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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SULESCOLA DE ENGENHARIA - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUíMICA
ENG 07 758- CÁLCULO DE REATORES
APOSTILA DE:
CÁLCULO DE REATORES(SEGUNDA PARTE)
Profa Dra Marla Azário Lansarin
Agosto de 2001
UFRGS DEQUI
SEGUNDA PARTE: EXERCÍCIOS DE CÁLCULO DE REATORES
1 TAXAS DE REAÇÃO, ESTEQUIOMETRIA E CONVERSÃO ............................................................................................ 1
2 BALANÇO MOLAR................................................................................................................................................................. 2
3 REATOR BATELADA ISOTÉRMICO.................................................................................................................................... 3
4 REATOR CSTR ISOTÉRMICO ................................................................................................................................................ 5
5 REATOR PFR ISOTÉRMICO................................................................................................................................................. 7
6 COMPARAÇÃO DE REATORES ISOTÉRMICOS ................................................................................................................ 9
7 REATOR SEMIBATELADA ISOTÉRMICO ......................................................................................................................... 11
8 STARTUP DE REATORES CSTR ISOTÉRMICO ................................................................................................................ 11
9 SISTEMAS DE REATORES ISOTÉRMICOS....................................................................................................................... 13
10 REATOR BATELADA NÃO ISOTÉRMICO ....................................................................................................................... 15
11 REATOR CSTR NÃO ISOTÉRMICO.................................................................................................................................. 17
12 REATOR PFR NÃO ISOTÉRMICO ..................................................................................................................................... 20
13 EXERCÍCIOS SOBRE ANÁLISE DE REATORES NÃO IDEAIS.................................................................................... 23
14 DESATIVAÇÃO DE CATALISADORES ........................................................................................................................... 24
15 QUEDA DE PRESSÃO EM REATORES DE LEITO FIXO ................................................................................................ 25
16 TRANSFERÊNCIA DE MASSA EM REATORES DE LEITO FIXO................................................................................. 26
17 PROJETO DE REATORES DE LEITO FIXO ................................................................................................................. 28
18 CÁLCULO DE REATORES NO EXAME NACIONAL DE CURSOS................................................................................29
SEGUNDA PARTE: EXERCÍCIOS
1 TAXAS DE REAÇÃO, ESTEQUIOMETRIA E CONVERSÃO
1.1) Um mol de H2 e um mol de I2 são misturados a 500�C. As substâncias reagem e, após certo tempo,chega-se ao equilíbrio onde constata-se a presença de 0,22 moles de hidrogênio residual. Qual a constantede equilíbrio nestas condições? R: Ke �50
1.2) A 500K a velocidade de uma reação bimolecular é 8 vezes maior que a 400K. Pela lei de Arrhenius,calcule a energia de ativação. R: 8264 cal/gmol
1.3) Uma reação em fase gasosa apresenta as velocidades específicas tabuladas abaixo. Calcule:a) A ordem da reação. R: n = 2b) A energia de ativação. R: 8548,7 cal/gmolc) A constante de velocidade a 20�C.
T (�C) 50 59 77 104k(cm3 /gmol.s) 0,0567 0,0806 0,158 0,380
1.4) Seja a reação em fase gasosa 5A + 3B � C. Para 7moles iniciais de A, 4 moles de B e 8 moles deinertes, calcule os fatores �A e �B. R: �A = -0,516, �B = -0,491
1.5)A decomposição térmica do éter dimetílico em fase gasosa foi estudada medindo-se a variação dapressão em um reator a volume constante. A 504�C e a pressão inicial de 312mmHg, foram obtidos osdados apresentados na tabela abaixo. Determine a equação da taxa, sabendo que no início havia éterdimetílico puro e que a reação é: R: (-rA) = 1,21 x 10-4
76,0AC
(CH3)2O � CH4 + CO + H2
t (s) 390 777 1195 3155 �
Pressão total (mmHg) 408 488 562 779 931
1.6) A reação em fase gasosa A � R + S ocorre como mostra a tabela abaixo. A concentração inicial de Aé 0,1823 mol / l , de S é 55 mol / l e de R é nula. Determine a equação da taxa desta reação.
t (min) 0 36 65 100 160 352CA (mol / l) 0,1823 0,1453 0,1216 0,1025 0,0795 0,0494 R: n= 1,41 k = 5,86 x 10-3
2
2 BALANÇO MOLAR
2.1) Heppert e Mack estudaram a decomposição em fase gasosa do óxido de etileno em metano e
monóxido de carbono:
CH CHO CH CO3 4� �
A reação é de primeira ordem e foi mantida a temperatura constante de 414,5�C, condição para a qual a
constante cinética é 1,48 x 10-2 min-1 . Os experimentos foram realizados em um reator batelada a volume
constante.
a) Haveria diferença na taxa da reação se a pressão tivesse sido mantida constante e não o volume?
Mostre por quê.
b) Qual seria o tempo necessário para que a concentração do óxido reduza de 2,71x10-3 mol / l para
2,32x10-3 mol / l ? R: t =
10,5min
2.2) Leyes e Othmer estudaram a formação de acetato de butila a partir de butanol e ácido acético a 100�C
e encontraram a seguinte taxa para a reação:
(-rA) = k CA2
onde:
CA representa a concentração do ácido acético em gmol/ ml
k = 17,14 ml / gmol min.
Dados: PMbut = 74 PMac = 60
Para uma alimentação de 4,97 moles de butanol por mol de ácido acético e demais condições
idênticas as dos pesquisadores, sabendo-se que a massa específica da mistura reacional é constante e igual
a 0,75 g / ml, calcule:
a) O tempo necessário para que a concentração de ácido se reduza a metade. R: 32,8 min
b) O volume útill que deveria ter um reator do tipo CSTR alimentado com 0,5kg/min de uma solução com
a mesma concentração inicial do item (a) para realizar este trabalho. R: 44,4 l
c) O mesmo que no ítem (b) para um reator tubular em fluxo pistonado. R: 22,2 l
3
3 REATOR BATELADA ISOTÉRMICO
3.1) Para a reação entre o ácido acético e o álcool etílico em presença de água :
CH3COOH +C2H5OH = CH3COOC2H5 +H2O
a) Calcule a conversão de ácido acético após 120 min de
agitação, carregado com 100 galões de uma solução aqu
álcool etílico. Suponha densidade constante e igual a 8
reator.
b) Qual será a concentração do ácido se for atingido o eq
c) Qual seria a conversão se fosse desconsiderada a reaç
d) Considerando-se um tempo total de 75 min para as
descarga e limpeza em cada batelada, qual a capacida
reação de 120min?
e) Qual o tempo de reação (aproximado) que fornecerá a
3.2) Seja uma reação do tipo: 2A � 2B + C, em fas
conversão de 40% de A 550K , sabendo-se que a reação
inicial de 1gmol / l. Determine, também, a energia de ati
T (�C) 127 2k (cm3 / gmol s ) 134,76 36
3.3) Considere a reação homogênea A � B + C , ocorre
791 K o tempo necessário para converter 50% de A é d
segunda ordem. Determine o volume do reator para pro
conversão de 85% de A mesma temperatura. A massa e
tempo de carga, descarga e limpeza 30 min e um dia pro
3.4) Uma solução aquosa de acetato de etila deve ser sa
de sódio. A concentração inicial de acetato é 5 g / l e a
constante. A reação é de segunda ordem e essencialme
saponificar 95% do ester a 40�C num reator batelada.
Dados: k a 0�C= 23,5 l / gmol min
rd = kd CACBri = ki CDCE
kd (a 100 �C )= 4,76 x 10-4 l / (min gmol)ki (a 100 �C ) = 1,63 x 10-4 l / (min gmol)
operação a 100 �C em um reator tipo tanque com
osa contendo 200 lb de ácido acético e 400 lb de
,7 lb / gal e desconsidere a água vaporizada no
R: 0,36
uilíbrio químico? R: 0,55
ão inversa? R:0,43
operações de carga, aquecimento, resfriamento,
de diária de produção de ester para um tempo de
R: 7 bateladas �340 kg/dia
máxima taxa diária de reação?
e gasosa. Calcule o tempo necessário para uma
ocorre em um reator batelada com concentração
vação. Dados: R: 1,41 s
27 3276,31 713,48
ndo em um reator batelada a volume constante. A
e 197s. A pressão inicial é 1atm e a reação é de
duzir 2000 kg / dia de mistura reacional a uma
specífica média da mistura é 30 kg / m3. Suponha
dução de 8h.
R: 9 bateladas, 22,2 kg/bat, 7,4m3
ponificada com uma solução diluída de hidróxido
massa específica da mistura reacional permanece
nte irreversível. Calcule o tempo necessário para
R: 1,1 min
4
k a 20�C= 92,4 l / gmol min
3.5) A reação irreversível em fase gasosa, A � 3B é de ordem zero e ocorre isotermicamente. A
concentração inicial do reagente é 2 mol / l e o sistema contem, em percentagens molares, 40% de inertes.
A constante de taxa da reação é 0,01 mol / (l min). Calcule o tempo necessário para alcançar 80% de
conversão em:
a) Um reator batelada a volume constante. R:160min
b) Um reator batelada a pressão constante. R:112,2min
3.6) Admitindo-se que a estequiometria para uma reação gasosa de primeira ordem fosse A�R, calculou-
se que 99% do regente seria convertido em 32 min, quando alimentado puro em um reator tipo batelada.
Entretanto a equação estequiométrica verdadeira é A�3R.
a) Qual será o tempo realmente necessário? R: 32 min
b) Qual é a constante de taxa para esta reação? R: 0,143 min-1
c) Se exatamente o mesmo erro fosse cometido, mas para uma reação de segunda ordem, quais seriam as
conseqüências? Ou seja, supor 2A�R e a equação real ser 2A�3R.
R: Tempo real 2,8 vezez maior que a calculada
3.7) Watson estudou o craqueamento térmico dos butenos a 1atm e determinou a seguinte
expressão para a taxa da reação, que é elementar:
KelvinemTRTkk
)]latmh(/gmol[27,15T575,4
00060)k(ln
HHCHC
1
1
26484
�
��
�
����
Os estudos foram feitos em fase gasosa usando-se um reator batelada a 650�C, alimentado com uma
mistura de buteno e vapor (1:1 molar). Durante os ensaios o volume da mistura reacional variou 30%.
Deseja-se produzir 2 kg/h de butadieno em um reator descontínuo. Determine o tempo necessário e o
volume útil que deverá ter o reator, sabendo que será alimentado com a mesma mistura dos testes,
trabalhará a mesma temperatura, desejando-se idêntica conversão e que o tempo perdido entre as
bateladas é de aproximadamente 2,4min. R: 0,25min e 582 l
5
4 REATOR CSTR ISOTÉRMICO
4.1) A reação 2 A = C + D deve ser realizada em um reator CSTR a uma vazão de 100 ft3/h. Aconcentração de entrada de A é 1,5 lbmol/ ft3 e as de C e D são zero. Deseja-se obter 80% da conversãode equilíbrio. Qual deve ser o volume útil do reator? R: � 62ft3
Dados:
( )� � ��
��
�
��r k c
c ckA AC D
e
2
4.2) Quando a reação elementar de primeira ordem em fase líquida A � 2B + 3C foi estudada em um
reator batelada a pressão constante de 1 atm e 426,7�C, observou-se que 70% do reagente foi convertido
em 60 min. Deseja-se construir um reator CSTR em escala piloto para processar 14,16 m3/h de A em
condições idênticas de temperatura e pressão. Qual deve ser o volume útil do reator para 95% de
conversão de A? R: 224,2 m3
4.3) A reação elementar de segunda ordem A + B � C + D ocorre em fase líquida a volume constante em
um reator CSTR isotérmico (260 �F), alimentado simultaneamente com 210 lb/h de A e 260 lb/h de B.
Sabendo-se que o volume útil do reator é 5,33 ft3, qual será a conversão do reagente A? Dados:
A B
Massa específica a 260 �F (lb/ft3) 47,8 54,0
Peso molecular 139 172
k 260�F = 5,02 lbmol/ft3 R: xA = 0,26
4.4) Ratchford e Fischer determinaram a cinética da decomposição do acetoxipropionato de metila,
formando o acrilato de metila e o ácido acético:
k x RT s� ��7 8 10 382009 1, exp( / ),
Calcule o volume útil que deve ter um reator CSTR isotérmico alimentado com 250 kg/h de uma mistura
de acetoxipropionato com 20% (molar) de inertes, operando a 4atm e 600�C para converter 65% do
reagente. Suponha comportamento ideal para a mistura gasosa. Dado:
CH3COOCH(CH3)COOCH3 � CH3COOH + CH2CHCOOCH2
R: 11,3 l
k = 10 ft3/(lbmol h)ke = 16
6
4.5) Asmus e Houser (J. Phys. Chem., 73, 2555, 1969) estudaram a cinética da pirólise da acetonitrila a
temperatura de 880�C e 101kPa em um reator contínuo tipo tanque com agitação. A reação foi monitorada
através da análise cromatográfica da acetonitrila não reagida, e a mistura reagente estava suficientemente
diluída para que as variações volumétricas pudessem ser negligenciadas. A partir dos dados abaixo,
determine a ordem da reação e sua constante de taxa. R: n= 1,13 e k= 0,021s-1
CH3C�N��
P
Concentração inicial daacetonitrila (mol/m3)
0,219 0,206 0,500 0,516 0,832 0,822 0,820
Tempo espacial (s) 6,7 13,4 12,9 19,2 18,5 24,5 15,8Fração convertida daacetonitrila
0,116 0,171 0,182 0,250 0,290 0,308 0,246
4.6) A reação irreversível em fase líquida A� 2R foi estudada em escala laboratorial usando-se
um reator contínuo tipo tanque com agitação de 5 l de volume útil. As medidas da tabela abaixo
foram feitas quando o reator estava sendo alimentado com uma corrente contendo 1 gmol / l do
reagente. Determine:
a) a ordem da reação; R: n= 2
b) a conversão de A para uma vazão volumétrica de 0,5 l/min, a 50�C. R: 0,88
Alimentação (l / min) Temperatura (�C) Concentração de Produto (gmol / l)
0,12 13 1,8
0,90 13 1,5
0,90 84 1,8
7
5 REATOR PFR ISOTÉRMICO
5.1) A decomposição do acetaldeido foi estudada em um reator tubular aproximadamente ideal com 3,3
cm de diâmetro interno e 80 cm de comprimento a temperatura constante de 518�C e 1 atm. O vapor do
acetaldeido é medido a temperatura e pressão ambientes e os registros de velocidade espacial são feitos
para as condições padrão (0�C e 1atm). Sabe-se que a reação é de segunda ordem e sua constante
específica de taxa na temperatura do reator é 0,33 l / (s gmol), tendo-se obtido 35% de conversão do
acetaldeido em um teste com velocidade espacial de 8 h-1 :
CH3CHO(g) � CH4 (g) + CO(g)
a) Determine o tempo real de residência e compare-o com o tempo espacial. R: 127 s
b) Qual é a velocidade espacial nas condições de entrada do reator? R:0,385 h-1
5.2) Ratchford e Fischer estudaram a pirólise do acetoxipropionato de metila, tendo ficado estabelecido
que abaixo de 565�C a reação se comporta como uma reação de primeira ordem:
CH3COOCH(CH3)COOCH3 � CH3COOH + CH2=CHCOOCH2
k = 7,8 x 10 9 exp (-19200 / T), (s-1 , T em Kelvin)
Deseja-se projetar um reator tubular em escala piloto para converter 90% do reagente em acrilato de
metila isotermicamente a 500�C. Pode-se supor comportamento ideal para a mistura gasosa e queda
negligenciável de pressão ao longo do reator.
a) Qual deverá ser o comprimento de um reator com 6 in de diâmetro alimentado com 500 lb/h de
reagente a 500�C e 5 atm? R:V � 5,8 ft3, L � 30 ft
b) Qual conversão seria alcançada no reator calculado no item (a), se as temperaturas de operação e de
entrada do reagente fossem alteradas para 530�C? R: 0,99
5.3) Os dados da tabela abaixo foram obtidos para a decomposição em fase gasosa do reagente A ( 2A �
R + S ) em um reator a volume constante que opera a 100�C e 1 atm. Qual deverá ser o volume de um
reator tubular que processe 100 moles/h de A, nas mesmas condições de temperatura e pressão, para se
alcançar 95% de conversão do reagente? A alimentação será feita com uma mistura de A e 20% (molar)
de inertes com peso molecular semelhante ao do reagente. R: 311,8 l
t (s) 0 20 40 60 80 100 140 200 260 330 420
pA (atm) 1,00 0,80 0,68 0,56 0,45 0,37 0,25 0,14 0,08 0,04 0,02
8
5.4) Os dados abaixo foram obtidos em um reator tubular para a pirólise gasosa da acetona, alimentada
pura, a 520�C e 1 atm. O reator media 80 cm de comprimento e 3,3 cm de diâmetro interno. Qual será a
equação da taxa para esta reação? R: (-rA) = 12,38 CA
CH3COCH3 � CH2CO + CH4
WA (g/h) 130,0 50,0 21,0 10,8
xA 0,06 0,13 0,24 0,35
5.5) A reação reversível em fase gasosa A = B ocorre a 283°C e 1 atm em um reator tubular com
comportamento aproximadamente ideal, cuja alimentação contem 30% molar de A e 70% de inertes. A
taxa da reação é descrita abaixo e a alimentação do reator é feita a 79 lbmol / h.
� � ��
���
����
e
BAA k
CCkr 1
Determine o volume do reator para se obter uma conversão de igual a 75% da conversão de equilíbrio,
sabendo que inerte e reagente apresentam aproximadamente o mesmo peso molecular. R: 262 l
5.6) A reação elementar A + B � C + D realiza-se em fase líquida em um reator tubular isotérmico
(127�C) alimentado com 95 kg/h de A e 118 kg/h de B. O volume útil total do reator é 151 litros e, nestas
condições, 50% do reagente A alimentado é convertido.
Com a finalidade de aumentar a conversão do reagente, pensou-se em colocar um reator contínuo de
tanque agitado, com volume útil de 380 litros, em série com o tubular, operando a mesma temperatura.
Qual será a conversão total do sistema? Dados:
A B
Massa específica a 127�C (kg/m3) 765,80 865,13
Peso molecular 139 172
CA em lbmol / ft3
k1 = 1,6 s-1
ke, (constante de equilíbrio) = 2
9
6 COMPARAÇÃO DE REATORES ISOTÉRMICOS
6.1) A reação A + B � produtos, cuja cinética é dada por:
(-rA)=kCACB, k= 300 l / (mol min)
ocorrerá em um reator tubular alimentado com 0,05 l / min de uma corrente contém ambos os reagentes
com uma concentração de 0,01 mol /l cada um. Pergunta-se:
a) Se o reator tiver 0,1 litros, qual será a conversão do reagente A? R: 0,86
b) Se a concentração inicial de A for alterada para 0,001 mol / l qual será a conversão do reagente A?
R:1,0
c) Que volume deve ter um reator tubular para que se alcance 80% de conversão de A nas condições
iniciais? R: 0,067 l
d) Que volume deve ter um reator CSTR para que se alcance 80% de conversão de A nas condições
iniciais? R:0,33 l
e) Que conversão seria esperada se, nas condições iniciais, a reação ocorresse em um reator CSTR de 0,1
litro? R: 0,67
6.2) A hidrólise do anidrido acético em soluções aquosas diluídas pode ser considerada uma reação de
primeira ordem, sendo conhecidos os seguintes valores para a constante cinética:
T (�C) 10 15 25 40
K (min-1) 0,0567 0,0806 0,1580 0,3080
A alimentação é feita a 850 cm3 / min, sendo mantida a temperatura 30�C no reator. Calcule a conversão
para o caso de a reação ocorrer em:
a) um (01) reator CSTR de 9000cm3. R: 0,678
b) três reatores CSTR de 3000cm3 cada um. R: 0,413, 0,655, 0,80
c) um (01) reator PFR de 9000 cm3. R:0,88
6.3) Os dados da tabela ao lado foram obtidos em laboratório para a reação gasosa A = 3B, a 149�C, 10
atm e com carga inicial de A em mistura equimolar com inerte.
a) Calcule a concentração inicial de A supondo comportamento ideal para a mistura gasosa. R: 0,144 g / l
b) Se esta reação ocorrer em dois reatores CSTR em série, com a mesma mistura equimolar de A
alimentando o primeiro reator a 6 l / s, qual será o volume total do sistema para se alcançar 80% de
conversão do reagente? Estabeleça uma conversão de 40% na saída do primeiro reator.
10
R: V1 = 86,4 l, V2 = 276,5 l
c) Qual seria o volume necessário para alcançar a mesma conversão em um
único CSTR? R: 553 l
d) Qual seria o volume total do sistema se a reação fosse conduzida em uma
série de 2 reatores PFR, nas mesmas condições, sendo estabelecida a mesma
conversão intermediária? Resolva usando gráficos. R: V1 = 72 l, V2 = 153 l
e)Calcule o volume de cada reator e o volume total do sistema para uma
conversão intermediária de 50%, se a reação ocorrer em um reator PFR seguido de um CSTR.
f)Idem para um CSTR seguido de um PFR.
XA -rA (mol / l s)0.0 0.00530.1 0.00520.2 0.00500.3 0.00450.4 0.00400.5 0.00330.6 0.00250.7 0.00180.8 0.001250.85 0.00100
11
7 REATOR SEMIBATELADA ISOTÉRMICO
7.1) A reação de transformação de A em C é catalisada por B, sendo representada por :
A + B � C + B
onde: (-rA) = kCACB
k = 0,2 ft3 / (lbmol min)
Esta reação deverá ocorrer em um reator semibatelada isotérmico inicialmente carregado com 100 ft3 de
uma solução contendo 2lbmol/ft3 de A. Uma solução contendo 0,5 lbmol/ft3 de B será carregada a
5ft3/min. Pergunta-se:
a) Quantos moles de C estarão presentes no reator ao final de meia hora? R: 137,8 lbmol
b) Construa um gráfico conversão x tempo.
7.2) Anidrido acético é hidrolizado isotermicamente em um sistema semibatelada em que a partida é feita
com o reator carregado com 10 l de uma solução aquosa que contem 0,5 x 10-4 gmol/cm3 de anidrido. A
solução que é alimentada a 2 l /min contem 3 x 10-4 gmol/cm3. A massa específica da mistura reacional é
constante e a reação é de primeira ordem com constante específica de 0,38 min-1. Determine a
concentração de A no reator em função do tempo.
R: )]t38,0(exp5395,07895,0[5t
tCA ��
�
�
8 STARTUP DE REATORES CSTR ISOTÉRMICO
8.1) A reação elementar em fase líquida A + B � C ocorre em uma série de três reatores CSTR, cujo
volume individual é 200 dm3. Os reagentes A e B são alimentados por meio de linhas separadas a 10 dm3
/ min cada um e no momento da partida os reatores contem um líquido inerte. Os reagentes possuem a
mesma concentração inicial de 2 mol / dm3 e a constante de taxa da reação é 0,025 dm3 / (mol . min).
a) Qual é a conversão de estado estacionário em cada reator?
R: CA1 = 1,465 gmol/dm3, CA2 = 1,14 gmol/dm3, CA3 = 0,926
gmol/dm3
b) Suponha que a reação é de primeira ordem (k=0,025 min-1) e calcule a conversão de estado estacionário
em cada um dos reatores e o tempo necessário para que a conversão no último reator seja 99% da
conversão de estado estacionário. Construa um gráfico CA x t para o primeiro reator.
12
R: CA1 = 1,6 gmol/dm3, CA2 = 1,28 gmol/dm3, CA3 = 1,024 gmol/dm3, t=36,8
min
13
9 SISTEMAS DE REATORES ISOTÉRMICOS
9.1) Uma solução aquosa de anidrido acético é hidrolisada continuamente a 25�C, condições para as quais
(-rA) = 0,158 CA. A vazão volumétrica é 500 cm3/min com uma concentração de anidrido de 1,5 x 10-4
gmol/cm3. Calcular:
a) A conversão do reagente (XA) que seria alcançada em um reator CSTR de 5l. R:
0,61
b) XA que seria alcançada em dois reatores CSTR de 2,5l cada, em série R: 0,69
c) XA que seria alcançada em dois reatores CSTR de 2,5l em paralelo, com vazão de 250 cm3/min em
cada um. R: 0,61
d) XA que seria alcançada em um reator PFR de 5l.R: 0,80
e) XA que seria alcançada em um reator CSTR de 2,5l seguido de um reator PFR de 2,5l . R :
0,75
f) XA que seria alcançada em um reator PFR de 2,5l seguido de um reator CSTR de 2,5l. R:
0,75
9.2)Acetaldeido, etano e outros hidrocarbonetos
provenientes de diferentes unidades de produção
foram misturados e devem ser aproveitados. A
520�C ocorre, preferencialmente, a decomposição
de acetaldeido em etano e monóxido de carbono e
a 800�C o etano se decompõe em etileno e hidrogên
Assim sendo, uma mistura molar com 9% de acet
estando os demais componentes presentes em qu
reatores tubulares que operam em paralelo. Um dos
pressão atmosférica, sendo seus volumes idênticos.
Sabe-se que a 520�C a velocidade específica da rea
s) e que a velocidade específica de decomposição do
k = 1,535 x 1014 exp (-70 200 / RT), s-1
CH4
io.
aldeido e 8% de etano diluídos em vapor de água,
antidades negligenciáveis, será dividida entre dois
reatores opera a 520�C e o outro a 800�C, ambos a
ção de decomposição do acetaldeido é 0,33 l /(gmol
etano é dada por:
R em cal/(gmol K)
Acetaldeido COInertes
EtanoC2H4H2Inertes
14
Qual será a relação entre os fluxos molares que alimentam os reatores para que se possa converter 60%
de cada um dos reagentes � �F FAcet E0 0/ tan ? R: 3,313 x 10-4
9.3) Considere a reação em fase líquida A � B + C, cuja a taxa é (-rA) = kCA, ocorrendo em dois
reatores isotérmicos em série, o primeiro CSTR e o segundo PFR, ambos com capacidade para 0,1m3. O
reator CSTR é alimentado com uma solução que contem 2000gmol/m3, a 150gmol/s. Se a conversão na
saída do reator de mistura é 25%, determine a velocidade específica da reação e a conversão na saída do
reator tubular. R: k=0,25s-1 e XA
= 0,46
9.4) A reação elementar em fase líquida A + B � E ocorre a 25�C em uma combinação de dois reatores
PFR em série, como mostra a figura abaixo. As concentrações de A e B na entrada do primeiro reator são
iguais a 1,51 lbmol/ft3 e a constante de taxa a 25�C é 2 ft3/(lbmol h). Pergunta-se:
a) Que fração de A é convertida no primeiro reator? R: 0,47
b) Compare a conversão total da série com o resultado na letra (a). R: 0,64
b) Se os dois reatores forem agrupados em paralelo, com 50% da mistura A-B alimentada em cada
reator, qual será a conversão obtida? E se a quantidade alimentada for 40 e 60%?
R: 0,64 para 50%, 0,60 para 60%, 0,70 para 40%
V=10ft3 V=10ft3
50 lbmol / h de A
50 lbmol / h de B
15
10 REATOR BATELADA NÃO ISOTÉRMICO
10.1) Uma reação em fase líquida, de primeira ordem e exotérmica deverá ser processada em um reator
batelada. Um fluido refrigerante inerte deverá ser ininterruptamente adicionado a mistura reacional para
manter a temperatura constante. Calcule o fluxo de massa que deverá ter o fluido refrigerante duas horas
após iniciada a reação. A partida será feita com o reator contendo apenas 50 ft3 de A com concentração
de 0,5 lbmol / ft3. O fluído refrigerante vaporiza logo ingressar no reator, sendo removido imediatamente.
Para a reação A � B, são conhecidos:Temperatura da reação: 100�Fk (100�F) = 1,2 x 10-4 s-1
Temperatura do fluido refrigerante: 80�FCalor específico de todos os componentes: 0,5 Btu / (lb �F)Massa específica de todos componentes: 50 lb / ft3
�HR�
� - 25 000 Btu / lbmol
R: s/lb16,3F,)TT(c
eNk)T(HF F~
op
ktAR
F
F
0�
�
��
�
�
10.2) A reação em fase líquida A + B = C ocorre a volume constante em um reator batelada adiabatico.
Construa um gráfico que relacione a concentração e a conversão das espécies em função do tempo.
Dados:
(-rA) = k1CA 1/2 CB
1/2 – k2CC
Temperatura inicial: 100�CK1 (373K) = 2 x 10-3 s-1
K2 (373) = 3 x 10-5 s-1,
0AC = 0,1 mol /dm3
0BC = 0,1 mol /dm3
0RH� (298K) = -40 000 J / (mol de A)
E1 = 100 kJ / molE2 = 150 kJ / mol
Apc = 25 J / (mol K)
Bpc = 25 J / (mol K)
Cpc = 48 J / (mol K)
R: A
Ax
0
1
2A1
Ax250
x)T239404(373T,)
kk1(x1k
dxtA
�
���
��
���
���
� �
10.3) O reagente A sofre uma isomerização irreversível que obedece uma cinética de primeira ordem(A�B). Reagente e produto são líquidos a temperatura ambiente e ambos possuem pontos de ebuliçãoextremamente altos. Estima-se que serão necessários 12min para alimentar o reator, 10 min para retirar amistura e 14 min para aquecer o reagente até 163�C. Pode-se assumir que não ocorre reação durante a
Fluido refrigerante(F)
A+B+F
16
etapa de aquecimento. Determine o volume que deve ter um reator batelada para produzir 907,2 toneladasde B, sendo 97% a conversão do reagente, em 7000h de operação se:A) o reator operar isotermicamente a 163�C; B) o reator operar adiabaticamente. Dados:- Constante de taxa da reação a 163°C: 0,8 h-1
- Energia de ativação: 28 960 cal / gmol- Entalpia da reação ( a 163°C): - 83 cal / g
- Peso molecular de A: 250- Massa específica média da mistura reacional: 0,9 g / cm3
Apc = Bpc 0,5 cal / (g °C)
R: a) 1400 bateladas, 1472,7 lb/bat, V = 742,3 l = 196,1 gal
10.4) A produção de cloreto de vinila ( C2H4 + Cl2 K1
� �� C2H3Cl + HCl ) deverá ocorrer em um reatorbatelada que opere entre 320 e 380�C com proporção molar de alimentação entre etileno e cloro de 50:1.A reação é de pseudoprimeira ordem, com uma energia de ativação de 34 000 cal/gmol e um fator defreqüência para a constante k1 de 1 x 109 s-1. Assuma que os valores dos calores específicos dos produtos e reagentes, apresentados abaixo, sejamaproximadamente constantes na faixa de interesse, assim como a entalpia de reação (-25 584 cal / gmol).O reator deverá operar a 1atm e os desvios do comportamento ideal podem ser negligenciados. Calcule o tempo necessário para obter 50% de conversão de cloro se a alimentação entrar a 320�C e oreator operar adiabaticamente .
Espécie C2H4 Cl2 HCl C2H3Clcp (cal gmol-1 K-1) 17,10 8,74 7,07 10,01
R: min29)x1](
)x62,29593(R00034[exp10x1
dxt5,0
0A
A
9
A�
�
�
�
� �
���
�
���
�
�
�
97,0
0A
A
14
A
)x1(x16643674,14574exp10x6352,2
dxt)b
11 REATOR CSTR NÃO ISOTÉRMICO
11.1) Partindo da entalpia de formação do vapor de água a 25°C e 1 atm, calcule a entalpia de formaçãoa 100°C e 1 atm:
(a)considerando o calor específico molar médio entre 25 °C e 150°C R: -57,980 kcal/gmol
(b) levando em consideração a variação do calor específico molar com a temperatura. R: -57,982 “
Dados:
H2 (g) + ½ O2 (g) � H2O (g) �H°298 = -57,80 kcal / gmol
11.2) A reação elementar irreversível em fase líquida A�B ocorre em um reator CSTR que opera a163°C, alimentado com 295 lb / h do reagente A puro a 20°C. Determine o volume do reator para que sealcance 97% de conversão do reagente e o calor que deve ser retirado do sistema para que a temperaturapermaneça constante. R: -1,206 x 106 cal/hDados:- Fator de freqüência da equação de Arhenius: 2,635 x 1014 h-1
-Energia de ativação: 28 960 cal / gmol-Entalpia da reação( a 15°C): - 157 cal / g- Calor específico do componente B: 1,0 cal / (g °C)- Calor específico do componente A: 0,5 cal / (g °C)- Peso molecular de A: 250- Massa específica média da mistura reacional: 0,9 g / cm3
11.3) Se a reação do problema (2) ocorresse adiabaticamente em um único reator CSTR de 6 m3, qualseria a conversão de estado estacionário? Suponha que a entalpia da reação é constante e igual a –83 cal/gno intervalo de temperatura de interesse.
R: Há dois ee: 0,64 e 400K, 0,99 e 458K
11.4) Determine o volume que deveriam ter três reatores CSTR de igual capacidade, dispostos em série,para realizar o mesmo trabalho do problema (2). Determine, também, a conversão na saída de cada reatore o calor que deveria ser transferido de cada um para que a temperatura de 163°C fosse mantida.Suponha que a entalpia da reação é constante e igual a –83 cal/g no intervalo de temperatura de interesse eque o calor específico médio da mistura reacional efluente dos reatores seja idêntico ao calor específicodo reagente A. R : V=0,4127 m3
xA1 = 0,689, xA21 = 0,903 Q1 = +1,914 x 106 cal/h , Q2 = -2,375 x 106 cal/h, Q3 = -7,435 x 105 cal/h
Cp médio, cal / (mol K) Cp = f (T) , cal / (mol K)
H2O(g) 8,03 7,219 + 2,374 x 10-3 T + 0,2670 x 10-6 T2
H2(g) 6,92 6,947 - 0,2 x 10-3 T + 0,4808 x 10-6 T2
O2(g) 7,94 6,095 + 3,253 x 10-3 T - 1,0170 x 10-6 T2
18
11.5) A reação do problema (2) ocorre em dois reatores CSTR adiabáticos em série. O volume doprimeiro reator é 150 � e fluxo de entrada é 4 � / h� a 20°C. Qual deve ser o volume do segundo reatorpara que se alcance 90% de conversão na sua saída? Suponha que a entalpia da reação é constante e iguala –83 cal/g no intervalo de temperatura de interesse e que o calor específico médio da mistura reacionalefluente dos reatores seja idêntico ao calor específico do reagente A R:
11.6) A reação de segunda ordem em fase líquida A + B � P é realizada em dois reatores CSTR de igualcapacidade em série, resfriados por meio de uma serpentina. Estime a relação entre as áreas de trocatérmica das serpentinas de modo que a temperatura nos dois reatores seja igual a temperatura de entradados reagentes. O coeficiente de transferência de calor e a temperatura do fluido refrigerante são iguaispara as duas serpentinas e podem ser admitidoscomo constantes. Em unidades coerentes, ovolume de cada reator é 104, a constante detaxa é 10-2, a vazão molar de cada reagente é 5e a vazão volumétrica de alimentação é 12.
11.7) Uma solução aquosa de ester é hidrolisada com uma solução de soda cáustica em um reator CSTRde 6 m3 de capacidade. A temperatura do reator é mantida a 25°C através de uma serpentina deresfriamento. Calcule a área de troca térmica da serpentina, sabendo que a água de resfriamento entra naserpentina a 15°C e sai a 20°C. Ignore as perdas de calor para o exterior que ocorrem através das paredesdo reator. R: 8m2
Dados:- A +B � produtos (segunda ordem)- Constante de taxa da reação a 25°C: 0,11 m3 / (kmol K)- Calor de reação: 1,46 x 107 J / kgmol de ester
- Coeficiente global de transferência de calor: 2280 J / (m2 s K)
11.8) A reação elementar, irreversível e em fase líquida A � B ocorre em um reator tipo CSTR providode uma camisa de resfriamento. O reator é alimentado com o regente A puro a0,5 gmol/min e a curva a seguir representa o calor gerado em função datemperatura de estado estacionário. Pede-se:
SOLUÇÃO DE ESTER SOLUÇÃO DE SODACONCENTRAÇÃO (kmol / m3) 1 5TEMPERATURA DE ENTRADA (°C) 25 20VAZÃO VOLUMÉTRICA (m3 / s) 0,025 0,010MASSA ESPECÍFICA (kg / m3) - 1000CALOR ESPECÍFICO [cal / (g °C)] - 1
�k
RHFTG A
11
)()( 0
�
��
�
R: b. e. p/ 1� reator: Q1 = �HR(T)1 FAo xA1
b. e. p/ 2� reator: Q2 = �HR(T)2 FAo (xA2 - xA1)
b. m. p/ 1� reator: xA1 = 0,59
b. m. p/ 2� reator: xA2 = 0,77
�HR(T)1 = �HR(T)2 � A1 / A2= 3,28
19
a) Demonstre que a curva do calor gerado para esta reação é aquela mostrada ao lado. b) A que temperatura o reagente deve ser admitido no reator para que se estabeleça, com certeza, o estadoestacionário de mais alta conversão?c) Quais serão a temperatura e a conversão de estado estacionário no reator para a temperatura escolhidano ítem b?d) Qual será a temperatura de extinção para este sistema?e) Qual será a temperatura de ignição?Dados adicionais: Calor de reação (constante)=-200 cal / gmol de A U A = 1 cal / (min K) Calor específico molar de A e B = 2 cal / (gmol K) Temperatura na camisa = 100�C
11.9) A reação em fase líquida A + B � C ocorre em um reator CSTR com troca térmica.O reator é alimentado com 10 mol /s de A e 10 mol /s de B, sendo a concentraçãoinicial de A 1,5 mol/l. A temperatura de entrada da alimentação é 325 K e atemperatura do fluído usado para troca térmica é 300K. Calcule o volume que deveter o sistema reacional para que se alcance 80% de conversão. R: 811 l
Dados:
U=80 J/m2sK A=2 m2
�HR(298)=-10 000 J/mol CPA = CPB = 100 J / mol K CPC = 150 J / mol K EA = 25 000 J /mol K k (298) = 0,014 l /mol s
MULTIPLICIDADE DE ESTADOS ESTACIONÁRIOS EM REATORES CSTR - PROBLEMA 8
0102030405060708090
100110
120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220
Temperatura, C
R: b) e c) QR = 2T – To – 100, temperatura de ee 202,6K � T0 = 207,2K d) To = 152K e) To = 205K
A
B
C
A
20
12 REATOR PFR NÃO ISOTÉRMICO
12.1) A reação elementar reversível em fase gasosa A + B = 2C pode ser realizada em dois reatores, um
PFR adiabático e um CSTR provido de serpentina, dispostos individualmente. A alimentação contem
somente A e B, em proporções estrequiométricas, a 508,5 kPa e 77°C, sendo que o reagente A é
alimentado a 20 mol/s.
a) Determine o volume que deve ter o reator tubular para alcançar 85% da conversão de equilíbrio.
b) Calcule a conversão que pode ser alcançada em um reator CSTR com 1,5 m3, provido de troca térmica.
c) Repita as partes (a) e (b) para o caso de reação endotérmica com calor de reação de mesma magnitude,
sendo a temperatura de alimentação 277°C.
Dados:
kd = 0,035 dm3/(mol. min) a 273KEa = 70 000 J/molH°A = -40 kJ/mol cpA = 25 J/(mol K)H°B = -30 kJ/mol cpB = 15 J/(mol K)H°C = -45 kJ/mol cpC = 20 J/(mol K)Ke (298K) = 25000R = 8,28 J/(gmol K)Dados sobre o trocador de calor:Coeficiente global de transferência de calor: 10 watt/(m2 K)Área de troca térmica: 2m2
Temperatura do fluido da serpentina:17°C (constante)
12.2) Para a reação elementar, irrever
contínuo alimentado a 2 dm3/s e 27�C co
a) o volume que deveria ter um reator P b) o volume que deveria ter um reator C
c) calcule a conversão que pode ser alcan
Dados:
CA0 =100 mol/m3
k = 0,01 dm3/(mol. s) a 300K
R: (-rA) = kd 2oAC (To / T)2 [(1-xA)2 – 4 2
Ax / Ke] kd = 9,8412 x 1011 exp (-8454,1/T) Ke = 25 000 exp [-8,106 (T – 298)/t] e
2)
eA
2eA
x1(
x4Ke
�
�
T = 350 + 500xA
sível e em fase líquida: A + B � C, ocorrendo em um reator
m uma mistura equimolar dos reagentes, calcule:
FR adiabático para que 85% do reagente fosse convertido; R: 339,6 lSTR adiabático para alcançar a mesma conversão; R: 182,1 l
çada em um reator CSTR de 500 dm3.
21
Ea = 10 000 cal/molH°A(273) = -20 kcal/mol cpA = 15 cal/(mol K)H°B(273) = -15 kcal/mol cpB = 15 cal/(mol K)H°C (273) = -41 kcal/mol cpC = 30 cal/(mol K)
12.3) Uma mistura de três gases ideais alimentará um reator PFR adiabático de 24in de diâmetro interno,
a uma vazão de 9kg/h, 561�C e 5atm. A mistura contem 40% A, 40% de B e 20% de inertes. Calcule o
comprimento que deverá ter o reator para que se alcance 30% de conversão do reagente A.
Dados:
A B D InerteCalor Específico (Btul / lbmol) 6 6 10 5Peso Molecular 14 32 44 28
A + B � D (elementar)Entalpia da reação a 561�C : -11 000 Btu / lbmolEnergia de ativação: 33 000 cal / gmolFator de Freqüência: 3,451 x 1010 ft3 / (lbmol. h)Constante dos gases ideais: 0,73 atm . ft3 / (lmol �R)�R = 1,8 �K
R: � = P�
M / RT, �
M = 20,75, � = 0,0945 lb / ft3
vo = w /�, vo = 209,61 ft3 / h �A = -0,592,
oAC = 0,0027 lbmol / ft3 �B = 0,444
m45,36Lx289,9
x00011834T
)T/16608(exp10x451,3k
TT
)1(
)]x()x1[(Ck)r(
A
A
10
2
2o
2A
AA2
oAA
�
�
��
��
�
��
��
�
Bθ
12.4) No seguite processo:
a terceira etapa re
óxido nítrico, 1%
Sabe-se qu
manual de Engen
OXID
DA A
NOVA
OXIDAÇÃO
(3)
TORRE DE
PRODUÇÃO DE
ÁCIDO NÍTRICO
(4)
AMÔNIAÁCIDO
NÍTRICO
AÇÃOMÔNIA
(1)
cebe 10 000 m3/h
de peróxido de n
e a reação é ho
haria Química (
SECAGEM POR
RESFRIAMENTO
RÁPIDO
(2)
de uma corrente a 20�C que contém, em percentagens molares, 9% de
itrogênio, 8% de oxigênio e o restante nitrogênio.
mogênea, irreversível e sua ordem corresponde a estequiometria. O
Perry – 5a edição portuguesa, página 4-33) indica que a energia de
22
ativação para esta reação em particular é nula e que o fator de Freqüência é 8 x109 ml2/(gmol2. S). Pode-se
supor comportamento ideal para a mistura gasosa.
Deve-se calcular o volume de um reator tubular adiabático que opere a pressão atmosférica, capaz
de converter 70% do óxido nítrico. R: 86 m3
Dados:
2 NO + O2 � 2 NO2
�HR (válido para este intervalo de temperatura): - 56 400
kJ/kmol
Calores Específicos (em kJ/kg �C):
Oxigênio (O2): 29,3
Óxido Nítrico (NO): 29,8
Peróxido de Nitrogênio (NO2): 37,9
Nitrogênio (N2): 29,1
23
13 EXERCÍCIOS SOBRE ANÁLISE DE REATORES NÃO IDEAIS
13.1) Um reator que opera em estado estacionário foi estudado através dainjeção por pulso de um traçador radioativo. A concentração do traçador nacorrente efluente foi monitorada e os resultados estão apresentados na tabelaao lado. Determine:a) o tempo médio de residência; R: 6,27 minb) a variança. R:8,86 min2
13.2) Se uma reação de primeira ordem, irreversível, em fase líquida e comuma constante de taxa de 0,1 min -1 estivesse ocorrendo em um reator demistura cujos resultados dos testes com traçador fossem idênticos aos doproblema (1), qual seria a conversão média alcançada no reator? Suponhamáxima segregação. R: 0,46
13.3) Supondo que a mesma reação do problema (2) estivesse ocorrendo emum reator tubular com 10 cm de diâmetro e 6,5m de comprimento, cujosresultados do teste com traçador fossem os do problema (1), calcule a conversãousando:a) um modelo de dispersão com condições de contorno closed-closed; R:0,44b) um modelo de reator ideal; R:0,47c)um modelo com reatores tipo tanque em série R:0,44d) um único reator ideal de mistura. R: 0,38
13.4) Usando um modelo para reator de mistura com bypassing e espaços mortos e a curva de traçadorobtida a partir de uma injeção tipo degrau, fornecida ao lado, calcule a conversão no reator.R: 0,163Dados:A � B +Ck= 0,0667 m3 / kmol minCA0=1,5 kmol /m3
vo = 0,23 m3 / minCT0=40 mg / dm3
V(reator real) = 1m3
13.5) Usando os resultados de uma injeção de traçador por pulso fornecidos aolado e sabendo que vo é 60 dm3 / min, calcule:a) O número de Peclet para um reator tubular com condições de contornoclosed-closed. R: 7,54b) O número de Peclet para um reator tubular com condições de contorno open-open. R: 11,67c) Usando condições de contorno open-open, calcule o volume morto do reator,sabendo que o volume útil o vaso é 420 dm3. R:156,18 dm3
d) para uma reação de primeira ordem com constante de taxa 0,18 min-1, calculea conversão usando um modelo de dispersão axial com condições de contornoclosed-closed.
tempo (min)
C (g/m3)
0 02 6,54 12,56 12,58 10
10 512 2,514 116 018 0
t(min)
C(mg/dm3)
2 204 306 348 3610 3812 39
t(min)
C(g/m3)
1 12 53 84 105 86 67 48 39 2,210 1,512 0,614 0
24
14 DESATIVAÇÃO DE CATALISADORES
14.1) Em uma das fases de um processo industrial, o cumeno é craqueado formando benzeno e propileno.
A corrente de cumeno que alimenta o reator pode conter pequenas quantidades de uma substância que
desativa o catalisador usado no processo. Os dados da tabela abaixo foram obtidos a 1 atm e 420�C em
um reator diferencial alimentado com cumeno e seu contaminante 0,08% (molar).
a) Determine a expressão que melhor representa a desativação do catalisador, sabendo que foi usado 1kg
de catalisador durante os experimentos. R: n=1, kd = 4,27 x 10-3s-
1
b) Suponha que :
- a diferença de pressão entre o topo e a base é negligenciável;
- a temperatura é uniforme ao longo do reator e igual a 420�C;
- a taxa da reação seja dada pela equação abaixo, onde A representa o cumeno;
(-rA) = exp(-kd t)k pA k = 3,8 x 103 mol / (kg de catalisador fresco. s. Atm)
- a alimentação seja feita a 20 mol/min (99,92% de cumeno e 0,08% molar de contaminante) com uma
concentração de 0,06 kmol/m3;
- o peso total de catalisador no reator seja de 100 kg, alimentado a 10 kg/min e
calcule a conversão que seria alcançada em um reator de leito móvel. R: conversão total
Benzeno na saída do reator(% molar)
2 1,62 1,31 1,06 0,85 0,56 0,37 0,24
Tempo (s) 0 50 100 150 200 300 400 500
25
15 QUEDA DE PRESSÃO EM REATORES DE LEITO FIXO
15.1) A oxidação catalítica do propileno em dióxido de carbono e água foi estudada isotermicamente em
um reator de leito fixo. O oxigênio, proveniente do ar atmosférico, foi alimentado em proporção três
vezes superior a quantidade estequiometricamente necessária. A mistura gasosa, cuja vazão volumétrica é
6 m3/ h, ingressou no reator a 10 atm. O diâmetro do catalisador é 5 x 10-3 m e sua massa específica é
3,35 g/ cm3. Para as condições empregadas neste trabalho, a lei de taxa será:
� ��
r k ppA
A
A
�
�1
a) Escreva a integral que fornece a massa de catalisado
310�C. R: supondo �A = 0, te
b) Calcule a massa de catalisador supondo que �A = 0 e n
c) Se tubos de 2in de diâmetro interno forem recheados
com o catalisador, qual deverá ser o comprimento do tub
nas condições da letra (b)?
15.2) A reação em fase gasosa, irreversível e de prime
reator de leito fluidizado que opere a pressão aproximad
A revisão da literatura revelou que esta mesma reação
recheado com 60kg de catalisador, com pressão de e
uniforme de 120�C, conversão de 85%, cuja queda de pr
dPdW
a� �0 2,
Calcule a massa de catalisador que deve ser alimentad
mesma conversão do reator de leito fixo. Suponha que
gasosa em ambos os reatores e que o reator de leito fl
mistura ideal.
k = 3,29 exp(-19000/RT), gmol / (s gcat) = 1,2 x 10-4 exp(15000/RT), atm-1
r necessária para se alcaçar 50% de conversão a
remos: A
Ax
oAxoA2
A
o
1
o dxCk)x1()P/P(
kv
W � ��
���
��
�
egligenciando a queda de pressão. R: 12,73 kg
de modo que 70% do seu volume seja preenchido
o para que se alcance 50% de conversão a 310�C,
R: 8,42 m
ira ordem, A � B deverá ser processada em um
amente constante de 20atm e 120�C.
é processada em um reator tubular de leito fixo,
ntrada de 20atm, temperatura aproximadamente
essão é dada por:
tm kg/
a no reator de leito fluidizado para se alcançar a
não há variação da massa específica da mistura
uidizado pode ser modelado como um reator de
R:
26
16 TRANSFERÊNCIA DE MASSA EM REATORES DE LEITO FIXO
16.1) Calcule o fluxo de massa do reagente A para uma esfera de catalisador com 1 cm de diâmetroimersa, sozinha, em um líquido. O reagente é diluído (1,0 molar) e a reação ocorre instantâneamente nasuperfície externa da partícula. A velocidade do líquido é 0,1 m/s, a viscosidade cinemática é 0,5centistoke e a difusividade de A é 10-10 m2/s. dado: 1 cS = 10-6 m2/s. R: 4,61 mol / (m2
s)
16.2) A decomposição da hidrazina foi estudada em um leito fixo de catalisador de irídio suportado emalumina. Este catalisador apresenta formato cilíndrico (diâmetro 0,25 e comprimento 0,5 cm). Umamistura de hidrazina com 98% de hélio a 15 m/s e 750K foi admitida em um reator de com 0,05m decomprimento, condições para as quais a reação é controlada pela transferência de massa externa apartícula. Qual será a conversão da hidrazina? Sabe-se que a porosidade do leito é 30%, a viscosidadecinemática do hélio a 750K é 4,5 x 10-4 m2/s e a difusividade da hidrazina em hélio é 0,69 x 10-4 m2/s a298K. R: conversão total
16.3) Deseja-se reduzir a concentração de óxido nítrico presente na corrente efluente de um determinadoprocesso, através da passagem desta corrente por um leito fixo de catalisador esférico poroso. O leito,com 2 in de diâmetro interno, deverá operar a 1173K e pressão de 101,3kPa, sendo alimentado com 1 x10-6 m3/s de uma corrente contendo 2% (molar) de NO em mistura com ar. A reação é de primeira ordeme ocorre preferencialmente nos poros do catalisador. Calcule o peso de catalisador necessário para reduzira concentração de NO a 0,004% (molar), sabendo que podem ser negligenciadas alterações no volume damistura reacional e a dispersão axial no reator. R: 423g
Dados:
NO + C � CO + ½ N2
-r’NO = k’’ SaCNO
S a (área superficial interna) = 530 m2/g k’’ = 4,42 x 10-10 m3/m2.s (visc. Cin. do fluido a 1173K) = 1,53 x 10-8 m2/sDAB (dif. da fase gasosa a 1173K)= 2,0 x 10–8 m2/sDe (dif. efetiva a 1173K) = 2,66 x 10-8 m2/s
r (raio dos poros do catalisador) = 1,3 x 10-9 mR (raio da partícula de catalisador) = 3 x 10-3 m�b (porosidade do leito) = 0,5�b (massa específica do leito) = 1,4 x 106 g/m3
� (fator de forma) = 1Módulo de Thiele: � = R [2k’’ / (Der)]1/2
16.4) A reação de segunda ordem A � B + 2C ocorre em um reator tubular de Leito fixo, cujocatalisador possui 0,4cm de diâmetro. A reação é limitada pela difusão interna. A alimentação do reator éfeita a 3m/s com reagente puro 250�C e 500kPa. A constante específica de taxa da reação foi determinadaexperimentalmente, sendo igual a 1,554 x 107 m4/(s mol). Calcule o comprimento do leito para que sealcance 80% de conversão. R: Dados:Porosidade do leito: 0,4Massa específica da partícula: 2 x 106 g/m3
Área superficial interna: 400 m2/gFator de efetividade global: 1,448 x 10-12
27
28
17 PROJETO DE REATORES DE LEITO FIXO
17.1) A produção de ácido sulfúrico em escala industrial depende da oxidação do dióxido de enxofre:
SO2 + 1/2 O2 SO3
Esta reação pode ser catalisada por pentóxido de vanádio (VnO5)
suportado em sílica gel, caso em que a taxa da reação será expressa
por:
- 2/12/121
'223222
/)( SOOSOOSOSO pppkppkr ��
A reação é altamente exotérmica e reversível, sendo realizada em dois
em série, intercalados por um trocador de calor, onde é feito o resfriam
segundo estágio. Negligenciando todos os efeitos difusivos, determ
necessária aos dois reatores para que se possa produzir 50 toneladas/d
global de SO2 : 99%), a pressão total de 1 atm, sabendo que a corrente
estar a temperatura inferior a 560�C para evitar danos ao catalisador.
R: xA
Dados:- temperatura de entrada no primeiro estágio: 370�C- temperatura do efluente do primeiro estágio: 560�C- temperatura de entrada no segundo estágio: 370�C- calor de reação: -24,60 + 1,99 x 10-3 T (kcal/gmol)- massa específica do catalisador: 0,6 g/cm3
- diâmetro do reator: 6ft- assuma catalisador esférico com diâmetro de ¼ in- � do gás: 0,09 lb/(h ft)- porosidade do leito: 0,4
Quantidade presente na alimentação(%molar)
Calor específico(cal/gmol K
N2 79 6,42 + 1,34 x 1O2 13 6,74+ 1,64 x 1SO2 8 9,52 + 3,64 x 1SO3 00 12,13 + 8,12 x
17.2) Deseja-se calcular o peso de catalisador necessário para alcançar 6
reator de leito fixo que opere isotermicamente a 260�C. Deverão ser u
ln k1 = 12,07 - (31000 / RT)ln k2 = 22,75 - (53600 / RT)T em K, R em cal / mol Kk1 em mol / (s gcat atm3/2)k2 em mol / (s gcat atm)
reatores adiabáticos de leito fixo,
ento da corrente que alimenta o
ine a quantidade de catalisador
ia de ácido sulfúrico (conversão
efluente do primeiro estágio deve
1 = 0,81, L1 = 8,48ft, L2 = 28,8ft
molar)0-3 T0-3 T0-3 T10-3 T
0% de conversão de eteno em um
sados 10 bancos de 100 tubos de
29
11/2 in de diâmetro Schedule 40 para processar 0,30lbmol/s de eteno a uma pressão inicial de 10 atm. O
eteno deverá ser alimentado misturado com oxigênio proveniente do ar em proporção estequiométrica.
As propriedades da mistura reacional podem ser consideradas idênticas as propriedades do ar a esta
temperatura e pressão. O catalisador é aproximadamente esférico, com diâmetro de ¼ in e massa
específica de 120lb/ft3. A fração de vazios nos tubos é 0,45. R: 45,4 lb/tubo
Dados:
- Viscosidade do ar a 260C e 10 atm: 0,0673 lbm /(ft. h)- Massa específica do ar a 260C e 10 atm: 0,413 lbm / ft3
- gc = 4,17 x 108 lbm. ft / (lbf. h2)
C2H4 + ½ O2 � CH2 - CH2
17.3) Deseja-se produzir anidrido ftálico a partir da oxidação de 6milhões de libras por ano de naftaleno
em um reator catalítico de leito fixo. Como a reação é exotérmica e rápida, recomenda-se o uso de um
reator multitubular, com 1000 tubos de aço inoxidáve,l 2in Schedule 40. As reações de craqueamento de
anidrido ftálico iniciam a 673K e, assim sendo, nenhum ponto do reator deverá estar acima desta
temperatura. A corrente de alimentação deverá conter 0,75% (molar) de naftaleno diluído em ar
atmosférico. Assume-se que o sal fundido usado como fluído de troca térmica é capaz de manter a
temperatura constante e igual a temperatura de alimentação ao longo dos tubos. Determine o comprimento
dos tubos para a máxima conversão possível de naftaleno, sabendo que a queda de pressão não pode ser
superior a 1 atm.
DADOS:
Aço inoxidável, 2 in Sch 40 ��
��
�
� m2-10 x 5,25 d
2m 3-x10 2,165 :ltransversa seçãoda área
Pressão na entrada do reator: 1,7atm
Temperatura de entrada da mistura reacional: 630K
Calor específico da mistura reacional a 630K: 0,255 cal/(g K)
Viscosidade da mistura reacional (assumida como invariante dentro do reator): 320 x 10-6 poise
Coeficiente global de transferência de calor entre a parede do tubo e o fluído: 1 x 10-3 cal/(s cm2 K)
Difusividade do naftaleno no ar nas condições do reator: 0,068 cm2/s
Difusividade Efetiva: 1,41 x 10-3 cm2/s
Reação envolvida (pseudoprimeira ordem):
C10H8 + 4,5 O2 ���1K C8H4O3 + 2CO2 + 2H2O �H(630K) = -429 kcal/mol
k1 = 5,74 x 1013 exp(-38 000/RT) s-1 [(para cinética intrínsica, com taxa expressa em mol/( 3reagm . s)]
O
30
Energia de ativação: calorias/gmol Catalisador (V2O5 suportado em sílica gel na presença de promotores):
-Forma da partícula: esférica
-Diâmetro: 0,318cm
-Área superficial: 80m2/g
-Porosidade do leito: 0,40
-Massa específica da partícula: 1,4 g/cm3
- Pode-se considerar que a partícula de catalisador apresenta temperatura uniforme, idêntica a
temperatura da mistura reacional.
- Não há desativação significativa da partícula de catalisador.
