Prof. Antonio Carlos S. C. Teixeira

Centro de Engenharia de Sistemas Químicos

Departamento de Engenharia Química – Escola Politécnica da USP

Edifício Semi-Industrial, 3o andar

acscteix@usp.br

Aula 16 – Balanços de massa em processos com

reações químicas. Modelos de reatores químicos

ideais

PQI 2321

Tópicos de Química para

Engenharia Ambiental I

Vss dVrR

~

VrFFdt

dNssaídasentradas

s ,,

para conteúdo

perfeitamente

misturado:

reatores ideais

reator contínuo pistonado (plug-flow,

PFR): não há variações radiais de

velocidade, concentração, temperatura e

taxa de reação; não há dispersão axial.

reator batelada (batch, BR)

reator contínuo de tanque agitado

(continuous stirred tank reactor,

CSTR) ou reator de retromistura

(back-mixing reactor)

Adaptado de: Fogler, H.S. Essentials of Chemical Reaction Engineering, 1st Ed., Pearson Education, Inc, 2011.

reatores não ideais

reator contínuo tubular ideal (PFR)

reator contínuo tubular não ideal

com dispersão

reator contínuo de tanque agitado

com desvios da idealidade

Adaptado de: Fogler, H.S. Essentials of Chemical Reaction Engineering, 1st Ed., Pearson Education, Inc, 2011.

modelos de reatores ideais

mistura perfeita

A → B

Fonte: Fogler, H.S. Essentials of Chemical Reaction Engineering, 1st Ed., Pearson Education, Inc, 2011.

0

1

1

A

A

N

NA

A

Vr

dNtNA0 = NA,t = 0

exercício A16.1: reator semi-batelada

Uma reação em fase líquida com estequiometria A → B segue lei

de velocidade elementar, sendo conduzida em um reator semi-

batelada. O reator está inicialmente vazio e em dado instante t = 0

passa a ser alimentado à vazão v (L/s) com uma solução

contendo A à concentração CA0 (mol/L). Admitir que a solução

possua massa específica constante e que o conteúdo do tanque

seja perfeitamente agitado.

a) Obter as equações para V (volume de líquido no reator), NA

(número de mols de A no reator) e CA (concentração de A no

reator) em função do tempo.

b) Discutir os resultados do item (a) para .

.

t

modelos de reatores ideais

s

saídasentradas

r

FFV

,,

reator contínuo de tanque agitado (mistura perfeita)

(continuous-stirred tank reactor – CSTR)

VrFFdt

dNssaídasentradas

s ,,

s

saídasentradas

r

CCvV

)( ,,

estado estacionário

(v constante): .

Adaptado de: Reynolds, T.D. e Richards, P.A. Unit Operations and Processes in Environmental Engineering, 2nd Ed., PWS Publishing Co., 1996.

exercício A16.2: degradação complexa de poluentes emergentes

Água residual de um processo químico-farmacêutico, à vazão de 2 L s-1,

contendo os antibióticos A e F, ambos à concentração de 0,4 mmol L-1, é

tratada em um reator contínuo agitado de 5 m3. O reator opera em estado

estacionário. Os contaminantes A e F decompõem-se por meio da

sequência de reações:

As reações são irreversíveis e suas velocidades específicas são

conhecidas: k1 = 0,01 s-1; k2 = 0,02 s-1; k3 = 0,07 s-1; k4 = 0,50 L mmol-1 s-1.

Determinar as concentrações de todas as espécies à saída do processo

de tratamento. (Resposta: CA = 0,0053 mmol L-1; CB = 0,0037 mmol L-1; CC

= 0,774 mmol L-1; CF = 0,018 mmol L-1)

modelos de reatores ideais

reator contínuo tubular ideal

(plug-flow reactor – PFR)

ss r

dV

dFestado estacionário:

sss rV

F

t

C

reator contínuo tubular ideal

(plug-flow reactor – PFR)

Adaptado de: Reynolds, T.D. e Richards, P.A. Unit Operations and Processes in Environmental Engineering, 2nd Ed., PWS Publishing Co., 1996;

Fogler, H.S. Essentials of Chemical Reaction Engineering, 1st Ed., Pearson Education, Inc, 2011.

Adaptado de: Reynolds, T.D. e Richards, P.A. Unit Operations and Processes in Environmental Engineering, 2nd Ed., PWS Publishing Co., 1996.

A → B

Fonte: Fogler, H.S. Essentials of Chemical Reaction Engineering, 1st Ed., Pearson Education, Inc, 2011.

0

1

1

A

A

F

FA

A

r

dFVFA0 = FA,entrada

tempo espacial (tempo médio de retenção ou tempo médio de residência)

entradav

V

para v = ventrada = constante: . .

resumo – balanços molares em reatores

Fonte: Fogler, H.S. Essentials of Chemical Reaction Engineering, 1st Ed., Pearson Education, Inc, 2011.

FA0 = FA,entrada e NA0 = NA,t = 0

Sem variações radiais

Sem dispersão axial

aA → bB

CA0 = CA,entrada e CB0 = CB,entrada

resumo – balanços molares em reatores (fase líquida, vazão volumétrica de entrada v constante)

.

exercício A16.3: tratamento de efluente em reatores

associados

a) Um processo avançado de oxidação deve prover concentração de

radicais hidroxila (OH) em estado estacionário igual a 4×10-12 mol/L

em um reator tubular para bombear e tratar água de um poço com

concentração de tricloroeteno (TCE) igual a 40 ppm. Para um reator

de 50 L, determinar a vazão de bombeamento de modo que a

concentração de TCE seja 5 ppm à saída do reator. Admitir que 90%

dos radicais hidroxila sejam inibidos por carbonato e bicarbonato

presentes na água. A velocidade específica da reação entre radicais

OH e TCE é igual a 4,2×109 L/mol.s. (Resposta: 145 L/h)

b) Determinar o volume do tanque de mistura, operado à mesma vazão,

a ser associado após o reator tubular para reduzir a concentração do

poluente ao valor final de 0,5 ppm. (Resposta: 216 L)

c) Qual o tempo de retenção nesses reatores? (Resposta: 20,7 min e

1,49 h, respectivamente)