades da indústria. O trocador de calor opera em contracorrente e contém tubos de aço-carbono, com diâmetros interno e externo iguais a 2,0 cm e 2,5 cm, respectivamente. A água fria escoa pelo interior dos tubos a uma velocidade de 0,5 m/s, entrando a 30 °C e saindo a 50 °C, enquanto a água quente entra a 80 °C. As taxas mássicas da água fria e da água quente que alimentam o trocador de calor são 15 kg.s−1 e 30 kg.s−1, respectivamente. O coeficiente global de transferência de calor, baseado na área externa, é 250 W.m−2.K−1. Considere a massa específica e o calor específico da água iguais a 1.000 kg.m−3 e 4.200 J.kg−1.K−1, respectivamente, independentemente da temperatura. Aproxime o valor π para 3 e considere o fator de correção da MLDT como igual a 1,0. Dados: 1/ln(0,95) = −19,5; 1/ln(0,85) = −6,2; 1/ln(0,75) = −3,5; 1/ln(0,65) = −2,3. Se o comprimento máximo do tubo for 2,4 metros, qual é o número de passagens por tubo? (A) 16 passagens e 64 tubos (B) 13 passagens e 64 tubos (C) 10 passagens e 100 tubos (D) 8 passagens e 100 tubos (E) 4 passagens e 200 tubos Comentários: A partir do balanço de energia, poderemos calcular a diferença de temperatura do fluido quente(H) e posteriormente, em posse da sua temperatura de entrada no trocador de calor, calcular a sua temperatura de saída. Assim, temos que 𝑄 = 𝑚𝑐𝐶𝑝𝑐∆𝑇𝑐 = 𝑚𝐻𝐶𝑝𝐻∆𝑇𝐻 Como ambos os líquidos, quente(H) e frio(C), são água, temos que 𝐶𝑝𝑐 = 𝐶𝑝𝐻. 𝑚𝑐∆𝑇𝑐 = 𝑚𝐻∆𝑇𝐻 Isolando ∆𝑇𝐻, ∆𝑇𝐻 = 𝑚𝑐 𝑚𝐻 ∆𝑇𝑐 Substituindo os dados, ∆𝑇𝐻 = 15 𝑘𝑔/𝑠 30 𝑘𝑔/𝑠 (50 − 30)º𝐶 ∆𝑇𝐻 = 10º𝐶 Como 𝑇𝐻,𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 80º𝐶 𝑇𝐻,𝑠𝑎í𝑑𝑎 = (80 − 10)º𝐶 = 70º𝐶 Calculando o fluxo de calor (Q), 𝑄 = 𝑚𝐻𝐶𝑝𝐻∆𝑇𝐻 = 30 𝑘𝑔 𝑠 𝑥4200 𝐽 𝐾𝑔. 𝐾 𝑥10º𝐶 𝑄 = 1,26. 106𝑊 Para o trocador de calor, temos que o fluxo de transferência será dado por 𝑄 = 𝑈𝐴. 𝑓. ∆𝑇𝑀𝐿 Isolando a área, 𝑄 𝑈𝑓. ∆𝑇𝑀𝐿 = 𝐴 Calculando a diferença de temperatura logarítmica, ∆𝑇𝑀𝐿 = ∆𝑇𝑥=0 − ∆𝑇𝑥=𝐿 ln ( ∆𝑇𝑥=0 ∆𝑇𝑥=𝐿 ) ∆𝑇𝑀𝐿 = [(80 − 50) − (70 − 30)]º𝐶 ln ( 80 − 50 70 − 30) ∆𝑇𝑀𝐿 = (−10)𝑥 1 𝑙𝑛 0,75 = (−10)𝑥(−3,5) = 35º𝐶 Substituindo os dados na equação de, 𝐴 = 𝑄 𝑈𝑓. ∆𝑇𝑀𝐿 = (1,26. 106 𝑊) 250 𝑊 𝑚2. 𝐾 𝑥1𝑥35𝐾 = 144 𝑚2 Como a área do trocador de calor será dada por, 𝐴 = 𝑇𝑢𝑏𝑜𝑠(𝑇)𝑥𝑃𝑎𝑠𝑠𝑎𝑔𝑒𝑛𝑠(𝑃)𝑥𝐶𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜(𝐿). 𝜋. 𝐷𝑚é𝑑𝑖𝑜 Colocando TP em evidência, 𝑇𝑃 = 𝐴 𝐿𝜋𝐷 = 144𝑚2 2,4𝑚 𝑥 𝜋 𝑥 0,025𝑚 𝑇𝑃 = 800 A única opção em que o produto de tubos x passagens é 800 se dá na letra D). Gabarito: Letra D) 41. Pretende-se produzir 1.000 kg de um sólido S sob a forma de cristais a partir de 10.000 kg de uma solução aquosa saturada, que se encontra em um cristalizador a 80 °C. A solubilidade de S em água é aproximada por s = 0,04 + 0,002 T, em que s [=] g S / gH2O, T [=] °C. Até que temperatura deve ser resfriada, no cristalizador, a solução saturada? (A) 15 °C (B) 20 °C (C) 25 °C (D) 30 °C (E) 35 °C Comentários: Nesta questão, partiremos do cálculo da quantidade de sólido solubilizada na solução quando, no estado inicial, está a 80ºC. 𝑠(80º𝐶) = 0,04 + 0,002(80º𝐶) = 0,2 Como o conceito de solubilidade é, 𝑠 = 𝑆ó𝑙𝑖𝑑𝑜𝑠[𝑔] Á𝑔𝑢𝑎 [𝑔] Temos que a quantidade de sólidos na solução será, 0,2 = 𝑆ó𝑙𝑖𝑑𝑜𝑠 10 000 𝑘𝑔− 𝑆ó𝑙𝑖𝑑𝑜𝑠 2000 − 0,2𝑆ó𝑙𝑖𝑑𝑜𝑠 = 𝑆ó𝑙𝑖𝑑𝑜𝑠 2000 = 1,2𝑆ó𝑙𝑖𝑑𝑜𝑠 𝑆ó𝑙𝑖𝑑𝑜𝑠 = 1666,67 𝑘𝑔 Como deseja-se cristalizar 1000 kg, temos que na solução sobrará de sólidos solubilizados, 𝑆ó𝑙𝑖𝑑𝑜𝑠 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑏𝑖𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜𝑠 = (1666,67 − 10000)𝑘𝑔 = 666,67𝑘𝑔 A solubilidade para 666,67kg na solução será 𝑠 = 𝑆ó𝑙𝑖𝑑𝑜𝑠[𝑔] Á𝑔𝑢𝑎 [𝑔] = 666,67 𝑘𝑔 (10 000 − 1666,67) 𝑘𝑔 = 0,08 Assim, para que esteja solubilizado apenas 666,67kg, a temperatura deve ser resfriada, no cristalizador, para 0,08 = 0,04 + 0,002(𝑇) 0,002𝑇 = 0,04 𝑇 = 20º𝐶 Gabarito: Letra B) 44. No processo químico representado na figura abaixo, o efluente do reator R é dirigido ao separador S, do qual sai uma corrente com todo o A e todo o I presentes nesse efluente. Na alimentação do reator, a vazão de A é de 125 kmol/h. O processo químico apresentado recebe uma alimentação constituída de 100 kmol/h de um reagente A e uma certa quantidade de substância inerte I. Da corrente com todo o A e todo o I que sai de S, 50% são reciclados para a entrada do reator. Os outros 50% são purgados para evitar o acúmulo do inerte I no processo. A conversão por passe é 60%. Dessas informações, depreende-se que a conversão global de A seja (A) 55% (B) 60% (C) 75% (D) 80% (E) 90% Comentários: A partir do enunciado, temos que há a entrada de 100 kmol/h de A pela alimentação e uma entrada de 125 kmol/h de A no reator. Assim, temos por balanço de massa das correntes que a realimentação contribui na alimentação com 125-100=25 kmol/h de A. Como foi dito no enunciado que 50% são reciclados para a entrada do reator e outros 50% são purgados, temos que esses 25 kmol/h de A representam 50% e que os outros 25kmol/h de A são purgados. Assim, na realização de um balanço geral de A, temos que entra no processo 100 kmol/h de A e saem do processo 25 kmol/h. Logo, 𝐶𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠ã𝑜 = 𝑛𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 − 𝑛𝑠𝑎𝑖 𝑛𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 𝑥100% = (100 − 25) 𝑘𝑚𝑜𝑙 ℎ 100 𝑘𝑚𝑜𝑙 ℎ 𝑥100% = 75% Gabarito: Letra C) 51. Um material sólido que contém umidade passa por um processo de secagem em batelada. A massa inicial do sólido úmido é de 50 kg, e a percentagem mássica de umidade nesse sólido é igual a 99% (em base úmida, ou seja, em relação à massa total do sólido úmido). Após o processo de secagem, verificou-se que a percentagem mássica de umidade no sólido em base úmida era de 98%. A massa total do sólido (incluindo a umidade restante) após o processo de secagem é, em quilogramas, igual a (A) 49,5 (B) 49 (C) 45 (D) 25 (E) 24,5 Comentários: Como a percentagem mássica de umidade nesse sólido é igual a 99%, temos que 𝑚á𝑔𝑢𝑎, 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = 50𝑘𝑔 𝑥 0,99 = 49,5 𝑘𝑔 Ou seja, 𝑚𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜 = (50,0 − 49,5)𝑘𝑔 = 0,5 𝑘𝑔 Após a secagem, esse 0,5kg representa 2%, pois a percentagem mássica de umidade no sólido em base úmida é de 98%. Assim, temos que, por regra de três simples, a massa total do sólido (incluindo a umidade restante) após o processo de secagem é 0,5kg - 2% X - 100% X= 25kg de Sólido Úmido Gabarito: Letra D) 53. Uma corrente gasosa com vazão molar de 40 kmol/h e contendo ar e 5% molar de acetona é tratada, para remover 80% da acetona presente, em uma coluna de absorção que opera a 300 K e 101,3 kPa. A água é usada como solvente com vazão molar de 100 kmol/h. A equação de equilíbrio do sistema acetona – ar – água é y = 2,53x onde y e x são as composições molares da fase líquida e da fase gasosa em equilíbrio. A composição molar de acetona do produto líquido é, aproximadamente, (A) 0,40% (B) 1,04% (C) 1,57% (D) 5,00% (E) 99,98% Comentários: A partir do enunciado da questão, temos que na entrada da torre de absorção há uma corrente de gás com 40 kmol/h, contendo ar e 5% molar de acetona, ou seja, 2kmol/h de acetona. Na entrada do líquido que promoverá a absorção, temos 100 kmol/h de água. Como a eficiência da remoção de acetona atinge 80%, temos na saída do líquido que absorverá os 80% de acetona da entrada 𝐿 𝑠𝑎í𝑑𝑎 = 100 𝑘𝑚𝑜𝑙 ℎ + 0,80𝑥 2𝑘𝑚𝑜𝑙 ℎ = 101,6 𝑘𝑚𝑜𝑙 ℎ E na saída do gás, 𝐺 𝑠𝑎í𝑑𝑎 = 38 𝑘𝑚𝑜𝑙 ℎ + 0,20𝑥 2𝑘𝑚𝑜𝑙 ℎ = 38,4 𝑘𝑚𝑜𝑙 ℎ Como foi pedido a composição molar de acetona do produto líquido de saída, temos que 𝑥𝐿 = 𝐿𝑎𝑐𝑒𝑡𝑜𝑛𝑎, 𝑠𝑎í𝑑𝑎 𝐿 𝑠𝑎í𝑑𝑎 = 1,6 𝑘𝑚𝑜𝑙 ℎ 101,6 𝑘𝑚𝑜𝑙 ℎ 𝑥100% = 1,57% Para uma maior compreensão, segue o fluxograma do processo abaixo. Gabarito: Letra D) 62. O Teorema dos Estados Correspondentes a Três Parâmetros, quando aplicado a dois gases reais, afirma que se esses gases possuírem o mesmo valor de fator (A) acêntrico, quando comparados nas mesmas condições de temperatura crítica e pressão crítica, ambos terão aproximadamente o mesmo fator de compressibilidade. (B) acêntrico, quando comparados nas mesmas condições de temperatura reduzida e pressão reduzida, ambos terão aproximadamente o mesmo fator de compressibilidade. (C) acêntrico, quando comparados nas mesmas condições de temperatura e pressão, ambos terão aproximadamente o mesmo fator de compressibilidade. (D) compressibilidade, quando comparados nas mesmas condições de temperatura crítica e pressão reduzida, ambos terão aproximadamente o mesmo fator acêntrico. (E) compressibilidade, quando comparados nas mesmas condições de temperatura reduzida e pressão reduzida, ambos terão aproximadamente o mesmo fator acêntrico. Comentários: O Teorema dos estados correspondentes a Três Parâmetros afirma que todos os fluidos, quando comparados a uma mesma temperatura e pressão reduzidas, têm aproximadamente o mesmo fator de compressibilidade e o mesmo grau de desvio (fator acêntrico) em relação ao comportamento de gás ideal. Para ilustrar, temos abaixo um gráfico com o fator de compressibilidade em função de Pr e Tr para dez substâncias comuns. Os símbolos correspondem a resultados experimentais e as linhas às previsões do princípio (macroscópico) dos estados correspondentes. Gabarito: Letra B) PROVA 2012 25. Uma corrente líquida contendo um composto orgânico com vazão de 25.000 kg/h é parcialmente vaporizada em um refervedor, sendo o calor de vaporização do orgânico Δhvap≈ 350 kJ.kg−1. O calor é fornecido por 2.000 kg.h−1 de vapor de água saturado que se condensa totalmente, conforme ilustrado na figura a seguir. Admita que os processos de mudança de fase ocorram isotermicamente, que a pressão manométrica de entrada do vapor é 4 atm e que a temperatura de vapor é 20 °C superior à temperatura do orgânico. Nessas condições, os valores aproximados da vazão vaporizada do composto orgânico e da temperatura de saída do orgânico são, respectivamente, (A) 12 t/h e 132 °C (B) 12 t/h e 152 °C (C) 8 t/h e 124 °C (D) 5 t/h e 132 °C (E) 5 t/h e 124 °C Comentários: A corrente de orgânico recebe o calor do vapor saturado que entra a pressão manométrica de 4 atm (pressão absoluta 5 atm). Este calor irá vaporizar uma parte da corrente orgânica a temperatura constante, ou seja, a temperatura de entrada de orgânico será a mesma da saída. Utilizando da tabela de propriedade termodinâmicas fornecidas no final da prova, temos que a corrente de vapor saturada, à 5atm, possui temperatura e entalpia de vaporização iguais a 152ºC e ∆𝑣𝑎𝑝= 2 123 𝑘𝐽 𝑘𝑔 , respectivamente. Como foi dito no enunciado que a corrente de orgânico é 20ºC menor que a de vapor, temos que sua temperatura será de 132ºC. Calculando a vazão vaporizada do composto orgânico a partir do balanço de energia que considera que o calor que um fornece o outro absorve, temos que 𝑄 = 𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟.𝐻𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = 𝑚𝑣𝑎𝑝.𝑜𝑟𝑔.𝐻𝑣𝑎𝑝.𝑜𝑟𝑔 𝑚𝑣𝑎𝑝.𝑜𝑟𝑔. = 𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟.𝐻𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝐻𝑣𝑎𝑝.𝑜𝑟𝑔 Substituindo os dados, 𝑚𝑣𝑎𝑝.𝑜𝑟𝑔. = 2000 𝑘𝑔 ℎ 𝑥 2 123 𝑘𝐽 𝑘𝑔 350 𝑘𝐽 𝑘𝑔 𝑚𝑣𝑎𝑝.𝑜𝑟𝑔.≅ 12 000 𝑘𝑔 ℎ = 12 𝑡𝑜𝑛𝑒𝑙𝑎𝑑𝑎𝑠 ℎ Gabarito: Letra A) 29. No processo de absorção de H2S por DEA para a eliminação de gases ácidos de correntes gasosas, a eficiência da remoção de enxofre atinge 98%. Nesse processo, uma corrente de gás natural, com vazão mássica de 3 t/h, contendo 15% de H2S, é tratada com 2 t/h de uma corrente contendo água e DEA. A fração mássica de H2S na corrente de líquido efluente da coluna de absorção é, aproximadamente, igual a (A) 14% (B) 18% (C) 22% (D) 25% (E) 27% Comentários: Partindo de um fluxograma do processo, temos que na entrada do processo há uma corrente de gás natural, com vazão mássica de 3 t/h, contendo 15% de H2S, ou seja, 0,45 t/h de H2S e 2 t/h entrando em uma corrente líquida de água e DEA. Como a eficiência da remoção de enxofre atinge 98%, temos na saída do gás 𝐺𝐻2𝑆, 𝑠𝑎í𝑑𝑎 = 0,45 𝑡 ℎ 𝑥 0,02 = 0,009 𝑡 ℎ 𝑑𝑒 𝐻2𝑆 E na saída do líquido, 𝐿𝐻2𝑆, 𝑠𝑎í𝑑𝑎 = 0,45 𝑡 ℎ 𝑥 0,98 = 0,441 𝑡 ℎ 𝑑𝑒 𝐻2𝑆 Assim, a fração mássica de H2S na corrente de líquido efluente da coluna de absorção é, 𝑥𝐻2𝑆,, 𝑠𝑎í𝑑𝑎 = 𝐿𝐻2𝑆, 𝑠𝑎í𝑑𝑎 𝐿á𝑔𝑢𝑎+𝐷𝐸𝐴 + 𝐿𝐻2𝑆, 𝑠𝑎í𝑑𝑎 = 0,441 𝑡 ℎ 2 𝑡 ℎ + 0,441 𝑡 ℎ = 0,1807 ≅ 18% No fluxograma, Gabarito: Letra B) 38. Um sistema opera com múltiplos reatores adiabáticos, que processam uma reação R → P, intercalados com resfriadores, conforme ilustrado na figura a seguir. As correntes são altamente diluídas com inerte para controle de temperatura, de forma que a capacidade calorífica das correntes é aproximadamente igual à capacidade calorífica do inerte. As temperaturas de entrada e saída das correntes nos reatores estão indicadas na figura. A conversão total de R no processo é de Dados: ΔH da reação = −25.000 J/mol Capacidade calorífica do inerte = 10 J/(mol.K) Fração molar de R na alimentação = 0,1 (A) 30% (B) 40% (C) 50% (D) 60% (E) 80% Comentários: Como foi dito nos dados da questão que a fração molar de R na alimentação é 0,1, partindo de uma base de cálculo de entrada de 1 mol, sendo 0,1 mol de R, temos que o calor de reação liberado será controlado pelo número de mols de R que reagem, e este irá aquecer toda a corrente, que teve aumentos de 40º, 30º e 30ºC em cada reator, totalizando um aumento de temperatura por conta da reação de 100ºC. Assim, temos que ∆𝐻𝑑𝑎 𝑟𝑒𝑎çã𝑜 . 𝑛𝑅 . 𝑋𝑅 = 𝑛𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 . 𝐶𝑝∆𝑇 Substituindo os dados, 25000 𝐽 𝑚𝑜𝑙 . 0,1 𝑚𝑜𝑙. 𝑋𝑅 = 1 𝑚𝑜𝑙. 10 𝐽 𝑚𝑜𝑙. 𝐾 100𝐾 Isolando a conversão 𝑋𝑅 𝑋𝑅 = 0,4 = 40% Gabarito: Letra B) 43. Um mol de um gás monoatômico ideal sofre a transformação LMN reversível mostrada no diagrama PV. A quantidade de calor, em kJ, trocada entre o gás e a vizinhança, durante essa transformação, é Dados: Calor específico do gás ideal monoatômico a volume constante = 3R/2 Calor específico do gás ideal monoatômico a pressão constante = 5R/2 onde R = 8,3 J.mol−1.K−1 (A) 6,0 (B) 15 (C) 24 (D) 30 (E) 36 Comentários: A somatória da energia interna, considerando a etapa a volume constante(∆𝑈𝑣) e a etapa a pressão constante(∆𝑈𝑝), temos que ∆𝑈 = ∆𝑈𝑣 + ∆𝑈𝑝 = (𝑛𝐶𝑣∆𝑇) + (𝑛𝐶𝑝∆𝑇) Como Calor específico do gás ideal monoatômico a volume constante = 3R/2 e Calor específico do gás ideal monoatômico a pressão constante = 5R/2, substituindo ∆𝑈 = (𝑛 3𝑅 2 ∆𝑇) + (𝑛 5𝑅 2 ∆𝑇) Onde ∆𝑇 = 𝑇𝑓 − 𝑇𝑖 Como, a partir da lei dos gases, 𝑇𝑓 = 𝑃𝑓𝑉𝑓 𝑛𝑅 𝑒 𝑇𝑖 = 𝑃𝑖𝑉𝑖 𝑛𝑅 Temos que substituindo, ∆𝑈 = (𝑛 3𝑅 2 ( 𝑃𝑓𝑉𝑓 𝑛𝑅 − 𝑃𝑖𝑉𝑖 𝑛𝑅 )) + (𝑛 5𝑅 2 ( 𝑃𝑓𝑉𝑓 𝑛𝑅 − 𝑃𝑖𝑉𝑖 𝑛𝑅 )) Como a volume constante 𝑉𝑓 = 𝑉𝑖 e a pressão constante 𝑃𝑓 = 𝑃𝑖 , temos ∆𝑈 = (𝑛 3𝑅𝑉 2 ( 𝑃𝑓 𝑛𝑅 − 𝑃𝑖 𝑛𝑅 )) + (𝑛 5𝑅𝑃 2 ( 𝑉𝑓 𝑛𝑅 − 𝑉𝑖 𝑛𝑅 )) Simplificando, ∆𝑈 = ( 3𝑉 2 (𝑃𝑓 − 𝑃𝑖)) + ( 5𝑃 2 (𝑉𝑓 − 𝑉𝑖)) Substituindo os dados obtidos no gráfico, ∆𝑈 = ( 3𝑥40. 10−3𝑚3 2 (2,0 − 1,0). 105 𝑁 𝑚2 ) + ( 5 𝑥 2,0. 105 𝑁 𝑚2 2 (100 − 40)10−3𝑚3) ∆𝑈 = 36. 103𝑁. 𝑚 = 36 𝑘𝐽 Gabarito: Letra E) 50. Um instrumento utilizado para medir temperatura encontra-se a uma temperatura estacionária de 30 °C, apresentando uma constante de tempo de 0,5 min. No tempo inicial (t = 0), o instrumento é colocado em um sistema mantido a 70 °C. Após 0,5 min, a temperatura lida pelo instrumento, em °C, será de, aproximadamente, (A) 70 (B) 55 (C) 50 (D) 45 (E) 30 Comentários: No enunciado foi dado que a constante de tempo é 𝜏 = 0,5 𝑚𝑖𝑛 e que a perturbação do sistema levou a temperatura de 30ºC a 70ºC, ou seja, o sistema possui um ganho de 𝐾 = (70 − 30)º𝐶 = 40º𝐶. Assim, temos que aplicando a função transferência para sistemas de primeira ordem, ∆𝑇(𝑠) = 40 0,5𝑠 + 1 Com equação em função do tempo igual a, ∆𝑇(𝑡) = 40𝑥 (1 − 𝑒− 𝑡 𝜏) Quando 𝑡 = 𝜏 = 0,5 𝑚𝑖𝑛, temos que, substituindo ∆𝑇(𝑡 = 0,5𝑚𝑖𝑛) = 40𝑥 (1 − 𝑒− 𝜏 𝜏) = 40𝑥(1 − 𝑒−1) Que pela tabela de expoentes dada (𝑒−1 = 0,37), ∆𝑇(𝑡 = 0,5𝑚𝑖𝑛) = 40𝑥(1 − 0,37) = 40𝑥0,63 ∆𝑇(𝑡 = 0,5𝑚𝑖𝑛) = 25,2 º𝐶 Como a temperatura inicial era de 30ºC, temos que 𝑇(𝑡 = 0,5𝑚𝑖𝑛) = 𝑇(𝑡 = 0) + ∆𝑇(𝑡 = 0,5𝑚𝑖𝑛) Substituindo os dados, 𝑇(𝑡 = 0,5𝑚𝑖𝑛) = 30 º𝐶 + 25,2 º𝐶 𝑇(𝑡 = 0,5𝑚𝑖𝑛) = 55,2 º𝐶 Gabarito: Letra A) 66. Um fluido incompressível (μfluido = 1,28 x 10−2 Pa.s e ρfluido = 0,80 g/cm3) escoa em regime permanente através do tubo de Venturi esquematizado na figura abaixo. No trecho mostrado, as perdas de carga são desprezíveis. Entre as seções 1 e 2, cujos diâmetros são 8 cm e 4 cm, respectivamente, é instalado um manômetro de mercúrio (ρHg = 13,6 g/cm3), no qual o desnível h é igual a 20 cm. Com base nas informações do enunciado, e considerando g = 10 m/s2 e π = 3, a vazão de escoamento do fluido, em L/s, e o regime de escoamento (laminar ou turbulento) na seção 1 são Obs.: Aproxime o valor de raiz quadrada para um número inteiro. (A) 9,6 e turbulento (B) 9,6 e laminar (C) 24 e turbulento (D) 24 e laminar (E) 96 e turbulento Comentários: Partindo da equação de Bernoulli, 𝑃1 𝜌 + (𝑉1)2 2 + 𝑧1𝑔 = 𝑃2 𝜌 + (𝑉2)2 2 + 𝑧2𝑔 Como as cotas(z), nível, de 1 e 2 são iguais, temos que, 𝑃1 𝜌 + (𝑉1)2 2 = 𝑃2 𝜌 + (𝑉2)2 2 Isolando as velocidades, 2(𝑃1 − 𝑃2) 𝜌 = (𝑉2)2 − (𝑉1)2 Como a velocidade 𝑉 = 𝑉𝑎𝑧ã𝑜 (𝑄) Á𝑟𝑒𝑎 (𝐴) = 4𝑄 𝜋𝐷2 Temos que substituindo pelas respectivas velocidades nos pontos 1 e 2, 2(𝑃1 − 𝑃2) 𝜌 = ( 4𝑄 𝜋𝐷2 2) 2 − ( 4𝑄 𝜋𝐷1 2) 2 2(𝑃1 − 𝑃2) 𝜌 = 16𝑄2 𝜋2𝐷2 4 − 16𝑄2 𝜋2𝐷1 4 Isolando a vazão(Q), que é igual em ambos os pontos (1 e 2), 2(𝑃1 − 𝑃2) 𝜌 = 16𝑄2 𝜋2 ( 1 𝐷2 4 − 1 𝐷1 4) 2𝜋2(𝑃1 − 𝑃2) 16𝑄2𝜌 ( 1 𝐷2 4 − 1 𝐷1 4) = 𝑄2 𝑄 = √ 𝜋2(𝑃1 − 𝑃2) 8𝜌 ( 1 𝐷2 4 − 1 𝐷1 4) Como 𝑃1 − 𝑃2 = 𝜌𝐻𝑔. 𝑔. ℎ, temos que 𝑄 = √ 𝜋2(𝜌𝐻𝑔. 𝑔. ℎ) 8𝜌𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 ( 1 𝐷2 4 − 1 𝐷1 4) Substituindo os dados, 𝑄 = √ 32(13 600𝑥10𝑥. 0,20) 8𝑥800𝑥 ( 1 0,044 − 1 0,084) 𝑄 = 0,01022 𝑚3 𝑠 = 10,22 𝐿 𝑠 Com o valor mais próximo dentre as opções do gabarito sendo 9,6 L/s. Calculando a velocidade no ponto 1, a partir da vazão e diâmetro, 𝑉1 = 4𝑄 𝜋𝐷1 2 = 4𝑥0,01022 𝑚3 𝑠 3𝑥(0,08𝑚)2 𝑉1 = 2,13 𝑚 𝑠 Para determinar se o regime de escoamento (laminar ou turbulento), na seção 1, aplicando o número de Reynolds, temos que 𝑅𝑒 = 𝜌𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜𝑉1𝐷1 𝜇 = (800 𝑘𝑔 𝑚3 𝑥2,13 𝑚 𝑠 𝑥0,08𝑚) 1,28. 10−2𝑃𝑎. 𝑠 𝑅𝑒 = 10 645,81 Caracterizando um regime turbulento. Gabarito: Letra A) PROVA 2018 26 - Um ciclo de refrigeração a ar em que ocorre um processo de expansão numa turbina está representado na Figura abaixo. Considere ociclo-padrão a ar de refrigeração simples, onde o ar entra no compressor a 0,1 MPa e 253 K, deixando-o a 0,5 MPa. O modelo utilizado para o ar é de gás perfeito com Cp = 1,0035 KJ Kg-1K-1, Cv = 0,7165 KJ Kg-1K-1 para uma temperatura de 300K. Cada processo ocorre em regime permanente e não ocorrem variações de energia cinética ou potencial no sistema. Sabendo-se que o ar entra na turbina a 288 K, o coeficiente de eficácia desse ciclo é de A) 0,5 B) 0,6 C) 0,8 D) 1,7 E) 2,7 Gabarito: Item D) Comentários: O coeficiente de eficácia (COP) do ciclo de refrigeração é dado por 𝐶𝑂𝑃 = 𝑄𝑓 𝑊 = 𝑄𝑓 𝑄𝑞 − 𝑄𝑓 Que pode ser aproximado pelas temperaturas, 𝐶𝑂𝑃 = 𝑇𝑓 𝑇𝑞 − 𝑇𝑓 A temperatura 𝑇𝑓 = 253 foi dada e a temperatura 𝑇𝑞 é obtida a partir da análise no compressor, onde 𝑃1 𝑃2 = ( 𝑇1 𝑇2 ) 𝑛 𝑛−1 𝑜𝑛𝑑𝑒 𝑛 = 𝐶𝑝 𝐶𝑣 Substituindo os dados, 𝑛 = 𝐶𝑝 𝐶𝑣 = 1,0035 0,7165 = 1,4 0,1 𝑀𝑃𝑎 0,5 𝑀𝑃𝑎 = ( 253 𝑇2 ) 1,4 1,4−1 𝑇2 = 400 𝐾 Substituindo os dados no coeficiente de eficácia (COP), 𝐶𝑂𝑃 = 253 400 − 253 = 1,72 35 - A Equação de Arrhenius, k = k0 exp(−E/RT), pode ser escrita na forma logarítmica gerando a expressão ln k = ln k0 – E/RT. Os dados apresentados na Tabela a seguir referem-se à reação 2A → 2B + C. A partir desses dados plotados na Figura abaixo, calcula-se a Energia de Ativação desta reação. O valor da energia de ativação expresso em J/mol é A) 120.000 B) 118.771 C) 135.000 D) 143.250 E) 131.259 Gabarito: Letra B) Comentários: Partindo da forma logarítmica da Equação de Arrhenius, ln 𝑘 = ln 𝑘𝑜 − 𝐸 𝑅 . 1 𝑇 temos que a inclinação do gráfico ln 𝑘 x 1 𝑇 será dada pelo valor de − 𝐸 𝑅 . Assim, calculando a inclinação do gráfico, temos que − 𝐸 𝑅 = ∆(ln(𝑘)) ∆ ( 1 𝑇) = [−5 − (∓5)] (0,0030 − 0,0023)𝐾−1 − 𝐸 𝑅 = −10. 104 7𝐾−1 = −1,4248. 104𝐾 𝐸 = 1,4248. 104𝐾 𝑥 8,31447 𝐽 𝑚𝑜𝑙. 𝐾 ∴ 𝑬𝒂 = 𝟏𝟏𝟖. 𝟕𝟕𝟖 𝑱 𝒎𝒐𝒍 38 - A reação elementar A → B ocorre em um reator tubular (PFR – reator com escoamento uniforme), representado pela Figura abaixo, com uma vazão volumétrica de entrada de 6 L/min. A velocidade específica de reação é 0,25 min−1. O volume do reator necessário para reduzir a concentração de saída a 20% da concentração de entrada é, aproximadamente, A) 38 B) 45 C) 32 D) 50 E) 28 Gabarito: Letra A) Comentários: A partir da Equação de PFR, temos que 𝑑𝐶𝐴 = 𝑟𝐴 𝑞 𝑑𝑉𝑇 𝑑𝑉𝑇 = 𝑞 𝑑𝐶𝐴 𝑟𝐴 Como a velocidade de reação é de primeira ordem em relação á A. −𝑟𝐴 = 𝑘𝐶𝐴 = 𝑘𝐶𝐴,0(1 − 𝑋𝐴) Substituindo 𝑟𝐴 pela equação referente e 𝑑𝐶𝐴 por 𝐶𝐴,0𝑑𝑋𝐴 𝑑𝑉𝑇 = 𝑞 𝐶𝐴,0 𝑑𝑋𝐴 𝑘𝐶𝐴,0(1 − 𝑋𝐴) Simplificando e integrando ambas as partes, ∫ 𝑑𝑉𝑇 = 𝑞 ∫ 𝑑𝑋𝐴 𝑘(1 − 𝑋𝐴) Como 𝑘 é constante, ∫ 𝑑𝑉𝑇 = 𝑞 𝑘 ∫ 𝑑𝑋𝐴 (1 − 𝑋𝐴) 𝑉𝑇 = 𝑞 𝑘 [− ln(1 − 𝑋𝐴)] Calculando 𝑋𝐴, onde foi dado que a concentração de saída a 20% da concentração de entrada. 𝑋𝐴 = 100 − 20 100 = 0,8 Substituindo os dados, 𝑉𝑇 = 𝑞 𝑘 [− ln(1 − 𝑋𝐴)] = 6 𝐿 𝑚𝑖𝑛 0,25 𝑚𝑖𝑛−1 [− ln(1 − 0,8)] 𝑽𝑻 = 𝟑𝟖, 𝟔𝟑𝑳 40 - Um engenheiro de processamento deseja modelar um sistema de nível, que trabalha em regime laminar. Sabe-se que a equação diferencial desse sistema é 𝑹𝑪 𝒅𝒉 𝒅𝒕 + 𝒉 = 𝑹𝒒𝒊 e que 𝒒𝒐 = 𝒉 𝑹 ,onde: R é a resistência ao fluxo de líquido (constante); C é a capacitância do reservatório (constante); h é uma pequena variação da altura do fluido em função de uma pequena variação da taxa de escoamento q, sendo qi e qo pequenas variações na entrada e na saída do sistema, respectivamente. Qual a função de transferência do sistema, no domínio da frequência, modelada por esse engenheiro? A) 𝑸𝒐(𝑺) 𝑸𝒊(𝑺) = 𝑪 𝑹𝑪+𝟏 B) 𝑸𝒐(𝑺) 𝑸𝒊(𝑺) = 𝑹 𝑹𝑪−𝟏 C) 𝑸𝒐(𝑺) 𝑸𝒊(𝑺) = 𝟏 𝑹𝑪+𝟏 D) 𝑸𝒐(𝑺) 𝑸𝒊(𝑺) = 𝟏 𝑹𝑪−𝟏 E) 𝑸𝒐(𝑺) 𝑸𝒊(𝑺) = 𝑹𝑪 𝑹𝑪+𝟏 Gabarito: Anulada por falta de gabarito. Comentários: Partindo da equação diferencial do sistema, temos que 𝑅𝐶 𝑑ℎ 𝑑𝑡 + ℎ = 𝑅𝑞𝑖 Aplicando Transformada de Laplace em ambos os lados, 𝑅𝐶. 𝑠. 𝐻(𝑠) + 𝐻(𝑠) = 𝑅𝑄𝑖(𝑠) Colocando 𝐻(𝑠) em evidência, (𝑅𝐶. 𝑠 + 1)𝐻(𝑠) = 𝑅𝑄𝑖(𝑠) Isolando 𝑄𝑖(𝑠), 𝑄𝑖(𝑠) = (𝑅𝐶. 𝑠 + 1) 𝑅 𝐻(𝑠) Como, pelo enunciado, 𝑄𝑜(𝑠) = 𝐻(𝑠) 𝑅 Fazendo a razão 𝑄𝑜(𝑠) 𝑄𝑖(𝑠) = [ 𝐻(𝑠) 𝑅 ] [ (𝑅𝐶. 𝑠 + 1) 𝑅 𝐻(𝑠)] Simplificando, 𝑄𝑜(𝑠) 𝑄𝑖(𝑠) = 1 (𝑅𝐶. 𝑠 + 1) 59 - Uma indústria de produtos alimentícios possui um reator do tipo CSTR em um processo de mistura intensa. A função desse reator é processar a reação de hidrólise do anidrido acético (1a ordem em anidrido) com excesso de água a 25 °C e 1 atm. Essa reação está expressa abaixo: C4H6O3 + H2O → 2 CH3COOH A reação deverá produzir 20 kg/h de ácido acético, a constante de velocidade é aproximadamente 0,05 min-1, a concentração inicial de anidrido acético é de 100 g/L, e a conversão, de 80%. O volume aproximado, em litros, desse reator é (Dados: Massa Molar do Ácido Acético (CH3COOH) = 60 g/mol; Massa Molar do Anidrido Acético (C4H6O3) = 102 g/mol) A) 550,6 B) 253,1 C) 128,4 D) 103,7 E) 96,5 Gabarito: Letra B) Comentários: A partir da equação de volume para o reator CSTR, temos que 𝑉𝐶𝑆𝑇𝑅 = 𝐹𝐴,0𝑋𝐴 −𝑟𝐴 Onde, no caso, A será o anidrido acético e −𝑟𝐴 = 𝑘. 𝐶𝐴 = 𝑘. 𝐶𝐴,0(1 − 𝑋𝐴). Como 𝐹𝐴,0 = 𝐶𝐴,0. 𝑣0 Substituindo na equação, temos 𝑉𝐶𝑆𝑇𝑅 = 𝐶𝐴,0. 𝑣0. 𝑋𝐴 𝑘. 𝐶𝐴,0(1 − 𝑋𝐴) = 𝑣0. 𝑋𝐴 𝑘. (1 − 𝑋𝐴) Como 𝐹𝑅 = 𝐹𝐴,0(2𝑋𝐴) = 𝐶𝐴,0. 𝑣0(2𝑋𝐴) = 20 𝑘𝑔 ℎ 60𝑘𝑔/𝑘𝑚𝑜𝑙 = 0, 3̅𝑘𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝐶𝐴,0. 𝑣0(2𝑋𝐴) = 0, 3̅𝑘𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑣0 = 0,3̅̅ ̅̅ 𝑘𝑚𝑜𝑙 ℎ 𝐶𝐴,0(2𝑋𝐴) Calculando a concentração inicial de anidrido, 𝐶𝐴,0 = 100𝑔 𝐿 102 𝑔/𝑚𝑜𝑙 = 0,9804𝑚𝑜𝑙/𝐿 E dado que (𝑋𝐴) = 0,80 Temos que 𝑣0 = 0,3̅̅ ̅̅ 𝑘𝑚𝑜𝑙 ℎ 0,9804𝑚𝑜𝑙 𝐿 (2𝑥0,8) = 212,50 𝐿 ℎ Substituindo os dados em, 𝑉𝐶𝑆𝑇𝑅 = 𝑣0. 𝑋𝐴 𝑘. (1 − 𝑋𝐴) 𝑉𝐶𝑆𝑇𝑅 = 212,50 𝐿 ℎ 𝑥 1ℎ 60𝑚𝑖𝑛 0,8 0,05𝑚𝑖𝑛−1(1 − 0,8) Temos que, 𝑉𝐶𝑆𝑇𝑅 = 283,33 𝑉 Dentre as opções da questão, a letra B é a que mais se aproxima e é o gabarito fornecido pela banca. 70 - Cinco experimentos de filtração de uma suspensão de um sal em água foram conduzidos em laboratório. Foram mantidas constantes todas as condições experimentais em todos os experimentos, exceto a queda de pressão (Δp), que foi variada em cinco níveis distintos resultantes, um para cada experimento. Os resultados em termos da razão ‘tempo de filtração’ por ‘volume de filtrado’ (t/V) versus ‘volume de filtrado’ são exibidos na Figura abaixo, onde cada reta numerada descreve o comportamento para um experimento. Analisando-se os coeficientes linear e angular de cada reta, verifica-se que o experimento conduzido com o menor Δp foi o A) 5 B) 4 C) 3 D) 2 E) 1 Gabarito: Letra E) Comentários: O tempo de filtração a uma Δp constante é dado por, 𝑡 = 𝐾𝐶 2∆𝑃 . 𝑉2 + 𝐾𝑀𝐹 ∆𝑃 . 𝑉 Onde 𝐾𝐶 𝑒 𝐾𝑀𝐹 são constantes e V é o volume de filtrado. Dividindo ambos os lados pelo volume V, temos que 𝑡 𝑉 = 𝐾𝐶 2∆𝑃 . 𝑉 + 𝐾𝑀𝐹 ∆𝑃 Assim, notamos que para um gráfico 𝑡 𝑉 𝑥 𝑉 a reta que possui maiores coeficientes lineares e angulares, possui, consequentemente, um menor ∆𝑃, visto que para todos os casos as constantes 𝐾𝐶 𝑒 𝐾𝑀𝐹 são iguais. Desta forma, verifica-se que o experimento conduzido com o menor Δp foi o experimento 1. Página em branco