PQI 2321 Tópicos de Química para Engenharia Ambiental I

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1 PQI 2321 Tópico de Química para Engenharia Ambiental I Aula 16 Balanço de maa em proceo com reaçõe química. Modelo de reatore químico ideai Prof. Antonio Carlo S. C. Teixeira Centro de Engenharia de Sitema Químico Departamento de Engenharia Química Ecola Politécnica da USP Edifício Semi-Indutrial, 3 o andar accteix@up.br

2 R ~ V r dv para conteúdo perfeitamente miturado: dn dt F F, entrada, aída r V

3 reatore ideai reator batelada (batch, BR) reator contínuo de tanque agitado (continuou tirred tank reactor, CSTR) ou reator de retromitura (back-mixing reactor) reator contínuo pitonado (plug-flow, PFR): não há variaçõe radiai de velocidade, concentração, temperatura e taxa de reação; não há diperão axial. Adaptado de: Fogler, H.S. Eential of Chemical Reaction Engineering, 1 t Ed., Pearon Education, Inc, 2011.

4 reatore não ideai reator contínuo tubular ideal (PFR) reator contínuo de tanque agitado com devio da idealidade reator contínuo tubular não ideal com diperão Adaptado de: Fogler, H.S. Eential of Chemical Reaction Engineering, 1 t Ed., Pearon Education, Inc, 2011.

5 mitura perfeita modelo de reatore ideai

6 A B N A0 = N A,t = 0 t 1 N N A0 A1 dn r A A V Fonte: Fogler, H.S. Eential of Chemical Reaction Engineering, 1 t Ed., Pearon Education, Inc, 2011.

7 exercício A16.1: reator emi-batelada Uma reação em fae líquida com etequiometria A B egue lei de velocidade elementar, endo conduzida em um reator emibatelada. O reator etá inicialmente vazio. e em dado intante t = 0 paa a er alimentado à vazão v (L/) com uma olução contendo A à concentração C A0 (mol/l). Admitir que a olução poua maa epecífica contante e que o conteúdo do tanque eja perfeitamente agitado. a) Obter a equaçõe para V (volume de líquido no reator), N A (número de mol de A no reator) e C A (concentração de A no reator) em função do tempo. b) Dicutir o reultado do item (a) para. t

8 modelo de reatore ideai reator contínuo de tanque agitado (mitura perfeita) (continuou-tirred tank reactor CSTR) dn dt F, entrada F, aída r V etado. etacionário (v contante): V V v F, entrada F r C, aída ( C, entrada, aída r )

9 Adaptado de: Reynold, T.D. e Richard, P.A. Unit Operation and Procee in Environmental Engineering, 2 nd Ed., PWS Publihing Co., 1996.

10 exercício A16.2: degradação complexa de poluente emergente Água reidual de um proceo químico-farmacêutico, à vazão de 2 L -1, contendo o antibiótico A e F, ambo à concentração de 0,4 mmol L -1, é tratada em um reator contínuo agitado de 5 m 3. O reator opera em etado etacionário. O contaminante A e F decompõem-e por meio da equência de reaçõe: A reaçõe ão irreverívei e ua velocidade epecífica ão conhecida: k 1 = 0,01-1 ; k 2 = 0,02-1 ; k 3 = 0,07-1 ; k 4 = 0,50 L mmol Determinar a concentraçõe de toda a epécie à aída do proceo de tratamento. (Repota: C A = 0,0053 mmol L -1 ; C B = 0,0037 mmol L -1 ; C C = 0,774 mmol L -1 ; C F = 0,018 mmol L -1 )

11 modelo de reatore ideai reator contínuo tubular ideal (plug-flow reactor PFR) C t F V r etado etacionário: df dv r

12 reator contínuo tubular ideal (plug-flow reactor PFR) Adaptado de: Reynold, T.D. e Richard, P.A. Unit Operation and Procee in Environmental Engineering, 2 nd Ed., PWS Publihing Co., 1996; Fogler, H.S. Eential of Chemical Reaction Engineering, 1t Ed., Pearon Education, Inc, 2011.

13 Adaptado de: Reynold, T.D. e Richard, P.A. Unit Operation and Procee in Environmental Engineering, 2 nd Ed., PWS Publihing Co., 1996.

14 A B F A0 = F A,entrada V 1 FA0 df F A1 r A A Fonte: Fogler, H.S. Eential of Chemical Reaction Engineering, 1 t Ed., Pearon Education, Inc, 2011.

15 tempo epacial (tempo médio de retenção ou tempo médio de reidência) V v entrada.. para v = v entrada = contante:

16 reumo balanço molare em reatore Sem variaçõe radiai Sem diperão axial F A0 = F A,entrada e N A0 = N A,t = 0 Fonte: Fogler, H.S. Eential of Chemical Reaction Engineering, 1 t Ed., Pearon Education, Inc, 2011.

17 reumo balanço molare em reatore. (fae líquida, vazão volumétrica de entrada v contante) aa bb C A0 = C A,entrada e C B0 = C B,entrada

18 exercício A16.3: tratamento de efluente em reatore aociado a) Um proceo avançado de oxidação deve prover concentração de radicai hidroxila ( OH) em etado etacionário igual a mol/l em um reator tubular para bombear e tratar água de um poço com concentração de tricloroeteno (TCE) igual a 40 ppm. Para um reator de 50 L, determinar a vazão de bombeamento de modo que a concentração de TCE eja 5 ppm à aída do reator. Admitir que 90% do radicai hidroxila ejam inibido por carbonato e bicarbonato preente na água. A velocidade epecífica da reação entre radicai OH e TCE é igual a 4, L/mol.. (Repota: 145 L/h) b) Determinar o volume do tanque de mitura, operado à mema vazão, a er aociado apó o reator tubular para reduzir a concentração do poluente ao valor final de 0,5 ppm. (Repota: 216 L) c) Qual o tempo de retenção nee reatore? (Repota: 20,7 min e 1,49 h, repectivamente)