PQI 3221 Cinética Química e Proceo Ambientai Aula 15 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
R ~ V r dv para conteúdo perfeitamente miturado: dn dt F F, entrada, aída r V
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 Adaptado de: Fogler, H.S. Eential of Chemical Reaction Engineering, 1 t Ed., Pearon Education, Inc, 2011.
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.
mitura perfeita modelo de reatore ideai
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 )
Adaptado de: Reynold, T.D. e Richard, P.A. Unit Operation and Procee in Environmental Engineering, 2 nd Ed., PWS Publihing Co., 1996.
modelo de reatore ideai reator contínuo tubular ideal (plug-flow reactor PFR) C t F V r etado etacionário: df dv r
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.
Adaptado de: Reynold, T.D. e Richard, P.A. Unit Operation and Procee in Environmental Engineering, 2 nd Ed., PWS Publihing Co., 1996.
tempo epacial (reatore contínuo) (tempo médio de retenção ou tempo médio de reidência) V v entrada.. para v = v entrada = contante:
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.
reumo balanço molare em reatore reator batelada: C = N /V. reator contínuo (CSTR, PFR): C = F /v aa bb C A0 = C A,entrada e C B0 = C B,entrada
exemplo A15.1: tratamento de água contaminada com TCE Um proceo avançado de oxidação de poluente permite obter concentração de radicai hidroxila ( OH) a uma concentração aproximadamente contante e igual a 4 10-12 mol/l. Pretende-e bombear e tratar água de um poço contendo tricloroeteno (TCE) à concentração de 40 ppm por meio dee proceo. Admitir que 90% do radicai hidroxila ejam conumido por carbonato e bicarbonato preente na água. A velocidade epecífica da reação entre radicai OH e TCE é igual a 4,2 10 9 L/mol.; a reação é de primeira ordem em relação à concentraçõe de TCE e de OH. a) Determinar a vazão de bombeamento de modo que a concentração de TCE eja 5 ppm à aída de um reator tubular de 50 L. (Repota: 145 L/h) b) Determinar o volume de um tanque de mitura, operado à mema vazão, a er aociado apó o reator tubular para realizar o pó-tratamento, reduzindo a concentração de TCE ao valor de 0,5 ppm. (Repota: 216 L) c) Qual o tempo de retenção nee reatore? (Repota: 20,7 min e 1,49 h, repectivamente) d) Se o pó-tratamento for feito em um tanque de retenção em batelada a volume contante, qual o tempo de duração da batelada para reduzir a concentração de TCE de 5 ppm para 0,5 ppm? (Repota: 22,8 min)
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.
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.
exercício A15.1: 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
exercício A15.2: 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 -1-1. 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 )