Aula 4 - Reatores Contínuos

U S P – E E L - Escola de Engenharia de Lorena
Reatores – Aula 4 – Reatores Contínuos Isotérmicos
1 – Introdução
Reatores contínuos são os que operam o tempo todo com entrada de alimentação e saída de
produto.
O foco desta aula está nos dois principais tipos de reatores contínuos ideais:
Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR)
Plug Flow Reactor (PFR)
2 – Tempo Espacial
Tempo espacial (τ) é o tempo necessário para processar um volume de alimentação,
correspondente a um volume de reator, medido em condições específicas.
τ =
V [volume ]
= (tempo )
v 0  volume 
 tempo 


Velocidade espacial (s) é o número de volumes de reator que foram alimentados, em
condições especificadas e que podem ser tratados na unidade de tempo.
s=
1
−1
= [tempo ]
τ
3 – Reator de mistura
Este reator possui uma excelente
agitação e seu interior permanece com
composição uniforme.
Seu nome mais comum na literatura é
CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor), mas
também é chamado de reator de mistura
perfeita (mixed reactor ou backmix reator) ou
MFR (Mixed Flow Reactor).
Sua equação geral conforme já foi visto é:
V=
FA 0 − FA
(− rA )
=
FA 0 X A
(− rA )
(4.1)
Aplicando-se o conceito de tempo espacial, tem-se:
τ v0 =
FA 0 X A
(− rA )
⇒
τ=
CA0 X A
(− rA )
(4.2)
De uma forma geral, então esta equação pode ser assim escrita:
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V
τ
XA
=
=
(4.3)
FA 0 C A 0 (− rA )
Para sistemas a volume constante (ξA = 0), tem-se que C A 0 X A = C A 0 − C A , e então, a
equação (4.2) passa a ser:
τ=
CA0 - C A
(− rA )
(4.4)
Estas equações gerais permitem uma representação gráfica conforme mostrado a seguir:
4 – Reator tubular
Este reator consiste de um tubo vazio
por onde passa a mistura reacional.
Este reator recebe na literatura os
nomes de reator com escoamento pistonado
(PFR – Plug Flow Reactor), reator tubular ideal
(Ideal Tubular Flow) e reator com escoamento
sem mistura (Unmixed Flow).
Sua equação geral conforme já foi visto é:
V = FA 0
∫ (− r )
XA
0
dX A
(4.5)
A
Aplicando o conceito e tempo espacial, tem-se, então, que:
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τ v0 = FA 0
∫
XA
0
dX A
(− rA )
⇒
τ = C A0
∫ (− r )
XA
0
dX A
(4.6)
A
De uma forma geral então esta equação pode ser assim escrita:
τ
V
XA
=
=
(4.7)
FA 0 C A 0 (− rA )
Para sistemas a volume constante (ξA = 0), tem=se que C A = C A 0 - C A 0 dX A , que conduz a
dC A = - C A 0 dX A , que substituindo na equação 4.6, conduz a:
τ=-∫
CA
C A0
dC A
(4.8)
(− rA )
Estas equações permitem uma representação gráfica conforme mostrado a seguir:
5 – Tempo de Permanência para Sistemas em Escoamento
Tempo de permanência (ou tempo médio de residência) é o tempo em que cada elemento
de fluido permanece dentro do reator.
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Exercícios - Reator de Mistura
1 – (Exame 2001) - A reação A + B
→ 2R
ocorre em fase liquida e sua equação de
velocidade é a seguinte : -rA = 0,756CACB (mol/L.min) a 20oC. A reação ocorrerá em um reator de
mistura e a conversão desejada é de 80% do reagente critico. A alimentação é introduzida no reator de
mistura proveniente de 3 tanques de armazenagem conforme esquema abaixo. As condições de operação
de cada um dos tanques são apresentadas na tabela abaixo:
Tanque I
Tanque II
Tanque III
CA (M)
4
2
CB (M)
2
4
vazão (L/min)
5
2
10
Qual o Volume do reator de mistura utilizado? (R: 126,8 L)
Tanque 1
Tanque 2
Tanque 3
Reator
2 – A reação 2A → C + D deve ser realizada em um reator CSTR a uma vazão de 100 ft3/h.
A concentração inicial de A é 1,5 lbmol/ft3 Deseja-se obter 80% da conversão de equilíbrio. Qual deve ser o
volume útil do reator?
Dados:

C C
(− rA ) = k  C A2 − C D
Kc

R: ≈ 62 ft3



3
onde k = 10 ft /lbmol.h
e
Kc = 16
3 – (P1 – 2002) - Asmus e Houser (J. Phys. Chem., v73, p2555, 1969) estudaram a cinética da
pirólise da acetonitrila a temperatura de 880°C em um reator contínuo com agitação. Foram realizados 5
experimentos em laboratório partindo-se de concentrações iniciais diferentes com o objetivo de aumentar a
confiabilidade dos resultados apurados. Em cada um dos experimentos a reação foi monitorada através da
análise cromatográfica da acetonitrila onde após determinado tempo espacial era determinada a conversão
da reação conforme dados da tabela a seguir.
CH3C ≡ N
→
P
Experimento
I
II
III
IV
V
Concentração inicial da
0,219
0,206
0,500
0,516
0,822
3
acetonitrila (mol/m )
Tempo espacial (s)
8,5
13,4
12,9
19,2
24,5
XA
0,116
0,171
0,182
0,250
0,308
Determine a ordem e a constante de velocidade da reação. [R : (-rA) = 0,0195 CA1,17 (M/s) ]
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4 – (P1 – 2003) - O gráfico abaixo representa a Concentração (mols/Litro) de três espécies químicas
(escala vertical) versus tempo em minutos (escala horizontal) de uma reação química em fase liquida
estudada a temperatura constante (25oC). A partir deste gráfico é possível conhecer a cinética da reação
química e em seguida aplicar esta cinética no estudo de reatores.
1,6
A - Qual a estequiometria da
reação?
1,4
1,2
B - Qual a equação de velocidade
desta reação?
S
1,0
C - Qual a vazão molar (L/min)
necessária para operar esta
reação química num reator tanque
de agitação continua de 200 Litros
a fim de obter uma conversão final
de 60%?
0,8
A
R
0,6
0,4
0,2
0,0
0
10
20
30
40
5 – (P1 – 2007) - A reação química
A → R + ½S
ocorre em fase liquida e foi realizada
experimentalmente em um reator de mistura de 200L. Foram realizados seis experimentos, sendo que todos
eles usaram a mesma concentração inicial de A de 1,6 Molar, e possuíam uma alimentação isenta de
presença significativa de R ou S. Entretanto, em cada um dos experimentos variou-se a velocidade molar
entrada e em conseqüência, a velocidade molar de saída obtida foi diferente.
Os dados obtidos encontram-se na tabela abaixo:
Mols de A na
entrada / min
17,25
15,00
12,00
10,00
9,00
8,00
Experimento
I
II
III
IV
V
VI
Mols de A na
saída / min
13,00
10,55
8,08
6,26
5,80
4,50
A) Determine a equação de velocidade desta reação.
B) Caso esta reação seja realizada em um reator de 10.000L, qual a conversão a ser obtida para as
seguintes condições de alimentação: 200 mols/min e CAO = 1,6M? (XA = 0,65)
6 – (P2 – 2007) - Dibutilftalato (DBP), um intermediário na indústria de plásticos, tem um mercado
potencial de 12 toneladas por ano, e é produzido pela reação de n-butanol com monobutil ftalato (MBP). A
reação é elementar e catalisada por H2SO4:
MBP
+
n-C4H9OH
→
DBP
+
H2O
o
A constante de velocidade desta reação na temperatura de 40 C é de 1,25 L/mol.h.
A direção de sua empresa quer entrar nesse mercado, produzindo 1/3 de todo o consumo potencial
previsto, ou seja, deseja produzir 4 toneladas por ano de DBP e para isto disponibilizou para você um reator
de mistura de 4.000 litros para ser usado 24 horas/dia durante 30 dias no ano.
Estudos técnicos realizados em escala piloto definiram que as concentrações molares de MBP e
butanol adequadas para o funcionamento desta planta industrial são de 0,2M e 0,6M, respectivamente.
Qual será a conversão de saída do MBP neste reator? (Peso Molecular do DBP = 278 g/mol)
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7 – (P2 – 2002) - A temperaturas elevadas, o acetaldeíldo (CH3CHO) decompõe-se em fase gasosa
em metano e monóxido de carbono. A reação é de segunda ordem irreversível e a sua constante velocidade
é 22,2 L/(mol.min) a uma certa temperatura. Calcule a conversão do acetaldeíldo que pode ser obtida em
um reator tanque com agitação continua de 3m3 utilizando-se de uma alimentação com 8,8 Kg/min e uma
vazão de 2.500 L/min.
Considere que a pressão e a temperatura permanecem inalteradas.
R: XA = 0,397
8 – (P2 – 2002) - Uma reação gasosa entre etileno (A) e hidrogênio para produzir etano é realizada
em um reator CSTR. A alimentação, contendo 40% molar de etileno, 40% molar de hidrogênio e 20% de um
inerte (I), é introduzida no reator a uma velocidade total de 1,5 mol/min e a uma vazão de 2,5 L/min.
Esta é uma reação é de primeira ordem em relação a cada um dos reagentes e a sua contante de velcidade
na temperatura na qual o reator é operado é k = 0,30 L/(mol.min)
Determine o volume deste reator, sabendo-se que a mistura reacional que sai do reator (reagentes
não convertidos, produto e inerte) possui uma fração molar de 60% de etano. (R: V = 3255 L )
Considere que pressão e a temperatura são constantes neste reator.
C2H4
+
H2
→
C2H6
9 - (Levenspiel 5-6) - Uma corrente gasosa (1 litro/min) contendo A (CAo = 0,01 mol/litro) e uma
segunda corrente gasosa (3 litros/min) contendo B (CBo=0,02 mol/litro) alimentam um reator de mistura de
volume 1 litro e reagem formando vários produtos R, S, T,... A análise do fluxo que sai a 6 litros/min mostra
que CA = 0,0005 mol/litro e CR=0,001 mol/litro. Todas as velocidades e concentrações foram medidas na
temperatura uniforme e pressão do reator. Determinar a velocidade de reação de A e a velocidade de
formação de R no reator.
R:
a) –rA = 0,007 mols/L.min
b) –rR = 0,006 mols/L.min
10 - (P2 – 2007) - Deseja-se projetar um reator de mistura para produzir 2.000 toneladas de
etilenoglicol por ano, a partir da hidrólise do óxido de etileno, a 55oC.
O primeiro passo foi buscar informações sobre esta reação na literatura técnica, onde se apurou
que esta é uma reação de primeira ordem em relação ao óxido de etileno e que como a água está presente
em grande excesso, sua concentração pode ser considerada constante durante a reação.
O segundo passo foi a determinação da constante de velocidade da reação, na temperatura em que
o reator de mistura vai operar. Para isto, um experimento em laboratório foi realizado em um reator
batelada, que foi carregado a partir de duas alimentações distintas: em um becker estava 500 mL de uma
solução 2 M de óxido de etileno e no outro becker estava 500 mL de água contendo 0,9% em peso de ácido
sulfúrico, que é utilizado como catalisador da reação. Os dados obtidos da concentração do etilenoglicol
estão na tabela abaixo:
8
Cetilenoglicol (mol/L)
0
0
1
0,270
2
0,467
3
0,610
4
0,715
6
0,848
O terceiro passo foi a determinação das condições de operação do reator de mistura em escala
industrial. Estas condições foram determinadas a partir de simulações feitas em escala piloto e são as
seguintes:
Temperatura de
Operação
55oC
Concentração do
óxido de etileno
1,3 M
Tempo de operação
anual do reator
2.000 horas
Conversão Desejada
70%
Determine o volume deste reator.
Reação:
O
CH2----------CH2
+
H2O
→
HO-CH2-CH2-OH
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11 - (Levenspiel 5-16) Uma reação química em fase aquosa está sendo estudada em laboratório,
num sistema de fluxo continuo. O reator é de 5 litros e seu conteúdo (5 litros de fluído) está sob agitação
que mantém a composição uniforme. A estequiometria da reação é A → 2R e o reagente A é introduzido na
concentração de 1 mol/litro. Os resultados dos trabalhos experimentais estão contidos na tabela a seguir.
Qual é a equação de velocidade desta reação?
Experiência
Vazão (cm3/s)
T (ºC)
CR no efluente (mol R/litro)
1
2
13
1,8
2
15
13
1,5
3
15
84
1,8
2
R:
-rA = 0,036 CA (a 13º C)
12 – (P1 – 2005) - Uma solução aquosa reage em um reator de mistura até uma conversão de 50%.
O reator atual será substituído por outro 4 vezes maior, mas a composição e a velocidade de alimentação
serão mantidas inalteradas.
Qual será a nova conversão a ser obtida: A) se a reação for de ordem ½ ; B) se a reação for de
primeira ordem e C) se a reação for de segunda ordem
13 - (Levenspiel 5-11) Da tabela seguinte, determinar uma equação de velocidade satisfatória para
a decomposição em fase gasosa A → R + S que se dá isotermicamente num reator de mistura.
Número da experiência
1
2
3
4
5
0,423
5,10
13,5
44,0
192
τ baseado nas condições da alimentação
XA (para CAo = 0,002 mol/litro)
0,22
0,63
0,75
0,88
0,96
R:
-rA = 8,1 CA1,35
14 - (P1 – 2001) - Eldridge e Piret [Chem. Eng. Progr., 46, 290(1950)] estudaram a hidrólise do
anidrido acético [ (CH3CO)2O + H2O
→ 2CH3COOH em um reator tanque com agitação continua
de 1,8 L de volume que opera no intervalo de temperatura entre 10 e 40°C.
As condições experimentais utilizadas e os dados obtidos foram os seguintes:
Concentração inicial
Vazão volumétrica
% conversão
do anidrido (mol/mL)
(mL/min)
do anidrido
1,40 x 10-4
I
25
582
33,1
1,37 x 10-4
II
25
395
40,8
1,08 x 10-4
III
10
555
15,3
-4
0,52 x 10
IV
10
490
16,4
0,95 x 10-4
V
40
575
55,0
-4
0,93 x 10
VI
40
540
55,7
1,87 x 10-4
VII
40
500
58,3
-4
2,02 x 10
VIII
40
88,5
88,2
A - Qual a equação de velocidade deste reator nas temperaturas de 10, 25 e 40°C ?
B - Qual a energia de ativação desta reação ?
R:
A) n = 1 e k40 = 0,381 (min)-1 ; B) E = 11.400 cal/mol
Experimento
T (oC)
15 - (P2 – 2006) - Um hidrocarboneto A de elevada massa molecular alimenta continuamente um
reator de mistura aquecido a alta temperatura, onde ocorre uma reação homogênea em fase gasosa, na
qual são formados vários produtos de baixa massa molecular aos quais chamaremos de R, segundo a
estequiometria A → 8R
Variando-se a alimentação, diferentes graus de craqueamento foram obtidos, como segue:
FAo (mol/min)
CAf (mol/L)
930
0,420
1.800
0,504
3.400
0,590
5.900
0,668
10.650
0,747
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Reatores – Aula 4 – Reatores Contínuos Isotérmicos
O volume interno do reator utilizado é de 50 Litros e todo os experimentos ocorreram a mesma
temperatura e com uma concentração da alimentação (CAo) de 1 mol/L.
A) Determinar a equação de velocidade desta reação.
B) Se esta reação for realizada em um outro reator de mistura, qual seria o volume deste reator
para obter uma conversão de 70% a partir de uma alimentação de 100 moles/minutos do reagente A?
Exercícios - Reator Tubular
1 – (Exame – 2000) - A reação A + B → 2R ocorre em fase liquida e sua equação de
o
velocidade é a seguinte : -rA = 10CACB (mol/L.min) a 20 C. Esta reação ocorrerá em um reator tubular
de 100 litros e a conversão desejada é de 70% .
As concentrações iniciais de A e B são iguais: CAo = CBo = 0,50 M.
A reação ocorre em um reator alimentado conforme o esquema apresentado abaixo.
Determine as vazões v 1 , v2 e v3 a serem utilizadas.
tanque 1
tanque 2
CA = 2,8 M
CB = 1,4 M
v1
tanque 3
H2O
v2
v3
v0
R:
v1=38,3 L/min
v2=76,5 l/min
vf
v3= 99,5 L/min
2 – (P1 – 2006) - A reação em fase liquida A + 2B → R + 2 S
possui a seguinte
equação de velocidade : (-rA) = 10CACB (M/min).
Esta reação será efetuada em um reator tubular, utilizando o esquema experimental mostrado na
figura abaixo. As concentrações iniciais e A e B encontram-se em proporção estequiométrica na
alimentação do reator, inexistindo portanto excesso de um dos reagentes.
Determine o volume de reator tubular necessário para uma produção de 35 mols de S por minuto na
corrente de saída 5 após o separador.
Obs.: No separador, a eficiência de separação dos reagentes (corrente 4) e dos produtos (corrente
5) pode ser considerada como sendo 100%.]
v4 = v3
2
CA1 = CB1 = 0,6 M
4
FA , FB
1
100 L/min
Reator Tubular
3
50 L/min
2
CA2 = 0 , CB2 = ?
5
v5 , FR , FS
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3 – (P1 – 2007) - Admitindo que a estequiometria de uma reação de primeira ordem em fase gasosa
seja A → R, verificou-se que em reator tubular de 100 L ocorria 95% de conversão de A puro.
Entretanto, constatou-se que fora feito um erro, pois a estequiometria correta da reação é A → 7R.
Com a estequiometria correta
A) Qual deveria ser a capacidade do reator para a mesma conversão?
B) Qual deveria ser a conversão do reator para o mesmo volume? (XA = 0,615)
4 - (P1 – 2001) - O estudo cinético da decomposição do acetaldeído a 518°C e 1 atm de pressão é
realizado em um reator de fluxo contínuo. O reator utilizado é um tubo de 3,3 cm de diâmetro interno e 80
cm de comprimento. Foram realizados quatro experimentos, onde em cada um deles utilizou-se fluxo molar
de alimentação diferente e na saída do tubo determinou-se a conversão do reagente em produto. Qual a
2
equação de velocidade desta reação em mols, litros e minutos? (R: -rA = 20 CA )
Dado : CH3CHO → CH4 +
experimento
FAo (g/h)
XA
I
130
0,06
CO
II
50
0,13
III
21
0,24
IV
10,8
0,35
5 – (P1 – 2006) - A reação homogênea em fase gasosa A → 4R possui uma cinética de
segunda ordem e é realizada inicialmente em escala piloto para depois ser ampliada para uma escala
industrial.
Escala Piloto
Reator experimental com um tubo de 2,5 cm de diâmetro por 2 m de comprimento.
Vazão de alimentação = 3.000 L/h
Condição da Alimentação = Reagente A puro a 5 atm e 200ºC
Conversão Obtida = 65%
Escala Industrial
Vazão de Alimentação = 300.000 L/h
Condição da Alimentação = 50% de A e 50% de inertes, a 25 atm e 200ºC
Conversão Obtida = 80%
A) Quantos tubos iguais aos usados na escala piloto são necessários na escala industrial?
B) Estes tubos devem ser colocados em série ou em paralelo? Explique a sua resposta.
6 – (P2 – 2004) - A reação química
A → 4R é de primeira ordem e ocorre a partir de uma
alimentação com A puro em um reator tubular onde é obtida uma conversão de 40%. Quantas vezes este
reator deverá ser maior para que a conversão a ser obtida seja de 80%, se a reação ocorrer: A) em fase
liquida (3,15 vezes) e B) em fase gasosa (4,79 vezes)
7 – (P1 – 2005) - Calcule o comprimento (em metros) de um reator tubular requerido para a produção
de etileno a partir de etano (A) baseado nas seguintes considerações:
(1) – o reator é alimentado com uma mistura de etano (400 g/s) e nitrogênio (400g/s).
(2) – o reator opera a 1000 K e pressão atmosférica.
(3) - a reação é de primeira ordem irreversível.
-1
(4) - a constante de velocidade da reação, na temperatura de 1000 K, é 0,254 s
(5) - A conversão do etano na saída do reator é de 25%
(6) - O diâmetro interno do reator é de 40 cm.
Resposta: 21,7 metros
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8 – (P1 – 2007) - O óxido nítrico é produzido por oxidação da amônia em fase gasosa, tendo uma
cinética conhecida, que é de primeira ordem.
4NH3 + 5O2
→
4NO + 6H2O
onde
k = 3,12 x10 7 e
−6000
T
(min)
-1
Uma alimentação contendo 50% molar de amônia e 50% de ar atmosférico é introduzida em um
reator contínuo a 2 atm e 27ºC, que opera nesta condição.
A) Monte a Tabela Estequiométrica desta reação
Considerando uma vazão de alimentação de 40 L/min, determine o volume do reator necessário
para uma conversão de 50% do reagente limitante desta reação, em um:
B) reator de mistura
(Vm = 628,6L)
C) reator tubular
(Vt = 434L)
D) Qual a concentração final de NO em cada um dos reatores?
9 – (P2 – 1991) - (Hill 8-5) - Roper [Chem. Eng. Sci., v2, p27, 1953] estudou a reação do cloro (A)
com 2-etilhexeno-1 (B) em solução de tetracloreto de carbono. Soluções destes materiais foram preparados
em uma pequena câmara de mistura e introduzidas em um reator tubular onde ocorre a reação.
Os dados encontrados a 20ºC estão tabelados abaixo:
ensaio
CAO(M)
CBO(M)
CAf(M)
XA
f (XA)
τ (seg.)
1
0,091
0,209
0,023
0,600
2
0,091
0,209
0,032
0,376
3
0,091
0,209
0,045
0,284
4
0,110
0,211
0,034
0,525
5
0,110
0,211
0,046
0,324
6
0,110
0,211
0,059
0,232
Acredita-se que esta seja uma reação de segunda ordem do tipo: (-rA) = k CACB . Monte um gráfico
de τ ver versus f(XA) e verifique se esta expressão é coerente com os dados encontrados. Calcule a
constante de velocidade desta reação em moles, litros e segundos. [ R :
k = 14,23 L/mol.s ]
10 – (P1 – 2002) - - A reação reversível em fase gasosa A ⇔ R ocorre a 300°C e 1 atm em
um reator tubular ideal, cuja alimentação contem 30% molar de A e 70% de inertes..
Determine o volume do reator para se obter uma conversão de 75% da conversão de equilíbrio,
sabendo que inerte e reagente possuem aproximadamente o mesmo peso molecular e que a velocidade
global de alimentação é 80 mol/h. (V = 604 mL)

Dado : Eq. de velocidade: (− rA )=k1 C A −

CR 
-1
 onde CA é dado em mol/L; k1=1,6s e Kc = 2
Kc 
11 – (P2 - 2002) - A planta industrial mostrada abaixo possui um reator tubular de 100 litros
carregado a partir de três tanques de alimentação e operado com reciclo após a mistura reacional passar
por um separador.
A reação química que ocorre no reator é A + B → 2R cuja equação de velocidade a uma
dada temperatura é:
–rA = 5CACB (M/min)
No tanque 1 existe uma solução A com uma concentração de 5M.
No tanque 2 existe uma solução B com uma concentração de 4M.
No tanque 3 existe apenas água.
A concentração inicial de A e B na entrada do reator é de 1 Molar para ambos os reagentes e a
conversão final obtida no reator é de 99%.
No separador a vazão total que sai do reator é dividida em partes iguais, sendo que na parte
superior do separador sai somente o reagente B, enquanto todo o produto R formado e a quantidade de
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reagente A que não reagiu saem na parte inferior do separador. As concentrações de A e R nesta saída da
parte inferior do separador são 0,02M e 3,96M, respectivamente.
Determinar:
A – a concentração de B na saída superior do separador.
B – a vazão volumétrica de alimentação (vo) na entrada do reator.
C – as vazões volumétricas de cada um dos tanques de alimentação (v1 – v2 – v3)
Tanque 1
Tanque 2
Tanque 3
v5
v4
v1
v2
v3
v0
separador
Reator
v6
R: v1 = 1,01L ; v2= 1,25L e
v3 = 0,26L
12 – (Exame 2.002) - Em um reator tubular de 150L realizou-se uma reação de primeira ordem em
fase gasosa A → R a partir de uma alimentação contendo A puro e encontrou-se uma conversão final de
90%. Entretanto, verificou-se, posteriormente, que a estequiometria considerada inicialmente estava errada
e que a estequiometria correta era de A → 3R. Com a estequiometria correta:
A) Qual deve ser a capacidade do reator para a mesma conversão? (R: V = 332,7 L)
B) Qual deve ser a conversão do reator para o mesmo volume (150 L)? (R: XA = 0,711)
13 - (P1 – 2000) Walter [J. Chem. Eng. Data 5 (468), 1960] estudou a cinética da pirólise catalítica
3
do cloreto de etileno em um reator tubular de 100 cm com 59 cm de comprimento.
ClCH2 - CH2Cl
⇒
HCl
+
CH2 = CH2Cl
Esta é uma reação gasosa e dados coletados na literatura a respeito de reações químicas similares
levam a crer que se trata de uma reação química de primeira ordem.
vazão molar
(moles/kseg)
0,550
0,544
0,344
XA
0,86
0,85
0,94
O estudo consistiu em realizar 3 experimentos onde em cada um
deles variou-se a vazão molar de alimentação, a partir de uma
alimentação do reagente puro a 600oC e pressão atmosférica.
A – Confirme a ordem da reação e calcule a sua constante de velocidade.
B – Se a constante de velocidade da reação a 500oC é 0,141s-1, qual a sua energia de ativação?
R:
a) k = 1,17 (s)–1
b) E = 28.375 cal
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14 - (P1 – 2000) - A reação em fase gasosa : A(g)
⇒
em um reator batelada alimentado por A puro.
Os seguintes resultados experimentais foram obtidos :
t (min)
0
2,5
5
10
15
20
p (torr)
7,5
10,3
12,5
15,8
17,9
19,4
R(g)
+
2S(g) foi efetuada a 600 K
Esta reação em seguida foi efetuada em um reator tubular de 42,5 L
operando a temperatura de 600 K.
Deseja-se analisar a vazão de alimentação deste reator em função da
conversão final na saída do reator e na presença ou ausência de inertes. Para
isto testes devem ser feitos a três conversões diferentes em alimentações com
razões molares de inerte variando, com o objetivo de se encontrar os melhores
parâmetros que permitam uma análise completa destas alternativas.
Faça os cálculos necessários e calcule a vazão em L/min para cada uma das situações propostas
na tabela abaixo:
XA = 40%
alimentação molar
A puro
80% A – 20% inerte
60% A – 40% inerte
40% A – 60% inerte
20% A – 80 % inerte
XA = 50%
XA = 60%
A – Qual a equação de velocidade desta reação (-rA = 0,0804 pA )
B - Plote um gráfico de vazão da alimentação versus XA para as possíveis alimentações molares.
XA = 40% XA = 50% XA = 60%
alimentação molar
A puro
4,66
3,17
2,1
60% A – 40% inerte
5,31
3,69
2,64
15 - (P1 – 1998) – (Hill) A dehidrocloração catalítica do tetracloroetano foi estudada por Shvets,
Lebedev e Averyanov [Kinetics and Catalysis, 10(28), 1969].
C2H4Cl4
→
C2H3Cl3
+
HCl
A reação é de primeira ordem em relação ao tetracloroetano e a constante de velocidade possui o
seguinte valor:
12 -21940/T
-1
k = 10 e
(s )
onde T é expresso em graus Kelvin.
Ao longo da reação ocorrem reações laterais que formam pequenas quantidades de outros
produtos, dentre eles o gás cloro, que atua como veneno no meio reacional a concentrações acima de 150 x
10-6 moles de Cl2 por litro.
Diversos estudos foram conduzidos para esta reação e a razão molar entre o gás Cloro (Cl2) e o
ácido clorídrico (HCl) no meio reacional em função da temperatura foram obtidos e se encontram na tabela
abaixo :
o
T ( C)
razão molar (Cl/HCl)
408
1,7 x 10-4
440
3,2 x 10-4
-4
455
4,0 x 10
Na fase de testes, foi instalada uma planta piloto que consiste em um reator tubular de 150 litros
o
operando a 450 C e pressão atmosférica. O fluxo de tetracloroetano foi de 41,7 moles/kilosegundo.
Qual a concentração do gás cloro nestas condições? É possível realizar a reação sem que o
envenamento catalítico ocorra?
R:
CCl2 = 3 ppm
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16 – (P2 – 2003) - A reação elementar irreversível 2A → R ocorre em fase gasosa em um
reator tubular isotérmico. Reagente A e um diluente C são introduzidos em relação equimolar entre si e
conversão de A é de 80%. Se a velocidade molar de A é diminuída para a metade e a velocidade molar do
diluente é mantida constante, qual será a conversão de A a ser obtida nesta situação? Considere o
comportamento de gás ideal e que a temperatura do reator permanece inalterada. (California Professional
Engineers Exam)
Dado:
V=
FAo 
XA 
2
2
+
−
+
+
+
2
ε
(
ε
1
)
ln(
1
X
)
ε
X
(
ε
1
)
(
)
A
A
A
A
A
A

1− X A 
kC A2o 
17 – A reação homogênea entre vapor de enxofre (S2) e metano (CH4) foi estudada em um pequeno
reator tubular de sílica com 35,2mL de volume. Em um dada corrida a 600oC e 1 atm de pressão, a
quantidade de dissulfeto de carbono (CS2) produzido em 10 minutos foi de 0,10 g. A vazão molar de S2
utilizada foi de 0,238 gmol/h nesta corrida em regime permanente.
A)
Qual é a velocidade da reação, expressa em gmols de CS2 produzidos por hora e por ml de
volume do reator?
B)
A taxa a 600oC pode ser expressa pela equação de segunda ordem r = kpCH4pS2 onde p é a
pressão parcial em atmosferas. Use a taxa determinada no item (a) e esta forma da equação da taxa para
2
calcular a velocidade específica de reação em gmols/(mL.atm .h). A taxa de escoamento do metano foi de
0,119 gmol/h, e as concentrações de H2S e CS2 nos reagentes foi nula. (Observação: Admita que a
velocidade da reação é constante e utilize as pressões parciais médias de CH4 e S2 no interior do reator).
C)
Calcule também o valor de k sem fazer a hipótese de que a taxa é constante e que valores
médios das pressões parciais e a velocidade da reação variam ao longo do reator. Compare o resultado
obtido com aquele obtido no item (b).
Dados : Equação estequiométrica :
CH4 +
2S2 → CS2 +
2H2S
Resposta:
A)
v = 2,24x10-4 gmoles CS2/h.mL
B) = C) k = 10,80x10-4 gmoles/h.mL.atm2
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