FICHA DE DISCIPLINA CH TOTAL TEÓRICA: OBJETIVOS EMENTA

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA FACULDADE DE ENGENHARIA QUÍMICA CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA FICHA DE DISCIPLINA DISCIPLINA: Cinética Química e Cálculo de Reatores CÓDIGO: EQQ23 UNIDADE ACADÊMICA: Faculdade de Engenharia Química PERÍODO/SÉRIE: 4º ano CH TOTAL TEÓRICA: CH TOTAL PRÁTICA: CH TOTAL: OBRIGATÓRIA: ( X ) OPTATIVA: ( ) OBS: Regime anual PRÉ-REQUISITOS: não tem CÓ-REQUISITOS: não tem OBJETIVOS Determinar a equação da taxa e o mecanismo de reação a partir de dados experimentais; Dimensionar reatores homogêneos, associar reatores de tamanhos e tipos diferentes, avaliar o efeito da pressão e temperatura em reações simples e múltiplas e avaliar o efeito de condições não ideais de escoamento; Projetar os principais reatores heterogêneos, analisar os efeitos do transporte externo e interno de massa e energia na taxa global de reação. EMENTA Estequiometria e taxas de reação; elementos da cinética de reações químicas; caracterização cinética de reações homogêneas, heterogêneas, simples e complexas; métodos experimentais para o estudo de reações lentas, rápidas, homogêneas e heterogêneas; equações do balanço de momento linear, massa e energia; projeto de reatores isotérmicos e não isotérmicos; preparação e caracterização de catalisadores; efeitos da difusão externa em reações heterogêneas; difusão e reação em catalisadores

2 porosos; reatores de leito fixo e fluidizado; reatores multifásicos; distribuição tempos de residência e de idades; análise de reatores não ideais. DESCRIÇÃO DO PROGRAMA Unidade I - Estequiometria e taxas de reação A reação química Balanço estequiométrico Classificação estequiométrica das reações químicas Unidade II - Elementos da cinética de reações químicas Ordem e molecularidade de reação Termodinâmica química Cinética química Unidade III - Caracterização cinética de reações homogêneas, heterogêneas; simples e complexas - modelos cinéticos de reação homogênea - reações reversíveis - reações paralelas e em série - reações em cadeia - reações de polimerização - reações autocatalíticas - reações catalisadas por sólidos - modelos cinéticos de catalisadores heterogêneos Unidade IV - Métodos experimentais para o estudo de reações lentas rápidas, homogêneas e heterogêneas Determinação da taxa de reação: medidas experimentais Interpretação de dados cinéticos Método diferencial Método integral Simulação computacional de modelos cinéticos Métodos numéricos aplicados ao tratamento de dados cinéticos Unidade V - Equações de balanço de momento linear, massa e energia Equações de balanço de momento linear Equações de balanço de massa Equações de balanço de energia Unidade VI - Projeto de reatores isotérmicos e não isotérmicos Reator batelada ou descontínuo Estabelecimento do balanço de massa Otimização da produção

3 Estabelecimento do balanço de energia Estudo de um caso Reatores contínuos com agitação Reator CSTR de um só toque Produtividade no CSTR Associação de reatores CSTR Estratégia de temperatura ótima para sistemas reacionais Cascata de reatores CSTR em série com alimentação escalonada Multiplicidade e estabilidade de estados-estacionários em CSTRs Reatores tubulares Equações básicas de projeto para reator tubular ideal Influência da ordem de reação, da concentração e da temperatura Combinação de reatores tubulares, reatores com recirculação e alimentação múltipla Estudos de perfis de temperatura em PFRs Reator tubular com escoamento em regime laminar Estudo da estabilidade térmica em PFRs Reatores Semi-Descontínuos e Semi-Contínuos Balanços mássico e energético Utilização de um reator semi-contínuo Análise de uma bateria de reatores semicontínuos Reações Competitivas Estudo das reações múltiplas Escolha de um reator ou associação de reatores para reações múltiplas Comparação de reatores homogêneos Escolha do tipo de reator (análise qualitativa) Comparação de reatores Unidade 7 - Preparação e Caracterização de Catalisadores Métodos gerais de manufatura Método de precipitação Precipitação Operações de forma Calcinação Redução para o metal Impregnação Distribuição através do pellet Métodos especiais de preparação Catalisadores metálicos sólidos Fusão térmica Processo Leaching Suporte de catalisadores Alumina Sílica Carbono ativado Outros suportes Promotores Promotores texturais

4 Promotores estruturais Caracterização física de catalisadores Medida de área superficial Isotermas de adsorção física Método de BET (Brunauer-Emmett-Teller) Área superficial por quimissorção seletiva Volume de poros Distribuição tamanho de poros Adsorção de nitrogênio Penetração de mercúrio Exemplos de distribuição de tamanhos de poros Propriedades mecânicas Teste de esmagamento Distribuição tamanho de partícula Unidade 8 - Efeitos da difusão externa em reações heterogêneas Reação de um componente do fluido na superfície sólida Resistência à transferência de calor e massa Coeficientes de transferência de massa Coeficientes de transferência de calor Difusão multicomponente em fluido Diferenças de temperatura, concentração ou pressão parcial entre a fase bulk e a superfície da partícula catalítica. Unidade 9 - Difusão e reação em catalisadores porosos Difusão no poro Definições e observações experimentais Descrição geral e quantitativa da difusão nos poros do catalisador Modelo de poros aleatórios Modelo de conexão cruzada-paralela de poros Modelo de redes de poros de Beeckman e Froment Determinação experimental da difusividade efetiva de um componente dentro da partícula ou da tortuosidade Difusão nos poros com adsorção; difusão de superfície e difusão configuracional Difusão e reação dentro da partícula de catalisador O conceito de fator de efetividade Critério para importância da limitação difusional Combinação da resistência à difusão interna e externa Critério experimental para o diagnóstico da ausência das limitações à transferência de massa Multiplicidade de estados estacionários em partículas de catalisador Reações complexas na presença de limitações difusionais Partículas não isotérmicas Gradiente térmico dentro do catalisador Gradiente térmico interno e externo.

5 Unidade 10 - Reatores catalíticos de leito fixo e fluidizado Introdução Importância e escala dos processos catalíticos em leito fixo Fatores envolvidos no projeto preliminar de reatores de leito fixo Modelando reatores de leito fixo Modelo Pseudohomogêneo O básico do modelo unidimensional Equação do modelo Projeto de reator de leito fixo de acordo com o modelo pseudo homogêneo unidimensional Reator adiabático de leitos múltiplos Reator de leito fixo com troca térmica entre a alimentação e o efluente ou entre a alimentação e o gás reagente (operação autotérmica) Comportamento não estacionário de reatores de leito fixo devido a desativação catalítica Modelo unidimensional com mistura axial Modelo pseudo homogêneo bidimensional O conceito de transporte efetivo. Contribuição estática e dinâmica Projeto e simulação de reator de leito fixo para oxidação catalítica de hidrocarbonetos Um modelo unidimensional equivalente Um modelo bidimensional que leva em conta variação radial na estrutura do leito Modelo de células bidimensionais Modelo heterogêneo Modelo unidimensional que leva em conta gradiente interfaciais Equação do modelo Simulação do comportamento transiente do reator Modelo unidimensional que leva em conta gradiente interfaciais e intrapartícula Modelo heterogêneo bidimensional Reatores de leito fluidizado Introdução Cracking catalítico do Gasoil Cracking catalítico em leito fuidizado Algumas características da fluidização e transporte de sólidos Transferência de calor em leitos fluidizados Modelando reatores de leito fluidizado O modelo básico a duas fases Velocidade, tamanho e crescimento de bolhas Modelo a uma fase O Cracking catalítico do Gasoil Cinética do Cracking catalítico do Gasoil Modelando o Cracking catalítico do Gasoil em reator de leito fluidizado Modelando o Cracking catalítico do Gasoil no reator riser Cinética de regeneração do catalisador coqueado no Craking Modelando o regenerador Simulação simultânea do reator de leito fluidizado e do regenerador usados no

6 Cracking catalítico Unidade 11 - Reatores multifásicos Tipos de reatores multifásicos Colunas empacotadas Colunas de pratos Colunas vazias Reatores de vasos agitados Reatores diversos Modelos de projeto de reatores multifásicos Fase líquida e gasosa completamente misturada Fase líquida e gasosa em escoamento empistonado Fase gasosa em escoamento empistonado. Fase líquida completamente misturada Um modelo de difusão efetiva Modelo a duas zonas Uma alternativa de aproximação Aspectos de projeto específico Absorvedores empacotados Reatores de leito fixo bifásico com escoamento ascendente e concorrente. Reatores Trickle bed e Packed Bubble ascendente Reatores de leito fixo bifásico com escoamento descendente concorrente Colunas de pratos Torres de spray Reator de bolhas Reator de vaso agitado Unidade 12 - Distribuição dos tempos de residência (DTR) e de idades Reatores ideais x reatores não ideais DTR em reatores ideais Análise de reatores reais Medição e caracterização de DTR Unidade 13 - Análise de reatores não ideais Introdução Modelos de dispersão Modelo de fluxo pistonado com dispersão axial Outros modelos de dispersão BIBLIOGRAFIA Básica FOGLER, H.S. Elementos de Engenharia das Reações Químicas. 3.ed. LTC, Rio de Janeiro HILL, C. An introduction to Chemical Engineering Kinetics and Reactor Design. John Wiley & Sons Inc., New York LEVENSPIEL, O. Termodinâmica Amistosa para Engenheiros. Edgard Blucher, São Paulo

7 Complementar BAMFORD, C.H.; TIPPER, C.F.H. Comprehensive Chemical Kinetics. Elsevier Publishing Company, New York, vol. 1 a 7, FROMENT, G.F.; BISCHOFF, K.B. Chemical Reactor Analysis and Design. 2.ed. John Wiley & Sons Inc., New York RAWLINGS, J.; EKERDT, J. Chemical Reactor Analysis and Design Fundamentals. Nob Hill Pub SCHMAL, M. Cinética Homogênea Aplicada à Cálculo de Reatores. Guanabara Dois, Rio de Janeiro SMITH, J.M. Chemical Engineering Kinetics. 3.ed. McGraw Hill, Auckland SMITH, J.M.; NESS, H.V.; ABBOTT, M. Introdução à Termodinâmica da Engenharia Química. 7.ed. Editora LTC, Rio de Janeiro APROVAÇÃO / / Carimbo e assinatura do Coordenador do curso / / Carimbo e assinatura do Diretor da Unidade Acadêmica