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

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1 Reatores ula 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 v [ volume] = volume tempo ( 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. 3 Reator de mistura s= 1 τ = [ tempo] 1 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: F F F X = = (4.1) V ( r ) ( r ) plicando-se o conceito de tempo espacial, tem-se: F X τ v = ( r ) C X = (4.2) τ ( r ) De uma forma geral, então esta equação pode ser assim escrita: 1 Notas de ula - Reatores Prof. Dr. Marco ntonio Pereira

2 Reatores ula 4 Reatores Contínuos Isotérmicos V F τ X = = (4.3) C ( r ) Para sistemas a volume constante (ξ = ), tem-se que equação (4.2) passa a ser: C X = C C, e então, a C - C = (4.4) τ ( r ) 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: X dx V = F (4.5) ( r ) plicando o conceito e tempo espacial, tem-se, então, que: 2 Notas de ula - Reatores Prof. Dr. Marco ntonio Pereira

3 Reatores ula 4 Reatores Contínuos Isotérmicos X dx τ v = F ( r ) X dx τ = C (4.6) ( r ) De uma forma geral então esta equação pode ser assim escrita: V F τ X = = (4.7) C ( r ) dc Para sistemas a volume constante (ξ = ), tem=se que = - C dx, que substituindo na equação 4.6, conduz a: C = C - C dx, que conduz a C dc τ = - (4.8) C ( r ) 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. 3 Notas de ula - Reatores Prof. Dr. Marco ntonio Pereira

4 Reatores ula 4 Reatores Contínuos Isotérmicos Exercícios - Reator de Mistura 1 (Exame 21) - reação + B 2R ocorre em fase liquida e sua equação de velocidade é a seguinte : -r =,756C C B (mol/l.min) a 2 o C. reação ocorrerá em um reator de mistura e a conversão desejada é de 8% do reagente critico. alimentação é introduzida no reator de mistura proveniente de 3 tanques de armazenagem conforme esquema abaixo. s condições de operação de cada um dos tanques são apresentadas na tabela abaixo: Tanque I Tanque II Tanque III C (M) 4 2 C B (M) 2 4 vazão (L/min) Qual o Volume do reator de mistura utilizado? (R: 126,8 L) Tanque 1 Tanque 2 Tanque 3 Reator 2 reação 2 C + D deve ser realizada em um reator CSTR a uma vazão de 1 ft 3 /h. concentração inicial de é 1,5 lbmol/ft 3 Deseja-se obter 8% da conversão de equilíbrio. Qual deve ser o volume útil do reator? 2 CCCD Dados: ( r = ) k C onde k = 1 ft 3 /lbmol.h e K c = 16 K c R: 62 ft 3 3 (P1 22) - smus e Houser (J. Phys. Chem., v73, p2555, 1969) estudaram a cinética da pirólise da acetonitrila a temperatura de 88 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. CH 3 C N P Experimento I II III IV V Concentração inicial da acetonitrila (mol/m 3 ),219,26,5,516,822 Tempo espacial (s) 8,5 13,4 12,9 19,2 24,5 X,116,171,182,25,38 Determine a ordem e a constante de velocidade da reação. [R : (-r ) =,195 C 1,17 (M/s) ] 4 Notas de ula - Reatores Prof. Dr. Marco ntonio Pereira

5 Reatores ula 4 Reatores Contínuos Isotérmicos 4 (P1 23) - 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 (25 o C). partir deste gráfico é possível conhecer a cinética da reação química e em seguida aplicar esta cinética no estudo de reatores. 1,6 1,4 1,2 1,,8,6,4,2, S R 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 2 Litros a fim de obter uma conversão final de 6%? 5 (P1 27) - reação química R + ½S ocorre em fase liquida e foi realizada experimentalmente em um reator de mistura de 2L. Foram realizados seis experimentos, sendo que todos eles usaram a mesma concentração inicial de 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 na Mols de na entrada / min saída / min I 17,25 13, II 15, 1,55 III 12, 8,8 IV 1, 6,26 V 9, 5,8 VI 8, 4,5 ) Determine a equação de velocidade desta reação. B) Caso esta reação seja realizada em um reator de 1.L, qual a conversão a ser obtida para as seguintes condições de alimentação: 2 mols/min e CO = 1,6M? (X =,65) 6 (P2 27) - 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). reação é elementar e catalisada por H 2 SO 4 : MBP + n-c 4 H 9 OH DBP + H 2 O constante de velocidade desta reação na temperatura de 4 o C é de 1,25 L/mol.h. 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. litros para ser usado 24 horas/dia durante 3 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,2m e,6m, respectivamente. Qual será a conversão de saída do MBP neste reator? (Peso Molecular do DBP = 278 g/mol) 5 Notas de ula - Reatores Prof. Dr. Marco ntonio Pereira

6 Reatores ula 4 Reatores Contínuos Isotérmicos 7 (P2 22) - temperaturas elevadas, o acetaldeíldo (CH 3 CHO) decompõe-se em fase gasosa em metano e monóxido de carbono. 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 3m 3 utilizando-se de uma alimentação com 8,8 Kg/min e uma vazão de 2.5 L/min. Considere que a pressão e a temperatura permanecem inalteradas. R: X =,397 8 (P2 22) - Uma reação gasosa entre etileno () e hidrogênio para produzir etano é realizada em um reator CSTR. alimentação, contendo 4% molar de etileno, 4% molar de hidrogênio e 2% 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 =,3 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 6% de etano. (R: V = 3255 L ) Considere que pressão e a temperatura são constantes neste reator. C 2 H 4 + H 2 C 2 H (Levenspiel 5-6) - Uma corrente gasosa (1 litro/min) contendo (C o =,1 mol/litro) e uma segunda corrente gasosa (3 litros/min) contendo B (C Bo =,2 mol/litro) alimentam um reator de mistura de volume 1 litro e reagem formando vários produtos R, S, T,... análise do fluxo que sai a 6 litros/min mostra que C =,5 mol/litro e C R =,1 mol/litro. Todas as velocidades e concentrações foram medidas na temperatura uniforme e pressão do reator. Determinar a velocidade de reação de e a velocidade de formação de R no reator. R: a) r =,7 mols/l.min b) r R =,6 mols/l.min 1 - (P2 27) - Deseja-se projetar um reator de mistura para produzir 2. toneladas de etilenoglicol por ano, a partir da hidrólise do óxido de etileno, a 55 o C. 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 5 ml de uma solução 2 M de óxido de etileno e no outro becker estava 5 ml de água contendo,9% em peso de ácido sulfúrico, que é utilizado como catalisador da reação. Os dados obtidos da concentração do etilenoglicol estão na tabela abaixo: Cetilenoglicol (mol/l),27,467,61,715,848 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 Concentração do Tempo de operação Conversão Desejada Operação óxido de etileno anual do reator 55 o C 1,3 M 2. horas 7% Determine o volume deste reator. O Reação: CH CH 2 + H 2 O HO-CH 2 -CH 2 -OH 6 Notas de ula - Reatores Prof. Dr. Marco ntonio Pereira

7 Reatores ula 4 Reatores Contínuos Isotérmicos 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. estequiometria da reação é 2R e o reagente 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 (cm 3 /s) T (ºC) C R no efluente (mol R/litro) , , ,8 R : -r =,36 C 2 (a 13º C) 12 (P1 25) - Uma solução aquosa reage em um reator de mistura até uma conversão de 5%. 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: ) 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 R + S que se dá isotermicamente num reator de mistura. Número da experiência τ baseado nas condições da alimentação,423 5,1 13,5 44, 192 X (para C o =,2 mol/litro),22,63,75,88,96 R : 1,35 -r = 8,1 C 14 - (P1 21) - Eldridge e Piret [Chem. Eng. Progr., 46, 29(195)] estudaram a hidrólise do anidrido acético [ (CH 3 CO) 2 O + H 2 O 2CH 3 COOH em um reator tanque com agitação continua de 1,8 L de volume que opera no intervalo de temperatura entre 1 e 4 C. s condições experimentais utilizadas e os dados obtidos foram os seguintes: Experimento T ( o Concentração inicial Vazão volumétrica % conversão C) do anidrido (mol/ml) (ml/min) do anidrido I 25 1,4 x ,1 II 25 1,37 x ,8 III 1 1,8 x ,3 IV 1,52 x ,4 V 4,95 x , VI 4,93 x ,7 VII 4 1,87 x ,3 VIII 4 2,2 x ,5 88,2 - Qual a equação de velocidade deste reator nas temperaturas de 1, 25 e 4 C? B - Qual a energia de ativação desta reação? R: ) n = 1 e k 4 =,381 (min) -1 ; B) E = 11.4 cal/mol 15 - (P2 26) - Um hidrocarboneto 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 8R Variando-se a alimentação, diferentes graus de craqueamento foram obtidos, como segue: F o (mol/min) C f (mol/l),42,54,59,668,747 7 Notas de ula - Reatores Prof. Dr. Marco ntonio Pereira

8 Reatores ula 4 Reatores Contínuos Isotérmicos O volume interno do reator utilizado é de 5 Litros e todo os experimentos ocorreram a mesma temperatura e com uma concentração da alimentação (C o ) de 1 mol/l. ) 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 7% a partir de uma alimentação de 1 moles/minutos do reagente? Exercícios - Reator Tubular 1 (Exame 2) - reação + B 2R ocorre em fase liquida e sua equação de velocidade é a seguinte : -r = 1C C B (mol/l.min) a 2 o C. Esta reação ocorrerá em um reator tubular de 1 litros e a conversão desejada é de 7%. s concentrações iniciais de e B são iguais: C o = C Bo =,5 M. reação ocorre em um reator alimentado conforme o esquema apresentado abaixo. Determine as vazões v 1, v 2 e v 3 a serem utilizadas. tanque 1 tanque 2 tanque 3 C = 2,8 M CB = 1,4 M H2O v 1 v 2 v 3 v vf R : v 1 =38,3 L/min v 2 =76,5 l/min v 3 = 99,5 L/min 2 (P1 26) - reação em fase liquida + 2B R + 2 S possui a seguinte equação de velocidade : (-r ) = 1C C B (M/min). Esta reação será efetuada em um reator tubular, utilizando o esquema experimental mostrado na figura abaixo. s concentrações iniciais e 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 1%.] 1 2 C 1 = C B1 =,6 M 4 1 L/min Reator Tubular 3 5 L/min v 4 = v 3 2 F, F B C 2 =, C B2 =? 5 v5, F R, F S 8 Notas de ula - Reatores Prof. Dr. Marco ntonio Pereira

9 Reatores ula 4 Reatores Contínuos Isotérmicos 3 (P1 27) - dmitindo que a estequiometria de uma reação de primeira ordem em fase gasosa seja R, verificou-se que em reator tubular de 1 L ocorria 95% de conversão de puro. Entretanto, constatou-se que fora feito um erro, pois a estequiometria correta da reação é 7R. Com a estequiometria correta ) Qual deveria ser a capacidade do reator para a mesma conversão? B) Qual deveria ser a conversão do reator para o mesmo volume? (X =,615) 4 - (P1 21) - 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 8 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: -r = 2 C 2 ) Dado : CH 3 CHO CH 4 + CO experimento I II III IV F o (g/h) ,8 X,6,13,24,35 5 (P1 26) - reação homogênea em fase gasosa 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. L/h Condição da limentação = Reagente puro a 5 atm e 2ºC Conversão Obtida = 65% Escala Industrial Vazão de limentação = 3. L/h Condição da limentação = 5% de e 5% de inertes, a 25 atm e 2ºC Conversão Obtida = 8% ) 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 24) - reação química 4R é de primeira ordem e ocorre a partir de uma alimentação com puro em um reator tubular onde é obtida uma conversão de 4%. Quantas vezes este reator deverá ser maior para que a conversão a ser obtida seja de 8%, se a reação ocorrer: ) em fase liquida (3,15 vezes) e B) em fase gasosa (4,79 vezes) 7 (P1 25) - Calcule o comprimento (em metros) de um reator tubular requerido para a produção de etileno a partir de etano () baseado nas seguintes considerações: (1) o reator é alimentado com uma mistura de etano (4 g/s) e nitrogênio (4g/s). (2) o reator opera a 1 K e pressão atmosférica. (3) - a reação é de primeira ordem irreversível. (4) - a constante de velocidade da reação, na temperatura de 1 K, é,254 s -1 (5) - conversão do etano na saída do reator é de 25% (6) - O diâmetro interno do reator é de 4 cm. Resposta: 21,7 metros 9 Notas de ula - Reatores Prof. Dr. Marco ntonio Pereira

10 Reatores ula 4 Reatores Contínuos Isotérmicos 8 (P1 27) - O óxido nítrico é produzido por oxidação da amônia em fase gasosa, tendo uma cinética conhecida, que é de primeira ordem. 6 7 T 4NH 3 + 5O 2 4NO + 6H 2 O onde k= 3,12 x1 e (min) -1 Uma alimentação contendo 5% molar de amônia e 5% de ar atmosférico é introduzida em um reator contínuo a 2 atm e 27ºC, que opera nesta condição. ) Monte a Tabela Estequiométrica desta reação Considerando uma vazão de alimentação de 4 L/min, determine o volume do reator necessário para uma conversão de 5% do reagente limitante desta reação, em um: B) reator de mistura (V m = 628,6L) C) reator tubular (V t = 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 () 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 2ºC estão tabelados abaixo: ensaio C O (M) C BO (M) C f (M) τ (seg.) X f (X ) 1,91,29,23,6 2,91,29,32,376 3,91,29,45,284 4,11,211,34,525 5,11,211,46,324 6,11,211,59,232 credita-se que esta seja uma reação de segunda ordem do tipo: (-r ) = k C C B. Monte um gráfico de τ ver versus f(x ) 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 ] 1 (P1 22) - - reação reversível em fase gasosa R ocorre a 3 C e 1 atm em um reator tubular ideal, cuja alimentação contem 3% molar de e 7% 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 8 mol/h. (V = 64 ml) C R Dado : Eq. de velocidade: ( r ) = k1 C onde C é dado em mol/l; k 1 =1,6s -1 e K c = 2 K c 11 (P2-22) - planta industrial mostrada abaixo possui um reator tubular de 1 litros carregado a partir de três tanques de alimentação e operado com reciclo após a mistura reacional passar por um separador. reação química que ocorre no reator é + B 2R cuja equação de velocidade a uma dada temperatura é: r = 5C C B (M/min) No tanque 1 existe uma solução com uma concentração de 5M. No tanque 2 existe uma solução B com uma concentração de 4M. No tanque 3 existe apenas água. concentração inicial de 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 1 Notas de ula - Reatores Prof. Dr. Marco ntonio Pereira

11 Reatores ula 4 Reatores Contínuos Isotérmicos reagente que não reagiu saem na parte inferior do separador. s concentrações de e R nesta saída da parte inferior do separador são,2m e 3,96M, respectivamente. Determinar: a concentração de B na saída superior do separador. B a vazão volumétrica de alimentação (v o ) na entrada do reator. C as vazões volumétricas de cada um dos tanques de alimentação (v 1 v 2 v 3 ) Tanque 1 Tanque 2 Tanque 3 v 5 v 1 v 2 v 3 v separador v 4 Reator R: v 1 = 1,1L ; v 2 = 1,25L e v 3 =,26L v 6 12 (Exame 2.2) - Em um reator tubular de 15L realizou-se uma reação de primeira ordem em fase gasosa R a partir de uma alimentação contendo puro e encontrou-se uma conversão final de 9%. Entretanto, verificou-se, posteriormente, que a estequiometria considerada inicialmente estava errada e que a estequiometria correta era de 3R. Com a estequiometria correta: ) 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 (15 L)? (R: X =,711) 13 - (P1 2) Walter [J. Chem. Eng. Data 5 (468), 196] estudou a cinética da pirólise catalítica do cloreto de etileno em um reator tubular de 1 cm 3 com 59 cm de comprimento. ClCH 2 - CH 2 Cl HCl + CH 2 = CH 2 Cl 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) X,55,86,544,85,344,94 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 6 o C e pressão atmosférica. Confirme a ordem da reação e calcule a sua constante de velocidade. B Se a constante de velocidade da reação a 5 o C é,141s -1, qual a sua energia de ativação? R: a) k = 1,17 (s) 1 b) E = cal 11 Notas de ula - Reatores Prof. Dr. Marco ntonio Pereira

12 Reatores ula 4 Reatores Contínuos Isotérmicos 14 - (P1 2) - reação em fase gasosa : (g) R (g) + 2S (g) foi efetuada a 6 K em um reator batelada alimentado por puro. Os seguintes resultados experimentais foram obtidos : t (min) p (torr) 7,5 2,5 1,3 5 12,5 1 15, ,9 2 19,4 Esta reação em seguida foi efetuada em um reator tubular de 42,5 L operando a temperatura de 6 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 X = 4% X = 5% X = 6% puro 8% 2% inerte 6% 4% inerte 4% 6% inerte 2% 8 % inerte Qual a equação de velocidade desta reação (-r =,84 p ) B - Plote um gráfico de vazão da alimentação versus X para as possíveis alimentações molares. alimentação molar X = 4% X = 5% X = 6% puro 4,66 3,17 2,1 6% 4% inerte 5,31 3,69 2, (P1 1998) (Hill) dehidrocloração catalítica do tetracloroetano foi estudada por Shvets, Lebedev e veryanov [Kinetics and Catalysis, 1(28), 1969]. C 2 H 4 Cl 4 C 2 H 3 Cl 3 + HCl reação é de primeira ordem em relação ao tetracloroetano e a constante de velocidade possui o seguinte valor: k = 1 12 e -2194/T (s -1 ) onde T é expresso em graus Kelvin. o 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 15 x 1-6 moles de Cl 2 por litro. Diversos estudos foram conduzidos para esta reação e a razão molar entre o gás Cloro (Cl 2 ) e o ácido clorídrico (HCl) no meio reacional em função da temperatura foram obtidos e se encontram na tabela abaixo : T ( o C) razão molar (Cl/HCl) 48 1,7 x ,2 x , x 1-4 Na fase de testes, foi instalada uma planta piloto que consiste em um reator tubular de 15 litros operando a 45 o 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: C Cl2 = 3 ppm 12 Notas de ula - Reatores Prof. Dr. Marco ntonio Pereira

13 Reatores ula 4 Reatores Contínuos Isotérmicos 16 (P2 23) - reação elementar irreversível 2 R ocorre em fase gasosa em um reator tubular isotérmico. Reagente e um diluente C são introduzidos em relação equimolar entre si e conversão de é de 8%. Se a velocidade molar de é diminuída para a metade e a velocidade molar do diluente é mantida constante, qual será a conversão de a ser obtida nesta situação? Considere o comportamento de gás ideal e que a temperatura do reator permanece inalterada. (California Professional Engineers Exam) Dado: F o V = kc 2 o 2ε ( ε + 1) ln(1 X ) + ε 2 X + ( ε + 1) 2 X ( 1 X ) 17 reação homogênea entre vapor de enxofre (S 2 ) e metano (CH 4 ) foi estudada em um pequeno reator tubular de sílica com 35,2mL de volume. Em um dada corrida a 6 o C e 1 atm de pressão, a quantidade de dissulfeto de carbono (CS 2 ) produzido em 1 minutos foi de,1 g. vazão molar de S 2 utilizada foi de,238 gmol/h nesta corrida em regime permanente. ) Qual é a velocidade da reação, expressa em gmols de CS 2 produzidos por hora e por ml de volume do reator? B) taxa a 6 o C pode ser expressa pela equação de segunda ordem r = kp CH4 p S2 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.atm 2.h). taxa de escoamento do metano foi de,119 gmol/h, e as concentrações de H 2 S e CS 2 nos reagentes foi nula. (Observação: dmita que a velocidade da reação é constante e utilize as pressões parciais médias de CH 4 e S 2 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 : CH 4 + 2S 2 CS 2 + 2H 2 S Resposta: ) v = 2,24x1-4 gmoles CS 2 /h.ml B) = C) k = 1,8x1-4 gmoles/h.ml.atm 2 13 Notas de ula - Reatores Prof. Dr. Marco ntonio Pereira