Aula 4 - Reatores Contínuos Isotérmicos

U S P – E E L - Es c o l a d e En g e n ha r i a d e L o r e n a Reatores – Aula 4 – Reatores Contínuos Isotérmicos

__________________________1__________________________ Notas de Aula - Reatores – Prof. Dr. Marco Antonio Pereira

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. [ ] ( )tempo

tempovolume

volume

v

V τ

0

=

=

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.

[ ] 1tempoτ

1s −

==

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:

( ) ( )A

AA

A

AA

r

XF

r

FFV 00

−=

−

−= (4.1)

Aplicando-se o conceito de tempo espacial, tem-se:

( )A

AA0 r

XF v 0

−=τ ⇒ ( )A

AA

r

XC τ 0

−= (4.2)

De uma forma geral, então esta equação pode ser assim escrita:



( )A

A

AA r

X

C

τ

F

V

00−

== (4.3)

Para sistemas a volume constante (ξA = 0), tem-se que ACCXC

00 AAA −= , e então, a

equação (4.2) passa a ser:

( )A

AA

r

C-C τ 0

−= (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:

( )∫−

=A

0

X

0A

AA r

dX FV (4.5)

Aplicando o conceito e tempo espacial, tem-se, então, que:



( )∫−

=A

0

X

0A

AA0 r

dX F v τ ⇒ ( )∫

−=

A

0

X

0A

AA r

dX C τ (4.6)

De uma forma geral então esta equação pode ser assim escrita:

( )A

A

AA r

X

C

τ

F

V

00−

== (4.7)

Para sistemas a volume constante (ξA = 0), tem=se que AAAA dXC -CC

00= , que conduz a

AAA dXC -dC0

= , que substituindo na equação 4.6, conduz a:

( )∫−

=A

0A

C

CA

A

r

dC - τ (4.8)

Estas equações permitem uma representação gráfica conforme mostrado a seguir:

5 – Tempo de Permanência para Sistemas em Escoament o Tempo de permanência (ou tempo médio de residência) é o tempo em que cada elemento de fluido permanece dentro do reator.



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

DCAA K

CCCkr 2)( onde k = 10 ft3/lbmol.h e Kc = 16

R: ≈ 62 ft3

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

acetonitrila (mol/m3) 0,219 0,206 0,500 0,516 0,822

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) ]



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.

A - Qual a estequiometria da reação? B - Qual a equação de velocidade desta reação? 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%?

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:

Experimento Mols de A na entrada / min

Mols de A na saída / min

I 17,25 13,00 II 15,00 10,55 III 12,00 8,08 IV 10,00 6,26 V 9,00 5,80 VI 8,00 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

A constante de velocidade desta reação na temperatura de 40oC 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)

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

0 10 20 30 40

A

S

R



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 0 1 2 3 4 6 Cetilenoglicol (mol/L) 0 0,270 0,467 0,610 0,715 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

Concentração do óxido de etileno

Tempo de operação anual do reator Conversão Desejada

55oC 1,3 M 2.000 horas 70%

Determine o volume deste reator. O Reação: CH2----------CH2 + H2O → HO-CH2-CH2-OH



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

R : -rA = 0,036 CA2 (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

τ baseado nas condições da alimentação 0,423 5,10 13,5 44,0 192 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:

Experimento T (oC) Concentração inicial do anidrido (mol/mL)

Vazão volumétrica (mL/min)

% conversão do anidrido

I 25 1,40 x 10-4 582 33,1 II 25 1,37 x 10-4 395 40,8 III 10 1,08 x 10-4 555 15,3 IV 10 0,52 x 10-4 490 16,4 V 40 0,95 x 10-4 575 55,0 VI 40 0,93 x 10-4 540 55,7 VII 40 1,87 x 10-4 500 58,3 VIII 40 2,02 x 10-4 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 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) 930 1.800 3.400 5.900 10.650 CAf (mol/L) 0,420 0,504 0,590 0,668 0,747



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

velocidade é a seguinte : -rA = 10CACB (mol/L.min) a 20oC. 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 v1 , v2 e v3 a serem utilizadas.

tanque 1 tanque 2 tanque 3

CA = 2,8 M CB = 1,4 M H2O

v1 v2 v3

v0 vf

R : v1=38,3 L/min v2=76,5 l/min 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 3 50 L/min 2 CA2 = 0 , CB2 = ? 5 v5 , FR , FS

Reator Tubular



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 equação de velocidade desta reação em mols, litros e minutos? (R: -rA = 20 CA

2 )

Dado : CH3CHO → CH4 + CO

experimento I II III IV FAo (g/h) 130 50 21 10,8

XA 0,06 0,13 0,24 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. (4) - a constante de velocidade da reação, na temperatura de 1000 K, é 0,254 s-1 (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



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 Texk6000

71012,3−

= (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) τ (seg.) XA f (XA)

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: ( )

−=−c

RAA K

CCkr 1 onde CA é dado em mol/L; k1=1,6s-1 e Kc = 2

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



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

do cloreto de etileno em um reator tubular de 100 cm3 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.

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

vazão molar (moles/kseg)

XA

0,550 0,86 0,544 0,85 0,344 0,94



14 - (P1 – 2000) - A reação em fase gasosa : A(g) ⇒ R(g) + 2S(g) foi efetuada a 600 K em um reator batelada alimentado por A puro.

Os seguintes resultados experimentais foram obtidos :

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:

alimentação molar XA = 40% XA = 50% XA = 60% A puro

80% A – 20% inerte 60% A – 40% inerte 40% A – 60% inerte 20% A – 80 % inerte

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.

alimentação molar XA = 40% XA = 50% XA = 60% 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:

k = 1012 e-21940/T (s-1) 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 :

T (oC) razão molar (Cl/HCl) 408 1,7 x 10-4

440 3,2 x 10-4

455 4,0 x 10-4

Na fase de testes, foi instalada uma planta piloto que consiste em um reator tubular de 150 litros operando a 450oC 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

t (min) p (torr) 0 7,5

2,5 10,3 5 12,5

10 15,8 15 17,9 20 19,4



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:

−+++−+= )

1()1()1ln()1(2 22

2A

AAAAAAA

A

A

X

XXX

kC

FV

o

o εεεε

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 calcular a velocidade específica de reação em gmols/(mL.atm2.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

Documents

Aula 4 - Reatores Contínuos Isotérmicos