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

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1 USP EEL - Escla de Engenhara de Lrena Reatres ula 6 Reatres ntínus em Sére e/u Paralel Reatres Tubulares em Sére Sejam reatres pstnads em sére e X, X 2,..., X, a cnversã de saída de cada um ds reatres em sére: V X dx Para prmer reatr, tem-se que: F 0 r 0 ( ) e para um -ésm reatr, tem-se que: V F 0 X dx X - ( r ). Prtant, para reatres em sére, tem-se: V V X dx X 2 X V V2... V dx dx F F F 0 r X r X r De nde se cnclu que: V F 0 X dx 0 ( r ) nclusã: reatres tubulares em sére cm um vlume ttal V frnecem a mesma cnversã que um únc reatr tubular de vlume V. 2 Reatres Tubulares em Paralel É mut cmum perar sstemas cm reatres tubulares em paralel cm mesm vlume V para cada reatr. este cas, a vazã de almentaçã é cnstante para cada um ds reatres, que fará cm que temp espacal (τ) se mantenha cnstante. Entretant, a peraçã de sstemas cm reatres tubulares em paralel só levará a máxma efcênca de prduçã se temp espacal (τ) para cada reatr fr cnstante. Qualquer utra frma de almentaçã nde τ nã seja mantd mesm em tds s reatres cnduzrá a uma menr efcênca d sstema. 3 Reatres de Mstura Perfeta em Sére, cm a mesma capacdade Para reações de rdem n>0, a cncentraçã d reagente dmnu a lng d cmprment de um reatr tubular, enquant que para um reatr de mstura, a cncentraçã d reagente ca medatamente para um valr bax.em funçã dst, reatr tubular é mas efcente d que reatr de mstura. 3. Reações de Prmera Ordem τ V V (V X F v r ) Se ξ 0 X e X tas de ula - Reatres Prf. Dr. Marc ntn Perera

2 USP EEL - Escla de Engenhara de Lrena Reatres ula 6 Reatres ntínus em Sére e/u Paralel 2 tas de ula - Reatres Prf. Dr. Marc ntn Perera k k τ k τ k τ k τ + Se tds s reatres frem guas V V 2 V - V, entã, τ é gual para tds. ssm: τ τ... τ τ - 2. nalsand últm reatr, tems: X X - X X mas n - 2 ) kτ (... + k τ + τ k reatres τ τ k deduçã d mdel matemátc acma permte a cnstruçã de um gráfc nde é pssível a cmparaçã d desempenh de uma sére de reatres de mstura perfeta de mesma capacdade cm um reatr tubular, para reações elementares de prmera rdem: prduts cm ξ 0. rdenada mede dretamente a razã de vlumes V /V P u (τ /τ P ) para a mesma taxa de prcessament de uma almentaçã. (Fgura 6.5 Levenspel págna 05) 3.2 Reações de Segunda Ordem De frma smlar, deduzu-se um mdel matemátc que cnduz a Fgura 3, a segur, que cmpara desempenh de uma sére de reatres de mstura perfeta de mesma capacdade cm um reatr tubular, para reações elementares de segunda rdem: 2 prduts u + B prduts ( B ), cm ξ 0. rdenada mede dretamente a razã de vlumes V /V P u (τ /τ P ) para a mesma taxa de prcessament de uma almentaçã. (Fgura 6.6 Levenspel págna 06) 4 Reatres de Dferentes Tps em Sére e/u em Paralel ada cas será um cas específc e a análse deve ser feta em funçã d cas específc em análse cm será pssível verfcar nas númeras aplcações que serã fetas.

3 USP EEL - Escla de Engenhara de Lrena Reatres ula 6 Reatres ntínus em Sére e/u Paralel Exercícs - Reatres em Sére e/u Paralel (P 200) - ndrd acétc é hdrlsad em uma planta ndustral cm três reatres tanques cm agtaçã cntnua em sére. velcdade de almentaçã da planta ndustral é de 400 cm 3 /mnut. Esta planta ndustral pera a temperatura de 25. reaçã químca já f estudad e sabe-se da lteratura que é uma reaçã de prmera rdem cm cnstante de velcdade gual a 0,58 (mn) -. O vlume d prmer reatr é de L, d segund reatr é de 2L e d tercer um reatr é de,5l. alcular a cnversã de saída de cada um ds reatres. 2 (P 200) - Um cnjunt de 00 tubs cada um cm 3,5 metrs de cmprment e 5 cm de dâmetr ntern, tds eles perand a 550, será testad para funcnar em sére. Uma mstura gassa de 200 m 3 /hra (80% mlar de - 20% mlar de nerte) é ntrduzda neste cnjunt de reatres a 550 e 20 atm.. reaçã a ser utlzada é a de plmerzaçã d acetlen, cnfrme demnstrad a segur : 4 2 H 2 ( 2 H 2 ) 4, nde -r 2 H 2 0,6[ 2 H 2 ] 2 (ml/l.s) m tds estes tubs perand em sére, qual será a cnversã fnal d prcess? B Se perams na ausênca de nertes, mas cm tdas as demas cndções cnstantes, qual será a cnversã fnal d prcess? Huve ganh nesta cnversã? Pr quê? - Quants tubs sã necessárs para 60% de cnversã nesta planta ndustral perand cm 20% mlar de nertes? e perand sem nertes? (36 tubs) 3 (P 2007) - reaçã gassa R crre em um reatr tubular a 400º e 6,2 atm de pressã. almentaçã pssu 76,25% em pes de e restante em nertes. almentaçã glbal é de 420 mls/hra e sabe-se que a reaçã é de prmera rdem rreversível cm uma cnstante de velcdade de 0,999 (mn) -. Determne: a) O vlume d reatr tubular para uma cnversã de 80%. b) O vlume de um reatr mstura acplad a saída deste reatr tubular para uma cnversã fnal de 95%. [V 7,6L} DDO: Pes mlecular 44 g/ml e Pes mlecular I 28g/ml 4 (P 2000) - Deseja-se realzar a reaçã em fase gassa R em um sstema de reatres tubulares cnsstnd de 50 tubs paralels cm 2m de cmprment e 2cm de dâmetr cada tub. Experments cnétcs realzads permtram determnar que se trata de uma reaçã de prmera rdem e a sua cnstante de velcdade pssu s valres de 0,0052 s - e 0,0740 s - a temperatura de 93 e 49, respectvamente. que temperatura este cnjunt de reatres deve ser perad para bter uma cnversã de 80% de, a partr de uma almentaçã de pur a 230 mls/h e uma pressã de 00 atm. (T 66 ) Dads () - Pes Mlecular 73 g/ml () - nsdere a queda de pressã desprezível e assuma cmprtament de gás deal. () nsdere a reaçã reversível desprezível nestas cndções. 5 (P 2004) reaçã elementar em fase líquda + B R crre a 25 em uma cmbnaçã de ds reatres tubulares em sére, cm mstra a fgura abax. s cncentrações de e B na entrada d prmer reatr sã guas a,5 ml/l e a cnstante de velcdade desta reaçã a 25 é 2, L/ml.h. Deseja-se saber : ) a cnversã de n prmer reatr? E n segund reatr? [X 0,44 e X 2 0,62] B) Se s ds reatres frem agrupads em paralel, cm 50% da mstura -B almentada em cada reatr, qual será a cnversã btda? [X 0,62] 3 tas de ula - Reatres Prf. Dr. Marc ntn Perera

4 USP EEL - Escla de Engenhara de Lrena Reatres ula 6 Reatres ntínus em Sére e/u Paralel ) Se s ds reatres frem agrupads em paralel, cm uma almentaçã dvdda em 30% para uma crrente e 70% na utra crrente, qual será a cnversã btda? [X 2 0,5875] D) nalse s resultads encntrads e cmente-s ml/mn ml/mn B V 0L V 0L 6 - reaçã em fase líquda B +, cm (-r ) k é realzada em ds reatres stérmcs em sére, send prmer um STR e segund um PFR, ambs cm vlume de 00L. O reatr STR é almentad cm uma sluçã que cntém 2000 ml/m 3 a 50 ml/s. Para uma cnversã na saída d reatr de mstura de 25%, determne a cnstante de velcdade da reaçã e a cnversã na saída d reatr tubular. (R: k 0,25s - e X 0,46) 7 (Exame 2002) - reaçã elementar + B + D realza-se em fase líquda em um reatr tubular stérmc (V 00L) perand a temperatura ambente a partr de duas crrentes dstntas de almentaçã uma cntend 65 Kg/h e a utra cntend 04 Kg B/h. este reatr crre uma cnversã de 60% d reagente crtc. Um reatr tanque cm agtaçã cntnua de 200 L é clcad na saída d reatr tubular, perand em sére a mesma temperatura. Qual a cnversã fnal deste sstema de reatres? (X 0,765) Reagente Reagente B Massa específca (kg/m 3 ) Pes mlecular (g/ml) (P2-2002) Uma fábrca deseja adqurr ds reatres de mstura para perar em sére uma reaçã de segunda rdem em fase lquda ( R) cuja cnstante de velcdade vale 0,075 (L/ml.mn). Para uma cnversã desejada para segund reatr de 85% vcê deve analsar duas frmas dstntas de calcular vlume destes reatres: ds reatres em sére de gual vlume B ds reatres em sére cm menr vlume ttal na sma ds vlumes ndvduas de cada um ds reatres. nsdere as seguntes cndções de almentaçã para perar a reaçã: Vazã 25 L/mn 0,04 ml/ltr O cust de aqusçã destes reatres é de U$200/m 3, mas um descnt de 2% será cncedd se ambs s reatres pssuem mesm tamanh e gemetra. Qual destas duas pções ( u B) cnduz a menr cust de aqusçã d cnjunt de reatres? Qual este cust? (R: as U$ 20.96,60 ; as B U$ ,00) 9 (Exame 2004) - Uma nstalaçã ndustral pretende hdrlsar cntnuamente uma sluçã aqusa de andrd acétc a 25º. esta temperatura a cnétca da reaçã é cnhecda: -r 0,725 (mles/mn.l), nde é a cncentraçã d andrd acétc em mls/l. Pretende-se trabalhar cm uma vazã vlumétrca de almentaçã de 5 L/mn e a cncentraçã de entrada é de,5 mls/l de andrd. O prjetsta está em duvda de cm mntar layut desta planta de hdrólse, uma vez que exstem dspníves ds reatres de 2,5L e um reatr de 5L, cm excelentes dspstvs de agtaçã. Qual a cnversã a ser btda a partr ds seguntes esquemas de mntagem: a) reatr de mstura de 5L sznh? b) s ds reatres de mstura de 2,5L em sére? c) s ds reatres de mstura de 2,5L em paralel, cm a almentaçã dvdda em 2,5 L/mn para cada reatr? d) s ds reatres de mstura de 2,5L em paralel, cm a almentaçã dvdda em 20% para um reatr e 80% para utr reatr? e) nalse as suas respstas crtersamente. Justfque-as grafcamente 4 tas de ula - Reatres Prf. Dr. Marc ntn Perera

5 USP EEL - Escla de Engenhara de Lrena Reatres ula 6 Reatres ntínus em Sére e/u Paralel 0 - (P2 2007) reaçã químca de decmpsçã em fase gassa d reagente (2 R + S) f realzada num reatr batelada de vlume cnstante na temperatura de 00º. pressã parcal d reagente f acmpanhada a lng da reaçã e s dads encntrads estã na tabela abax, que permte cálcul da equaçã de velcdade desta reaçã. t (s) p (atm) t (s) P, atm ,00 0,82 0,68 0,56 0, ,37 0,25 0,4 0,08 0,04 ) as esta reaçã seja realzada num reatr tubular, qual sera a sua capacdade (em ltrs) para se bter uma cnversã de 75% d reagente, a partr das seguntes cndções: uma almentaçã de 80 mles de /h acrescda de 35% mlar de nertes, perand a 00º e atm. B) as um reatr de mstura de.000 L seja clcad em sére, qual a cnversã de saída deste reatr? (P2 2003) - reaçã químca de dsscaçã d pentóxd de ntrgên f estudada em um reatr batelada n nterval de temperatura entre 285K e 350K, e s valres de cnstante de velcdade versus a temperatura na qual fram btds encntram-se na tabela a lad. Em seguda esta reaçã é realzada em um cnjunt de várs reatres tubulares em paralel perand a pressã atmsférca e a temperatura de 60. ada um destes reatres tem um cmprment de,8 metrs e um dâmetr ntern de 6 cm. Este cnjunt pera a partr de uma vazã de almentaçã de 4 L/mm e a cnversã desejada para prcess é de 95% perand cm uma almentaçã senta de nertes. T (K) k (s - ) 288,,04 x , 3,38 x , 2,47 x , 7,59 x , 4,87 x Qual numer de tubs a serem clcads em paralel para se bter resultad desejad? (2 tubs) B E se esta reaçã fr realzada na presença de nertes que crrerá cm numer de tubs necessárs para realzar a areaçã mantda tdas as demas cndções cnstantes. Mnte um gráfc de umer de Tubs necessárs versus a prcentagem de nertes a ser usada na almentaçã e represente através de uma curva (u reta) que crrerá cm a adçã de nertes. Dads: Reaçã Químca: ( 2 O 5 2 O 4 + ½ O 2 ) 2 (P 2003) - Sua empresa passa pr um prblema especfc de aumentar a prduçã de um determnad prdut para qual a demanda d mercad anda aquecda. Tdas as lnhas de prduçã já trabalham na cndçã lmte perand na capacdade máxma da prduçã da empresa cm reatres tanque de agtaçã cnstante e flux cnstante a reaçã utlzada é de segunda rdem rreversível e crre em fase lquda. Vcê é chamad para partcpar de uma reunã cm s demas ntegrantes d equpe técnca da empresa (arls, Fernand e Raul) e é encarregad de antar as sugestões que vã surgnd num exercíc prelmnar de branstrm. um determnad mment da reunã, alguém se lembra de 2 velhs reatres de 4 Ltrs que peravam uma utra reaçã só que em regme batelada. pós uma rápda analse das nfrmações técncas dspníves destes ds reatres, Fernand, cnclu que é pssível adaptá-ls para perar em regme cntnu, que segund ele permtra uma mar prduçã. Sugestã antada. Em seguda, arls prpõe perar s 2 reatres em paralel, para reslver um prblema de espaç n lcal nde será feta esta amplaçã da prduçã. Sugestã 2 antada. Raul rebate arls e dz que cert é clcar s 2 reatres em sére. arls pergunta pr que? Raul nã sabe respnder, só dz que já vu uma vez em uma vsta que fez alguns reatres parecds cm estes perand em sére e que prtant acha que st é mas vável. Sugestã 3 antada. Fernand, sem partcpar da dscussã anterr, vlta a assunt e dz ser mas vável cmprar rapdamente um reatr nv de 8 Ltrs e clcá-l para funcnar medatamente em peraçã. Sugestã 4 antada. 5 tas de ula - Reatres Prf. Dr. Marc ntn Perera

6 USP EEL - Escla de Engenhara de Lrena Reatres ula 6 Reatres ntínus em Sére e/u Paralel Raul fala entã que já que é pssível cmprar um reatr nv, que tal cmprar entã um mas mdern, sem sstema de agtaçã e que ele também já vu funcnand, que na realdade cnsste de um tub cm uma relaçã cmprment/dâmetr alt, bvamente também cm 8 Ltrs de capacdade.. Sugestã 5 antada. Sugestões antadas. E vcê é desgnad pel grup para estudar assunt e levar a melhr prpsta para a Dretra da empresa. nsderand as seguntes premssas: - que vcê nã deve se precupar cm fatr fnancer, uma vez que a únca precupaçã é de aumentar a prduçã rapdamente - que a sugestã de adaptaçã de Fernand (sugestã ) é vável, - que as cndções de peraçã a serem esclhdas sã smlares as cndções exstentes (cncentraçã, temperatura, vazã) - que grup nã levu me cnsderaçã cm s reatres já exstentes funcnam (afnal de cntas, st é um branstrm ) Prepare um relatór para seu chefe classfcand em rdem as sugestões 2 a 5, daquela que dará a mar prduçã para aquela que dará a menr prduçã Justfque cada uma das suas respstas. 3 (P2 2005) - Uma reaçã rreversível de prmera rdem em fase lquda R crre em um reatr tubular e pssu uma cnversã fnal de 76%. Se um reatr de mstura de vlume 5 vezes mar que vlume d reatr tubular fr clcad em paralel, quantas vezes a vazã fnal da planta devera ser aumentada para que se btvesse em ambs s reatres em paralel a cnversã de 76%? (3,25 vezes) 4 (P 2004) - Uma planta químca pera três reatres de mstura em sére, cm capacdade de.000l cada um, send que a temperatura em cada um deles é dmnuída a lng d prcess pr razões de segurança. O prmer reatr pera a 50º e recebe uma almentaçã de 2L/mn que cntém 2mls/L de um reagente que se decmpõe em uma reaçã de segunda rdem rreversível. O segund reatr pera a 38º e recebe a vazã de saída d prmer reatr. O tercer reatr pera a 25º e recebe a vazã de saída d segund reatr acrescda de uma dervaçã de parte da almentaçã de L/mn e a uma cncentraçã de ml/l. (Dad: k 0 7,8 x 0 9 L/ml.s) reaçã químca pssu uma cnétca rreversível de segunda rdem e sua energa de atvaçã é de 2.000cal/ml. a) alcule a cnversã de saída de cada um ds reatres n prcess glbal. (X 3 0,546) b) Que crítcas vcê fara a esta metdlga utlzada? c) Represente grafcamente em curva de cncentraçã d prdut frmad versus temp. 2 L/mn L/mn 2 Mlar Mlar (P 2004) - (adaptad d Prvã 2.00) - Uma ndústra farmacêutca fabrca um prdut R usand um reatr de mstura de vlume V 2L e pretende expandr-se adqurnd utr de vlume V 2 6L. O nv sstema será frmad clcand s reatres em paralel, almentand a uma vazã vlumétrca ttal de 4L/hra, cm um reagente pur, a uma cncentraçã ncal de 2 Mlar. Sabe-se que reagente se transfrma segund uma reaçã rreversível de prmera rdem n únc prdut R. a temperatura de trabalh, a cnstante cnétca da reaçã é k 0,5h -. - alcule a prduçã máxma de R (mles/hra) pssível de se bter n sstema, dvdnd-se a almentaçã ttal v O de frma adequada entre s ds reatres de mstura em paralel. (F R 4 mls/h) B - alcule a prduçã máxma de R (mles/hra) que sera btda se estes reatres fssem usads em sére. 6 tas de ula - Reatres Prf. Dr. Marc ntn Perera

7 USP EEL - Escla de Engenhara de Lrena Reatres ula 6 Reatres ntínus em Sére e/u Paralel 6 (P 2005) - (adaptad d Prvã 998) Uma estaçã de tratament, destnada a reduzr ter de um pluente rgânc presente n efluente lqud de um prcess ndustral, é dtad de ds tanques clíndrcs de,00 m de altura e dâmetrs de,2 m e,60 m, respectvamente. O prmer tanque recebe, smultaneamente, uma crrente d efluente ndustral a uma vazã de 000L/h cm cncentraçã de 500 ppm d pluente rgânc, e uma crrente de água de dluçã de 3000L/h. O segund tanque recebe a descarga d prmer e uma crrente d efluente a uma vazã de 6000L/h, cm cncentraçã de 20 ppm de pluente. dmtnd-se que td sstema pera à temperatura ambente (27 ) e que crre uma mstura perfeta em ambs s tanques: a) alcule ter de pluente rgânc na saída da estaçã de tratament. b) Se n segund tanque também fr adcnad uma crrente de água de dluçã de 000L/h, qual sera entã nv ter de pluente rgânc na saída da estaçã de tratament. c) Explque que crre cm desempenh da estaçã ns meses de nvern quand a temperatura ambente dmnu. água L/h efluente efluente.000 L/h L/h 500 ppm de pluente 20 ppm de pluente Dad: k 305 T 4 4,4x0 e hra - 7 (P 2005) - (adaptada d Prvã 999) Determnada empresa pssu ds reatres, um tubular e um de mstura, perand em paralel, a mesma temperatura cnfrme fgura a segur. estes reatres crre uma reaçã de smerzaçã em fase lquda, de prmera rdem e rreversível. Em cndções nrmas de peraçã, a válvula 3 está fechada, e as válvulas, 2, 4 e 5, abertas de frma a dstrbur gualmente a vazã de almentaçã entre s ds reatres. - Uma pane n sstema de cntrle prvca repentnamente um fechament da válvula 2 e uma abertura crrespndente na válvula, levand sstema a um nv patamar de cnversã. Esbce um gráfc mstrand, qualtatvamente, a evluçã da cnversã ttal d sstema versus temp. Explque gráfc esbçad. B - alcule a cnversã em cada um ds reatres (X T e X M ), antes da pane n sstema de cntrle, cnsderand que vlume d reatr de mstura é gual a d reatr tubular, que a cnversã ttal d sstema é de 75%. - Se as vazões fssem dstrbuídas da segunte manera: 70%da vazã para reatr tubular e 30% da vazã para reatr de mstura, cnsderand cnstante tdas as demas cndções de peraçã, que crrera cm a cnversã ttal d sstema. Explque a sua respsta. 7 tas de ula - Reatres Prf. Dr. Marc ntn Perera

8 USP EEL - Escla de Engenhara de Lrena Reatres ula 6 Reatres ntínus em Sére e/u Paralel almentaçã prdut 8 (P2 2003) - rtn Engneerng Internatnal rpratn (EI) prduz um prdut químc (MX) de alt valr agregad n mercad de agrtóxcs que é fabrcad a partr de uma smerzaçã d seu mnômer DX. O MX sempre f fabrcad em um reatr tubular de 600L. Entretant, para aumentar a prduçã nstala-se em paralel a este reatr tubular um cnjunt de ds reatres de mstura em sére de 200L cada. O sstema ncalmente perava a uma vazã de 6 L/mn e cm 3 mles de DX/mn e cm nv cnjunt de reatres em paralel a vazã ttal é aumentada para 0 L/mn e a quantdade ttal de DX aumentada para 5 mles de DX/mn, send que acréscm de vazã e da quantdade de DX é td drgd a cnjunt de reatres de mstura em sére que va trabalhar em paralel cm reatr tubular já nstalad. Sabe-se que esta é uma reaçã de prmera rdem rreversível cuja cnstante de velcdade a temperatura de peraçã d reatr é de 0,00456 mn -. a) Qual a prduçã btda ncalmente n reatr tubular perand sznh? b) Qual a cnversã fnal d sstema btda após a nstalaçã deste cnjunt de reatres de mstura em sére? (X 0,355) c) Qual a nva prduçã de MX? Qual aument percentual crrd? (,776 mls/mn) Se agtadr d segund reatr de mstura d cnjunt em sére parar de funcnar, este reatr se trnara num tanque pr nde passara a mstura reacnal que sa d prmer reatr de mstura. Quand st crrer: - Que analses vcê pde fazer sbre cmprtament deste reatr nesta stuaçã? B - Qual será a menr quantdade de MX pr mnut btda nesta planta em cas de ttal nefcênca deste reatr cm prblemas? 8 tas de ula - Reatres Prf. Dr. Marc ntn Perera

9 USP EEL - Escla de Engenhara de Lrena Reatres ula 6 Reatres ntínus em Sére e/u Paralel 9 (Levenspel 6-9) cnétca da decmpsçã em fase aqusa de é nvestgada em ds reatres de mstura, em sére, cm segund tend dbr d vlume d prmer. m a almentaçã na cncentraçã de ml de /ltr e temp de permanênca méd de 96 s n prmer reatr, a cncentraçã é de 0,5 ml de /ltr n prmer reatr, 0,25 mles de /l n segund. Determnar a equaçã cnétca da decmpsçã. R : -r 0, (ml/l.seg) 20 (Levenspel 6-0) Baseand-se n fat de que um ndcadr clrd acusa quand a cncentraçã de se trna nferr a 0, ml/ltr, segunte esquema f prpst para estudar a cnétca de decmpsçã de. Uma almentaçã de 0,6 ml/ltr é ntrduzda n prmer de ds reatres de mstura em sére, cada qual cm vlume de 400 cm 3. mudança de clraçã crre, n prmer reatr, para uma velcdade de almentaçã de 0cm 3 /mn e, n segund, para a velcdade de almentaçã de 50 cm 3 /mn. Baseand-se nestas nfrmações, determnar a equaçã de velcdade desta reaçã. R : -r,25 2 (ml/l.mn) 2 (P 2007) - Ds reatres de mstura em sére fram utlzads para estud da cnétca de uma reaçã de decmpsçã de utlzand-se de uma vazã de 4 L/mnuts. almentaçã é ntrduzda n prmer reatr cm a cncentraçã de,5 ml/l. O vlume de cada reatr e a cncentraçã de saída sã apresentads na tabela abax Prmer Reatr Segund Reatr Vlume (L) 0 40 saída (ml/l),02 0,6 - Determnar a equaçã de velcdade desta reaçã. B alcular vlume de um únc reatr tubular acplad na saída d segund reatr de mstura para que a cncentraçã de saída deste reatr seja de 0,5 ml/l? [V 46 L] 22 (P 99) - (Hll) cetaldeíd, etan e utrs hdrcarbnets, prvenentes de undades de prduçã, sã msturads e passam pr ds reatres tubulares em paralel. 520 crre preferencalmente decmpsçã d acetaldeíd em metan e mnóxd de carbn, prém, a 800 etan decmpõe-se em etlen e H 2, preferencalmente. Intrduz-se uma mstura mlar de 9% de acetaldeíd, 8% de etan e vapr d água cm dluente. Os demas cmpnentes sã desprezíves. Para se aprvetar tds s gases, dvde-se a mstura, passand-se a mstura pr ds reatres em paralel, um reatr tubular aquecd a 520 e atm, e utr reatr tubular aquecd a 800 e,4 atm. Para se bter uma cnversã de 60% de acetaldeíd e etan, calcular a relaçã entre s fluxs mlares, admtnd que vlume de ambs s reatres é gual. (R : vezes) Dads: H 3 HO H 4 + O k (520 ) 0,33 (L/ml.s) 2 H 6 2 H 4 + H 2 k,535 x0 4 e ( 70200/RT) s - 23 (P 2003) - Ds reatres tanques estã dspníves em uma planta químca, um cm um vlume de 00m 3 e utr cm um vlume de 30 m 3. Sugere-se que estes reatres sejam utlzads para realzar uma reaçã rreversível em fase lquda: + B prduts. Os reatres devem ser perads em sére e as cndções de almentaçã sã as seguntes: 0 B0,5 Mlar e uma vazã de 20 L/mn. Esta é uma reaçã de segunda rdem e a cnstante de velcdade na temperatura de peraçã d sstema é 0,0 L/ml.mn. Qual deve ser melhr arranj destes ds reatres para uma mar cnversã d prcess? B Qual esta cnversã fnal para este melhr arranj? Se fr mantd Vlume ttal de 30m 3, mas a planta fr perada cm ds reatres de vlumes guas, que crrerá cm a cnversã fnal deste nv sstema? 9 tas de ula - Reatres Prf. Dr. Marc ntn Perera

10 USP EEL - Escla de Engenhara de Lrena Reatres ula 6 Reatres ntínus em Sére e/u Paralel 24 - (P2 2002) (Fgler) - Um reatr tubular stérmc e a pressã cnstante é prjetad para perar cm 63,2% de cnversã e em R em uma reaçã rreversível de prmera rdem em fase gassa cm a segunte estequmetra: R e cm uma crrente de almentaçã cm pur na vazã de 5m 3 /h. esta temperatura esclhda para perar reatr a cnstante de velcdade é cnhecda : k 5 h -. Entretant, quand reatr é clcad efetvamente em peraçã, verfca-se que a cnversã efetva btda é 92,7% da cnversã prjetada. Obvamente algum prblema exste. pós analses, a cnclusã a qual chegaram s prjetstas e engenhers da planta f de que esta dscrepânca era devd a um dstúrb n flux da mstura reacnal que permta que se frmasse uma zna de ntensa msturaçã n nterr d reatr. - nsderand que esta zna atua cm um reatr tanque de agtaçã cntnua perfetamente msturad em sére e entre ds reatres tubulares, qual a fraçã d vlume ttal d reatr que é cupad pr esta zna de ntensa agtaçã. B - Que utras hpóteses vcê fara para explcar a queda da cnversã prjetada para a cnversã real, uma vez que reatr pera a pressã e temperatura cnstante? R: ) 57% (X 0,93 ; X 2 0,486 e X 3 0,585) 25 (P2 2002) - Para arranj de reatres mstrad n lay-ut abax, calcule : a vazã mlar ns pnts 2 e 8 B a cncentraçã de ns pnts 7 e 3. Dads : - Vazã de almentaçã ttal (pnt ) 8 m 3 /s - ncentraçã de ncal (pnt ) 0 Kml/m 3 - reaçã que crre é R cm a segunte equaçã cnétca : -r 2 (Kml/m 3.s) - ã crre varaçã de densdade durante td prcess - s vazões devem ser dstrbuídas de tal md que a cnversã fnal (X ) n pnt 3 seja a máxma pssível. Respsta : ) v 2 6 m 3 /s e v 8 8 m 3 /s B) 7 3,68M e 3 0,92M 26 - (P2 998) - reaçã químca da dsscaçã d óxd de etlen está send analsada para ser testada expermentalmente em ds reatres tubulares dspníves nas nstalações ndustras de determnada empresa. Para efetuar esta análse sã necessáras uma sére de nfrmações que estã apresentadas a segur: () - dsscaçã d óxd de etlen é uma reaçã químca que crre em fase gassa e que lbera cm prduts metan e mnóxd de carbn. 0 tas de ula - Reatres Prf. Dr. Marc ntn Perera

11 USP EEL - Escla de Engenhara de Lrena Reatres ula 6 Reatres ntínus em Sére e/u Paralel H 2 H (g) 2 H 4 (g) + O (g) O ()- Estuds prelmnares realzads em um reatr batelada de paredes rígdas permtem a descberta da equaçã cnétca desta reaçã a partr ds dads de pressã ttal d reatr versus temp de reaçã a 45º. t (mn) p (atm) 0,53 0,6 0,66 0,70 0,76 0,86 () - Para facltar a descberta da equaçã cnétca sabe-se que está é uma reaçã químca rreversível de prmera rdem. (v) - Os ds reatres tubulares que a empresa dspõe para serem testads sã: Reatr : 2,00 m de cmprment e 20 cm de dâmetr Reatr B : 0,30 m de cmprment e 30 cm de dâmetr. (v) - crrente gassa a ser ntrduzda ns reatres cntém uma almentaçã glbal de 900 g/mn de óxd de etlen pur. cncentraçã mlar d óxd de etlen é de 0,566 ml/ltr. (v) - prduçã dára é btda em 6 hras de funcnament cntínu a uma temperatura cnstante de 45º. (v) - Os custs ttas (mã de bra, cust peracnal,...) de cada um ds reatres pr hra de funcnament fram levantads após mnucsa analse cnjunta desenvlvda pela Gerenca Fnancera e pela Gerenca Industral da empresa e sã s seguntes: Reatr : US$ 2,20/h Reatr B : US$ 8,50/h De psse de tdas estas nfrmações, vcê está send neste mment cnvdad a assumr a decsã gerencal da esclha d que é melhr para esta empresa. Sga rter de análse apresentad em seguda e após st respnda as questões que lhe serã frmuladas. ROTEIRO DE ÁLISE SUGERIDO - álcul da cnstante de velcdade na temperatura de 45º. 2 - álcul da cnversã btda em cada reatr sladamente. 3 - álcul da prduçã de metan em kg/h em cada reatr sladamente. 4 - álcul d cust d prdut fnal (US$/kg de metan) em cada reatr sladamente. QUESTÕES: ) Qual reatr que vcê sugere ser utlzad em funçã d cust pr kg d prdut fnal? Explque a sua respsta. B) Qual a prduçã dára (em kg) de metan n reatr esclhd? PSSOS SEGUITES Ótm, vcê chegu até aqu, mas exste uma utra stuaçã que merece ser analsada que é a utlzaçã ds ds reatres em sére. Refaça td rter de cálcul para a utlzaçã ds ds reatres em sére. Refaça td rter de cálcul para a utlzaçã ds reatres e B em sére e cnsdere que cust glbal de peraçã ds ds reatres em sére é a sma d cust ndvdual de cada um ds reatres. O cálcul da cnversã (X 2 ) n segund reatr é fet pr uma equaçã matemátca lgeramente mdfcada, ps a mstura reacnal já entra parcalmente cnvertda (X ), n segund reatr. Tems, prtant: F 0 V K 0 ε ( x x ) + ( ε + ) 2 ln ( x ) ( ) 2 x Para efet de hmgenzaçã de rter de cálcul, cnsdere reatr cm prmer reatr e reatr B cm segund reatr. Pense sbre que acntece se nvertems a rdem ds reatres? tas de ula - Reatres Prf. Dr. Marc ntn Perera

12 USP EEL - Escla de Engenhara de Lrena Reatres ula 6 Reatres ntínus em Sére e/u Paralel E agra, qual stuaçã vcê sugere ser utlzada, reatr já esclhd na questã (a) u s ds reatres em sére? sua decsã deve ser tmada em funçã d cust untár pr kg d prdut metan. as vcê mantenha a esclha d tem (a), pare, pense e analse! utlzaçã ds ds reatres em sére deve dmnur cust peracnal ttal e, prtant pde ser vável a sua utlzaçã desde que haja esta reduçã de custs. Faça s cálculs necessárs e determne qual deve ser cust peracnal ds reatres em sére para que prdut fnal tenha mesm cust pr kg d tem (a)? R : ) reatr B; b) F R 69, kg/da E c) U$ 25,26 / hra Sére e/u Paralel Resluçã Gráfca 27 (P 2005) - Para estudar a reaçã em fase lquda prduts, segunte experment f realzad em um pequen reatr deal de mstura n labratór: τ (s) 0 (M) (M) , , Plte um gráfc de (-/r ) x e cnsderand uma almentaçã de 6M e vazã de 0L/s, calcule: O vlume de um reatr tubular, para uma cnversã fnal de 33%. B O vlume de um reatr de mstura acplad na saída d reatr tubular para que a cnversã atnja 50%. (830L) Qual é vlume necessár para que um únc reatr tubular atnja 50% de cnversã? (.245L) D Qual é vlume necessár para que um únc reatr de mstura atnja 50% de cnversã? E para que um segund reatr de mstura atnja 67% de cnversã? 28 (P2 2005) - (adaptad Fgler) - reaçã rreversível, nã elementar, em fase gassa: + 2B deve ser cnduzda stermcamente num reatr batelada, a pressã cnstante. almentaçã está à temperatura de 227º, pressã de 03 Kpa (0 atm), e sua cmpsçã cnsste de 33,3% de e 66,7% de B. Dads de labratór btds nas mesmas cndções frneceram s seguntes resultads: -r x0 3 (ml/l.s) 0,00 0,005 0,002 0,00 X 0,0 0,2 0,4 0,6 Operand a partr de uma vazã de almentaçã de 4 L/mn, estme: a) O vlume de um reatr tubular para bter 40% de cnversã. b) O vlume de um reatr de mstura acplad a saída d reatr tubular que permta atngr uma cnversã fnal de 60%. (.084L) c) O vlume de um reatr tubular para se bter 60% de cnversã? d) O vlume de um reatr de mstura para se bter 60% de cnversã? (3.252L) e) cnversã na qual vlume de um reatr tubular seja a metade d vlume d reatr calculad n tem? (X 0,445) 2 tas de ula - Reatres Prf. Dr. Marc ntn Perera

13 USP EEL - Escla de Engenhara de Lrena Reatres ula 6 Reatres ntínus em Sére e/u Paralel 29 - (Fgler 2.8 P 2.000) O gráfc abax apresenta [ /-r ] versus X para a decmpsçã de um reagente em fase lquda meu uma reaçã pr etapas, nã elementar e nã stérmca. a fgura a segur sã apresentads ds pssíves sstemas para estud desta reaçã químca, send um reatr PFR e um reatr STR, estand ambs cnectads em sére. cnversã de saída d prmer reatr é de 30%, enquant a cnversã de saída d segund reatr é de 70%. Qual destes ds arranjs prpsts cnduz a menr vlume ttal d cnjunt de reatres. Explque a sua respsta. B) Para uma vazã de 50 L/mn, qual é menr vlume ttal d sstema de reatres esclhds? ) lém ds ds arranjs de reatres prpsts, exste uma utra frma de prpr um arranj dferente de reatres PFR e/u STR que atnja esta cnversã de 70% cm menr vlume de reatr u reatres pssível? Qual este menr vlume? D) Em que cnversã (abax de 70%), vlume d reatr STR será dêntc a vlume d reatr PFR? E) partr ds dads da curva [ /-r ] versus X e da equaçã geral de um reatr STR, plte uma curva de versus X. F) Para um reatr STR de 700 L e uma vazã de 50 L/mn, quas as pssíves cnversões de saída para este reatr (utlze a curva pltada n tem anterr). R : a) arranj II b) V 750 L c) V 507,5 L d) X 0,48 f) 27% u 53% u 73% 3 tas de ula - Reatres Prf. Dr. Marc ntn Perera

14 USP EEL - Escla de Engenhara de Lrena Reatres ula 6 Reatres ntínus em Sére e/u Paralel 30 - (P 2006) Os dads da tabela abax fram btds em labratór para a reaçã gassa: 3 R realzada a 49 e a 0 atm. X 0,0 0,0 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,85 -r x 0 4 (ml/l.s) ,5 0 nsderand uma almentaçã equmlar entre e um nerte: ) Qual vlume de cada um de ds reatres de mstura em sére, send prmer almentad a 0 l/s, para se atngr uma cnversã fnal de 80% d reagente, cnsderand que a cnversã de saída d prmer reatr seja de 40%?. B) Qual sera vlume necessár para alcançar à mesma cnversã em um únc de mstura? ) Qual sera vlume ttal d sstema se a reaçã fsse realzada em 2 reatres tubular em sére, nas mesmas cndções, send estabelecda a mesma cnversã ntermedára? D) Qual vlume de cada reatr e vlume ttal d sstema para uma cnversã ntermedára de 60%, se a reaçã crrer em um reatr tubular segud de um de mstura. [V 2 L e V 2 23 L] E) Qual vlume de cada reatr e vlume ttal d sstema para uma cnversã ntermedára de 30%, se a reaçã crrer em um reatr de mstura segud de um tubular. [V 96 L e V 2 29 L] 4 tas de ula - Reatres Prf. Dr. Marc ntn Perera