Notas de Aula - Reatores – Prof. Dr. Marco Antonio

U S P – E E L - Escola de Engenharia de Lorena
Reatores – Aula 2 – Introdução a Engenharia de Reatores
1 – Revisão de Conceitos Fundamentais
Estequiometria: Regra Geral
aA + bB → rR + Ss
Δ NA
Δ NB
Δ NR
Δ NS
=
=
=
a
b
r
s
e então tem-se que :
Conversão (ou fração convertida) de uma espécie química A em uma reação química é a
relação entre o número de moles de A que reage e o número inicial de moles introduzido no
reator.
XA =
N A0 X A = N A0 − N A
⇒
N A0 − N A
N A0
N A = N A0 (1 − X A )
N A0 X A = Δ N A
e
Concentração Molar é o número de moles de uma espécie A em função do volume.
CA =
NA
V
N A = N A0 (1 − X A )
e
CA =
N A 0 (1 − X A )
=
V0 (1 + ξ A X A )
V = V0 (1 + ξ A X A )
e
C A 0 (1 − X A )
(1 + ξ A X A )
Velocidade de Reação Química
Seja a reação :
− rA = k C An
A→
produtos
onde: k = constante de velocidade e
n = ordem de reação.
Unidades de constante de velocidade
Para uma equação de velocidade geral do tipo : (− rA ) = k C An
ou
−
dC A
= kC An
dt
tem-se que as unidades da constante de velocidade sempre serão do tipo :
n
⎡
⎤
mol
⎡ mol ⎤
⎢ volume * tempo ⎥ = k ⎢ volume ⎥
⎣
⎦
⎣
⎦
e
(
k = mol
)
1−
volume
n
(tempo )−1
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Reatores – Aula 2 – Introdução a Engenharia de Reatores
Efeito da Temperatura na Velocidade de uma Reação
k = k0 e−E RT
⇐
ln k = ln k 0 −
Lei de Arrhenius ⇒
E 1
R T
Reações Isotérmicas a Volume Constante
(i)
as reações em fase líquida ou
(ii)
as reações em fase gasosa onde Δn=0 (Δn é o somatório dos coeficientes
estequiométricos dos produtos gasosos subtraído do somatório dos coeficientes
estequiométricos dos reagentes gasosos em uma reação química).
2 – Conceitos Gerais de Sistemas Contínuos
Velocidade molar (ou vazão molar)
É a razão entre o número de moles pelo tempo. Seu símbolo é F.
Vazão
É a relação entre o volume por unidade de tempo. Seu símbolo é v0 .
Relação entre velocidade molar (F) e vazão (v0)
⎡ mol ⎤ ⎫
F =⎢
⎥⎪
⎣ tempo ⎦ ⎪
⎬ ⇒
⎡ volume ⎤ ⎪
v=⎢
⎥
⎣ tempo ⎦ ⎪⎭
⎡ mol ⎤
⎢ tempo ⎥
F
⎦ = ⎡ mol ⎤ = C
= ⎣
v ⎡ volume ⎤ ⎢⎣ volume ⎥⎦
⎢ tempo ⎥
⎣
⎦
Em resumo :
Fi
= Ci
v
Conversão para Operações Contínuas
⎡ N A0 ⎤ ⎡ N A ⎤
⎥−
⎢
N A0 − N A ⎣ t ⎦ ⎢⎣ t ⎥⎦
XA =
=
N A0
⎡ N A0 ⎤
⎥
⎢
⎣ t ⎦
⇒
XA =
FA0 − FA
FA0
____________________________2________________________
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3 – Conceitos Gerais de Diluição
3.1 - Sistemas Descontínuos
Conforme já visto no curso de Cinética tem-se que:
solução 1
solução 2
Seja:
CA1
CA2
CA0
ambas as soluções)
V1
V2
V0
concentração da substancia A na solução 1
concentração da substancia A na solução 2
concentração inicial da substancia A para a reação química (após a mistura de
volume da solução 1
volume da solução 2
volume inicial da reação (V1 + V2 )
A regra geral de uma diluição sempre será somar os números de moles de cada uma das soluções:
N Ao = N A1 + N A2
e que analisada sobre o conceito de concentração, conduz a :
e que conduz a :
C Ao =
C Ao V = C A1V1 + C A2 V2
C A1V1 + C A2 V2
V
3.2 - Sistemas Contínuos
Raciocínio idêntico ao anterior se aplica aos sistemas contínuos (que serão amplamente estudados na
disciplina de Reatores).
corrente 1
corrente 2
Seja:
FA1
FA2
FA0
ambas as soluções)
v1
v2
v0
velocidade molar da substancia A na corrente 1
velocidade molar da substancia A na corrente 2
velocidade molar da substancia A no inicio da reação química (após a mistura de
vazão da solução 1
vazão da solução 2
vazão inicial da reação (v1 + v2 )
____________________________3________________________
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A regra geral de uma diluição sempre será somar os números de moles de cada uma das soluções
(expressos aqui em função do tempo):
FAo = FA1 + FA2
e que analisada sobre o conceito de concentração, conduz a :
e que conduz a :
C Ao =
C Ao vo = C A1 v1 + C A2 v2
C A1 v1 + C A2 v2
vo
4 – Tabela Estequiométrica
4.1 – Introdução
aA + bB → rR + sS
Seja a reação química:
Δ NS
Δ NA
Δ NB
Δ NR
=
=
=
a
b
r
s
ΔN B =
b
b
ΔN A = N A 0 X A
a
a
ΔN R =
r
r
ΔN A = N A 0 X A
a
a
ΔN S =
s
s
ΔN A = N A 0 X A
a
a
4.2 - Operação Descontínua
aA + bB → rR + sS
em t = 0
⇒
N A 0 , N B 0 , N R 0 , N S0 , N I 0
⇒
em t = t
Ν Α , Ν Β , Ν R , ΝS , Ν Ι
Espécie
Início da reação
Reage
Final da reação
A
N A0
− N A0 X A
N A0 − N A0 X A
B
N B0
R
NR0
S
N S0
b
N A0 X A
a
r
+ N A0 X A
a
s
+ N A0 X A
a
I
N I0
b
N A0 X A
a
r
N R 0 + N A0 X A
a
s
N S0 + N A 0 X A
a
N I0
−
_
N B0 −
____________________________4________________________
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É comum expressar os parâmetros reacionais da reação em função de concentração.
Entretanto, como concentração é função do volume a tabela estequiométrica deve ser montada
para N (número de moles) e em seguida aplicada às reações químicas com variação de volume
(onde ξ A ≠ 0 ) ou sem variação de volume (onde ξ A = 0 ).
Para as reações químicas a volume variável [ V = V0 (1 + ξ A X A ) ], tem-se:
Espécie
Final da reação (Ni)
A
N A0 − N A0 X A
Final da reação (Ci)
CA0 − CA0 X A
(1 + ξ A X A )
B
N B0 −
b
N A0 X A
a
C B0 − b
a
CA 0 X A
R
NR0 +
r
N A0 X A
a
CR0 + r
a
CA 0 X A
S
N S0 +
s
N A0 X A
a
C S0 + s
a
CA 0 X A
(1 + ξ A X A )
(1 + ξ A X A )
(1 + ξ A X A )
C I0
N I0
I
(1 + ξ A X A )
Para as reações químicas a volume constante (onde ξ A = 0 ), tem-se que:
Espécie
Final da reação (Ni)
Final da reação(Ci)
A
N A0 − N A0 X A
CA0 − CA0 X A
b
N A0 X A
a
r
N R 0 + N A0 X A
a
s
N S0 + N A 0 X A
a
N I0
b
C B0 − C A 0 X A
a
r
CR 0 + CA0 X A
a
s
C S0 + C A 0 X A
a
CI0
B
R
S
I
N B0 −
4.3 – Operação Contínua
aA
em t = 0
em t = t
+
bB
⇒
⇒
→
rR
+
sS
FA 0 , FB0 , FR 0 , FS0 , FI0
FΑ , FΒ , FR , FS , FΙ
____________________________5________________________
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Espécie
Início da reação
Reage
Final da reação
A
FA 0
− FA 0 X A
FA 0 − FA 0 X A
B
FB0
R
FR 0
S
FS0
b
− FA 0 X A
a
r
+ FA 0 X A
a
s
+ FA 0 X A
a
I
FI 0
b
FB0 − FA 0 X A
a
r
FR 0 + FA 0 X A
a
s
FS0 + FA 0 X A
a
FI 0
_
Como concentração é função do volume, e para operação continua: Ci =
Para as reações químicas a volume variável [ V = V0 (1 + ξ A X A ) ], tem-se:
Espécie
Final da reação (Fi)
A
FA 0 − FA 0 X A
B
b
FB0 − FA 0 X A
a
C B0 − b
a
CA 0 X A
R
FR 0 +
r
FA X A
a 0
CR 0 − r
a
CA 0 X A
S
FS0 +
s
FA X A
a 0
C S0 − s
a
CA 0 X A
I
FI 0
Fi
.
v
Final da reação(Ci)
CA0 − CA0 X A
(1 + ξ A X A )
(1 + ξ A X A )
(1 + ξ A X A )
(1 + ξ A X A )
C I0
(1 + ξ A X A )
Para as reações químicas a volume constante (onde ξ A = 0 ), tem-se que:
Espécie
Final da reação (Fi)
Final da reação(Ci)
A
FA 0 − FA 0 X A
CA0 − CA0 X A
b
FB0 − FA 0 X A
a
r
FR 0 + FA 0 X A
a
s
FS0 + FA 0 X A
a
FI0
b
C B0 − C A 0 X A
a
r
CR 0 + CA0 X A
a
s
C S0 + C A 0 X A
a
C I0
B
R
S
I
____________________________6________________________
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5– Equações Gerais de Reatores Ideais
5.1 – Reator Descontínuo Ideal
entra = sai + reage + acumula
Como não existe entrada ou saída durante a
reação, os termos entra e sai são portanto iguais a
ZERO, e a equação geral de balanço de massa de um
reator batelada se resume a :
⊕ (Reage)
=
(-) (Acumula)
⎛ Velocidade de consumo ⎞
⎜
⎟
⎛ Velocidade acúmulo ⎞
⎟
⎜
⎜ do reagente A dentro ⎟
(+ ) ⎜
(
)
do
reagente
A
dentro
=
−
⎟
⎜
do reator devido ⎟
⎟
⎜
⎜
⎟
do reator
⎠
⎝
⎜ à reação química ⎟
⎝
⎠
⎛ consumo de A ⎞
⎛ volume do reator ⎞
⎜
⎟
⎟
⎞⎜
⎛
moles do reagente A
⎟⎟ ⎜ ocupado pela ⎟
[Re age] = ⎜ pela reação ⎟ = (− rA ) V = ⎜⎜
⎝ (tempo )(volume do fluido reagente) ⎠ ⎜ mistura reagente ⎟
⎜ (moles/tempo) ⎟
⎝
⎠
⎝
⎠
[acúmulo ] =
[
(− rA ) V = dN A
dt
dt =
]
d N A0 (1 − X A )
⎛ acúmulo de A ⎞
dN A
dX A
⎜⎜
⎟⎟ =
= − N A0
=
dt
dt
dt
⎝ ( moles/temp o )⎠
N A 0 dX A
(− rA ) V
(− rA ) V = (− ) ⎡⎢(− ) N A
⇒
⎣
⇒
t = N A0
XA
0
dX A ⎤
dt ⎥⎦
dX A
∫ (− r ) V
0
A
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5.2 – Reator de Mistura Ideal
entrada = saída + consumo + acúmulo
Como não existe acumulo durante a reação, o
termo acumulo é portanto igual a ZERO, e a equação
geral de balanço de massa de um reator de mistura
se resume a :
Entrada
=
Saída
(
+
Consumo
)
entrada de A,mol/tempo = FA 0 1 − X A 0 = FA 0 ;
saída de A, mol/tempo = FA = FA 0 (1 − X A ) ;
⎛
⎞
⎜
⎟ ⎛ volume do reator ⎞
⎛ consumo de A ⎞
⎜
⎟
⎟
moles de reagente A
⎜
⎟⎜
⎜ pela reação, ⎟ (− rA ) V = ⎜
⎜ ocupado pelo fluido ⎟
⎟
⎛ volume do fluido ⎞ ⎜
⎜ mol/tempo ⎟
⎟
⎜
⎜⎜
⎟⎟ ⎟⎟ ⎝
(
)
tempo
reagente
⎝
⎠
⎠
⎜
reagente
⎝
⎠⎠
⎝
entrada = saída + consumo
FA 0 = FA 0 − FA 0 X A + (− rA ) V
FA 0 X A = (− rA ) V
V=
⇒
FA 0 X A
(− rA )
5.3 – Reator Tubular Ideal
entrada = saída + consumo + acúmulo
Como não existe acumulo durante a reação,
o termo acumulo é portanto igual a ZERO, e a
equação geral de balanço de massa de um reator
de mistura se resume a :
Entrada
=
Saída
+
Consumo
entrada de A, moles/tempo = FA;
saída de A, moles/tempo = FA + dFA;
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⎛ consumo de A
⎜
⎜ pela reação
⎜ moles/tempo
⎝
⎞
⎟
⎛
⎞
moles de reagente A
⎟⎟ *
⎟ = (− rA )dV = ⎜⎜
⎝ (tempo)(volume do fluido reagente) ⎠
⎟
⎠
⎛ volume do fluido na seção ⎞
⎜⎜
⎟⎟
⎝ do reator considerada ⎠
(entrada) = (saída) + (consumo)
FA = FA + dFA + (-rA) dV
(-rA) dV = (-) dFA
→ mas
[
]
dFA = d FA0 (1− XA ) = (−)FA0 dXA
→ então : (− rA ) dV = FA 0 dX A
∫
V
0
dV = FA 0 ∫
XA
0
dX A
(− rA )
V = FA 0
⇒
XA
dX A
∫ (− r )
0
A
5.4 – Quadro Resumo das Equações Gerais de Reatores Ideais
Quadro 1 – Equações em função de NA
Reator
Forma diferencial
Batch
−
dN A
= (− rA ) V
dt
CSTR
-
PFR
dFA
= (− rA )
dV
Forma integral
t = −∫
dN A
(− rA ) V
NA
N A0
-
V =
-
V =∫
Forma algébrica
FA0 − FA
dFA
(− rA )
FA
FA0
(− rA )
-
Quadro 2 – Equações em função de XA
Reator
Forma diferencial
Batch
N A0
CSTR
PFR
dX A
= (− rA ) V
dt
-
FA0
dX A
= (− rA )
dt
Forma integral
t = N A0 ∫
XA
0
dX A
(− rA ) V
XA
0
-
V=
-
V = FA0 ∫
Forma algébrica
dX A
(− rA )
FA0 X A
(− rA )
-
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Avaliação do Aprendizado
Operações em Sistemas Contínuos
1 - (P1 – 1999) - A reação química em fase líquida 2A + ½B → 2R + 3S ocorre conforme o
esquema abaixo.
Determine a conversão do reagente critico no interior do reator? (XA = 0,75)
(4) A e B
(1) (v=2 L/min e CA=2 M)
(2) (v=4 L/min e CB=3 M)
separador
(3)
(5) CR = 3 M
v = 1 L/min
2 - (P1 – 1998) - A reação química em fase líquida 3 A + ½ B
esquema apresentado abaixo, determine na saída do separador :
A - a produção de R (moles/hora) e a concentração de R (moles/litro)
b - a concentração de A (moles/litro).
→
2 R ocorre no
(6) A e B E 10% R
(2) (v=5 L/min e CB=3 M)
(1) (v=10 L/min)
CA=2 M)
(5) (v=5 L/min e CA=1 M)
separador
XA = 0,30
(7) 90 % R (v=12 L/min)
Resposta: CA6 = 2,37 M;
NR7 = 216 mols/h;
CR7 = 0,30M
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3 - (P1 – 1998) - A reação química em fase líquida 2A + ½B → 3R ocorre no esquema
apresentado abaixo.
Determine na saída do separador a produção de R (moles/hora) e a concentração de R (M)?
Resposta: (CR8 = 0,60M)
(3) (v=5 L/min e CA=4 M)
(1) (v=10 L/min e CA=2 M)
(7) A e B
(2) (v=5 L/min e CB=3 M)
(4)
separador
XA = 0,05
(5)
(8) R (v= 5 L/min)
4 – Calcule a concentração de R na saída do separador do sistema abaixo. (CR = 1,98M)
(2)
(1)
v1 = 2 L/min
CA =3M
v =3 L/min
CB =4M
(3)
(7) A e B
(4)
v =5 L/min
CA =1M
(6)
10 L/min
água
Separador
XA =0,30
(5)
A + 1/2B → 3R
(8)
R
(5 l/min)
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5 - Calcule a concentração de S na saída do separador do sistema apresentado a seguir:
Resposta CS = 0,4125M
(2)
água
5 L/min
(1) 10 L/min
CA =1,5M
CB=3M
(3)
(6) v6 = 1/3 v5
80% de A e B
(4) 5 L/min
CS=0,2M
Separador
XA=0,60
A + 2B → ½ S
(7) S e 20% A e B
6 - (P1 – 1997) - Para o esquema de reação apresentado abaixo, determine na saída do separador:
A – Qual a concentração de R (moles/litro)?
B - Qual a produção de R (moles/hora)?
C - Qual a nova concentração (mol/litro) e produção (mol/hora) de R se o volume de água
adicionado na corrente 4 for dobrado?
(1) v= 0,5 L/min
(4) v= 1 L/min
CA= 4M
água
(2) v= 2 L/min
v6= ½ v5
AeB
(6)
(3) v= 0,5 L/min
CB= 1M
CR= 1M
(5)
XA= 0,90
A + ½ B → 3R
v7
R
Respostas:
(7)
C) CR7 = 2,36M e FR7 = 354 mols/h
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7 – (P1 – 1997) - Para o esquema de reação apresentado abaixo, determine na saída do separador:
A – Qual a concentração de R (moles/litro)?
B – Qual a produção de R (moles/hora)?
Para se produzir o dobro de R por hora, determine:
C – Qual deve ser a concentração inicial de A e/ou B mantida a vazão constante?
D – Qual deve ser a vazão da(s) corrente(s) 1 e/ou 2 mantidas as concentrações iniciais
constantes?
(2) v= 2 l/min
CB= 10M
(3)
(1) v1= 4 l/min
CA= 2M
CB= 1M
v5= 4 l/min
(5)
AeB
Separador
XA= 0,40
A +3B → ½ R
(6)
R
Respostas:
A) CR = 0,80M e D) v1 = 8 L/min; ; v2 = 4L/min
Tabela Estequiométrica
1 – (P1 – 2004) - A reação química em fase gasosa A → 2R + 3S + ½T é realizada
em um reator de escoamento continuo a pressão atmosférica e a temperatura de 300oC. A alimentação é
constituída de uma mistura com 30% de inertes e o restante do reagente A . A conversão obtida neste
reator é de 25%.
A) Qual a concentração de R na saída deste reator?
B) Qual a pressão de T na saída do reator?
C) Qual a fração molar do inerte na saída do reator? (yI = 0,168)
D) Por que a fração molar do inerte na saída do reator mudou em relação a entrada do reator?
2 - (P1 – 2006) - Uma mistura (28% SO2 e 72% de ar) é carregada em um reator no qual ocorre a
oxidação do SO2. Esta alimentação é introduzida no reator a pressão total de 15 atm e a temperatura
constante de 227oC.
Considere que esta reação pode ser realizada em dois experimentos distintos:
Experimento I - a pressão e temperatura constante.
Experimento II - a volume e temperatura constante.
A) Calcule a concentração do O2 e do SO3 para uma conversão de 20% no experimento I e no
experimento II.
B) Calcule a concentração do O2 e do SO3 para uma conversão de 90% no experimento I e no
experimento II.
C) A vazão final em ambos os experimentos, independente da taxa de conversão, será a mesma?
Explique a sua resposta.
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Reatores – Aula 2 – Introdução a Engenharia de Reatores
3 - (Fogler 3-7) – Construa uma tabela estequiométrica para cada uma das seguintes reações e
expresse a concentração de cada espécie na reação como uma função da conversão, avaliando todas as
constantes.
A - A reação em fase líquida: CH2OCH2 + H2O
→
(CH2OH)2 onde as concentrações
iniciais de óxido de etileno e água são 1 lb mol/ft3 e 3,47 lb mol/ft3 (62,41 Ib/ft3 ÷18), respectivamente.
B - A pirólise isotérmica e isobárica em fase gasosa: C2H6 → C2H4 + H2
Etano puro entra no reator de escoamento a 6 atm e 1100K.
Como sua equação para a concentração mudaria se a reação fosse conduzida em um reator
batelada a volume constante.
C – a oxidação catalítica em fase gasosa, isotérmica, isobárica: C2H4 ½ O2 → CH2OCH2
A alimentação entra em um PBR a 6 atm e 260oC e é uma mistura estequiométrica de oxigênio e
etileno.
4 - (Fogler 3-12) – (A) Tomando o H2 como sua base de cálculo, construa uma tabela
estequiométrica completa para a reação:
½ N2
+
3/2 H2
→
NH3
para um sistema de escoamento isobárico e isotérmico com alimentação equimolar de N2 e H2.
(B) Se a pressão total de entrada for 16,4 atm e a temperatura for de 1727ºC, calcule as
concentrações de amônia e hidrogênio quando a conversão de H2 for de 60% (R: CH2 = 0,025 M e CNH3 =
0,025 M).
C) Se você tomar o N2 como sua base de cálculo, poderia ser alcançada uma conversão de 60%?
5 - (Fogler 3-13) - O ácido nítrico é fabricado comercialmente a partir de óxido nítrico. O óxido nítrico
é produzido por oxidação da amônia em fase gasosa:
4NH3 + 5O2
→
4NO + 6H2O
A alimentação consiste de 15 mol % de amônia em ar a 8,2 atm e 227ºC.
a) Qual é a concentração total de entrada?
(Co = 0,20 M)
b) Qual é a concentração de entrada da amônia? (CNH3)o = 0,03 M
c) Construa uma tabela estequiométrica tomando a amônia como base de cálculo. Então,
1) Expresse Pi e Ci para todas as espécies como funções da conversão para um reator
batelada operado isotermicamente à pressão constante. Expresse o volume como uma
função de conversão.
2) Expresse Pi e Ci para todas as espécies como funções da conversão para um reator
volume constante. Expresse PT como uma função da conversão X.
3) Expresse Pi e Ci para todas as espécies como funções da conversão para um reator de
escoamento.
6 - (Fogler 3-16) - A reação em fase gasosa: 2A + 4B → 2C que é de primeira ordem em
relação a A e de primeira ordem em relação a B deve ser conduzida isotermicamente em um reator de
escoamento uniforme. A vazão volumétrica de entrada é de 2,5 dm3/min e a alimentação é equimolar em A
e B. A temperatura e a pressão de entrada são 727ºC e 10 atm, respectivamente. A velocidade específica
de reação nesta temperatura é de 4dm3/mol min e a energia de ativação é de 15.000 cal/mol.
a) Qual deverá ser a vazão volumétrica para a conversão de A de 25%? (R: v = 1,88 dm3/min).
b) Qual será a velocidade da reação na entrada do reator, ou seja quando X=0? (R: -rA = 1,49X10-2
3
mol/dm .min.)
c) Qual será a velocidade de reação quando a conversão de A for de 40%? (Dica: Primeiramente,
expresse -rA como uma função apenas de X.) (R: -rA = 4,95 X 10-3 mol/dm3.min.)
d) Qual será a concentração de A na entrada do reator? (R: CAO = 0,0609 mol/dm3)
e) Qual será a concentração de A para conversão de A de 40%? (R: CA = 6,09 X 10 –2 mol/dm3)
f) Qual será o valor da velocidade específica de reação a 1227ºC? (R: k = 49,6 dm3/mol.min)
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Notas de Aula - Reatores – Prof. Dr. Marco Antonio Pereira
U S P – E E L - Escola de Engenharia de Lorena
Reatores – Aula 2 – Introdução a Engenharia de Reatores
Aplicações Básicas de Reatores
7 – (Missen 12-2) - A decomposição da fosfina [4PH 3(g) ⇒ P4(g) +
6 H 2(g)] é de primeira
ordem em relação a fosfina e sua constante de velocidade k é igual a 0,0155 s-1 a 953K. SE esta
decomposição ocorre em reator batelada a volume constante a 953 K, calcule para 40% de conversão de
fosfina:
A) o tempo necessário (segundos)
b) a fração molar de H2 na mistura reacional
R:
A) t = 33 s
B) yH2 = 0,46
8 – (Missen 12-4) Uma reação em fase liquida A + B ⇒ produtos ocorre em um reator batelada
isotérmico. Esta reação é de primeira ordem em relação ao reagente A, com kA = 0,025 Lmol-1s-1, CAO =
0,50 M e CBo = 1,0 M. Determine o tempo necessário para uma conversão de 75% de A (t = 73 s)
9 - (Missen 14-4) – Para a reação entre acido hidrocianidrico (HCN) e acetaldeído (CH3CHO) em
solução aquosa a lei de velocidade a 25oC e um certo pH é (-rA) = kACACB, onde kA = 0,210 Lmol-1min-1. Se
esta reação é realizada a 25oC em um reator CSTR, qual será o volume deste reator para que ocorra 75%
de conversão de HCN, se a concentração da alimentação é 0,04 molL-1 para cada reagente, e a velocidade
de alimentação é de 2 Lmin-1 ? (V = 2.860 L)
HCN (A)
+
CH3CHO (B)
→
CH3CH(OH)CN
10 – (Missen 15-6) – A decomposição do dimetil éter (CH3)2O (E) em CH4 , H2 e CO é uma reação
irreversível de primeira ordem, e a sua constante de velocidade a 504oC é kE = 4,3x10-4 s-1. Qual deve ser o
volume requerido em um reator PFR para que ocorra 60% de decomposição do éter, se a alimentação é de
0,1 mol/s a 504oC e 1 bar e o reator opera a pressão e temperatura constante? (V = 23,3 m3)
11 – (Missen 15-10) - Uma reação em fase gasosa A → R + T é realizada em um reator
isotérmico PFR. A alimentação é constituída de A puro a uma vazão de 1Ls-1 , e a pressão do reator é
constante a 150 KPa. A lei de velocidade desta reação é (-rA) = kAC3A, onde kA = 1,25 L2mol-2s-1.
Determine o volume do reator necessário pra que ocorra uma conversão de 50% de A, dado que
CAO = 0,050 mol/L. [V = 1170L]
12 – (P2 – 2004 / Fogler) - Diagramas esquemáticos da bacia de Los Angeles são mostrados na
figura a seguir. O fundo da bacia cobre aproximadamente 700 milhas quadradas (2 x 1010 ft2) e é quase
completamente rodeado por cadeias de montanhas. Se assumirmos uma altura de inversão atmosférica de
2000 ft, o volume correspondente de ar na bacia seria de 4 x 1013 ft3. Usaremos este volume de sistema
para modelar a acumulação e a remoção de poluentes do ar. Como uma primeira aproximação grosseira,
trataremos a bacia de Los Angeles como um recipiente bem misturado (análogo a um CSTR) no qual não
há variações espaciais na concentração dos poluentes. Considere apenas o monóxido de carbono como
poluente e assuma que a origem do CO são os gases de exaustão de escapamentos de automóveis e que,
em média, existem 400.000 carros operando na região em qualquer instante. Cada carro produz
aproximadamente 3000 pés cúbicos (em condições padrão) de descarga a cada hora contendo 2 mol% de
monóxido de carbono.
Realizaremos um balanço molar em regime não-estacionário para o CO visto que o mesmo é
removido da bacia por uma corrente de vento Santa Ana. Os ventos Santa Ana são correntes de alta
velocidade, originadas no Deserto de Mojave, situado logo a nordeste de Los Angeles. Este ar limpo do
deserto escoa para a bacia através de um corredor que se assume tenha 20 milhas de largura e 2000 ft de
altura, substituindo o ar poluído, que flui para o mar ou em direção ao sul. A concentração de CO no vento
Santa Ana que entra na bacia é de 0,08 ppm (2,04 x 10-10 lb mol/ft3)
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Notas de Aula - Reatores – Prof. Dr. Marco Antonio Pereira
U S P – E E L - Escola de Engenharia de Lorena
Reatores – Aula 2 – Introdução a Engenharia de Reatores
DADOS:
R=
0,73 ft 3 .atm
lbmol.o R
e
o
R = o F + 459,7
e
1 milha = 5279 ft
A) Quantas libras-mol de gás estão no volume do sistema que escolhemos para a bacia de Los
Angeles se a temperatura é de 75ºF e a pressão é de 1 atm?
B) Qual é a vazão molar, FCO,A, na qual todos os automóveis emitem monóxido de carbono na bacia
(lb mol CO/h)?
(FCO)A = 61.487 lbmol CO/h]
C) Qual é a vazão volumétrica (ft3/h) de um vento de 15 mph através do corredor de 20 milhas e
2000 ft de altura? (Dado: 1 milha = 5279 ft)
D) A que vazão molar (lb mol/h), FCO,S o vento Santa Ana traz monóxido de carbono para a baciA?
(FCO)vento = 3.411 lbmol/h]
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