Exercícios_resolvidos_reatores.pdf

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ INSTITUTO DE TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA ENGENHARIA DAS REAÇÕES QUÍMICAS I (LISTA EXERCÍCIOS)

1. a) Determine o volume do reator tubular tubular necessário necessário para produzir 5,55x10 5  moles de etileno por hora. A reação é irreversível e elementar. Pretende-se alcançar 80% de conversão conversão do etano operando o reator isotermicamente a 1100K e 4 atm. C2H6 → C2H4 + H2 Dados: R = 0,082 L⋅atm/mol⋅K ou 1,98 cal/mol.K -1 k (1000K) (1000K)= 0,072 s Energia de ativação =82 kcal/mol FB=FA0.XA 1polegada = 0,0254m V 

∫

 X 

 X  A

dX  A

0

− r  A

= F  A0 ∫

(1 + ε  X )dX 

0

(1 −  X )

= −[(1 + ε  ) ln(1 −  X ) + ε  X )]

 b) se fossem fossem utilizados tubos de 2” de diametro interno interno e 50m de comprimento, comprimento, determine o número de tubos necessários para o item a). 2) Deseja-se produzir 90.720 toneladas de etileno glicol por ano, a partir da hidrólise do óxido de etileno em um reator de mistura operando a 55°C. Um passo fundamental para este projeto é o conhecimento da equação de velocidade da reação, o que foi feito através de um experimento em um reator batelada, na mesma temperatura temperatura em que o reator tanque irá operar (55°C). Como esta é uma reação de hidrólise, na qual a água está presente em grande excesso, sua concentração pode ser considerada constante durante a reação. Da literatura sabe-se que esta reação é de primeira ordem em relação ao óxido de etileno. Este reator batelada, em laboratório, foi alimentado por 500 mL de uma solução 2,0 M de óxido de etileno em água misturada com 500 mL de água contendo 0,9% em peso de ácido sulfúrico. A temperatura foi mantida a 55°C. Esta reação foi acompanhada ao longo do tempo e a concentração de etileno glicol formado foi obtida, conforme apresentada na tabela abaixo: t (min) Cetileno glicol (mol/L)

0,0 0,000

1,0 0,270

2,0 0,467

3,0 0,610

4,0 0,715

6,0 0,848

a) Calcule a constante de velocidade (k) da reação e escreva a equação de velocidade da reação.  b) Determine o volume de um reator de mistura, a 55°C, para obter conversão conversão de 80% do óxido de 3 etileno, a partir de vazão de alimentação de 100 m /h (óxido de etileno + água). Sabendo que o peso molecular do etileno glicol é de 62 g.mol-1. Dado: Equação estequiométrica da Reação:  A +  B ⎯⎯k  R ; onde A = etileno glicol →

B = água.

Fase da reação: Líquida (εA=0)

3) A saponificação do acetato de etila em solução de hidróxido de sódio ocorre segundo a equação estequiométrica: CH 3COOC2H5  + NaOH → CH3COONa + C2H5OH e é relativamante rápida. Smith e Lorensen estudaram a cinética da reação e propuseram uma equação para a constante de velocidade da reação: log k  = −

1780 T 

+ 0,00754T  + 5,83 , onde k é

dado em L/mol.min. Se a concentração inicial do acetato de etila for de 6g/L e a do hidróxido de sódio for de 0,05 mol/L, calcule a vazão molar inicial em um CSTR de 100L a 40 oC para uma conversão de 60%. Considere de ordem igual em relação a A e B. Dado: Massa molecular do acetato de etila: 88 g/mol. 4) A reação decomposição em fase gasosa do peróxido de di-ter-butilo (CH3)3COOC(CH3)3 → C2H6 + 2CH3COCH3 foi realizada no laboratório em um reator descontínuo isotérmico no qual foi registrada a pressão total do sistema em vários tempos durante a reação, obtendo-se os dados mostrados na tabela. t (min) 0,0 2,5 5,0 10,0 15,0 20,0

Pressão total (mmHg) 7,5 10,5 12,5 15,8 17,9 19,4

Postule uma lei de velocidade em função da pressão e do tempo. Determine a ordem de reação e a constante de velocidade. Utilize os métodos diferencial e integral.

5) A reação em fase gasosa A →  B + C ocorre em um reator tubular a 2 atm e 300ºC. A constante de velocidade é 0,45 s -1 e a uma vazão de 120cm 3/s. A alimentaçãoé de 80% de A e 20% de inerte. Assuma que a reação é isotérmica. Qual o volume do reator necessário para uma conversão de 95%? 6) A reação de benzoquinona (B) e ciclopentadieno (C) foi estudada a 25ºC. (-r  B  B) = k C BCC B + C → P Despreze a variação de volume. A constante de velocidade da reação é de 9,92x10 -3m3/kmol.s. Se fosse utlizado um reator batelada para esta reação, determine o tempo necessário para atingir 95% de conversão de benzoquinona usando uma concentração inicial de 0,1 e de 0,08 kmol/m 3  para ciclopentadieno ciclopentadieno e benzoquinona, benzoquinona, respectivamente. respectivamente. 7) A reação elementar em fase gasosa, A 3 → 3A, é efetuada em um reator de escoamento. A taxa específica de reação a 50 oC é 10-4 min-1 e a energia de ativação é 85 kJ/mol. A 3 puro entra no reator a 10 atm e 127 oC e a uma taxa molar de escoamento de 2,5 mol/min. Determine o volume de reator para obter obter 90 % de conversão se este este reator for a) CSTR  b) PFR c) Calcule o tempo necessário para alcançar uma conversão de 90 % em um reator descontínuo a volume constante.

8) Metanol é formado pela reação de monóxido de carbono com hidrogênio, com a reação a seguir: CO + 2H2 ↔CH3OH A condição de equilíbrio é: Kp =pCH3OH/pCO p2H2 = y CH3OH/y CO y2 H2 p2 Monóxido de carbono e o hidrogênio entram na reação com razão de 1:2 Determine a conversão de equilíbrio quando a pressão é 50 atm e K  p= 0,0016. 9) Determine o volume de um reator de tanque agitado e o volume de um reator tubular para processar, em estado estacionário, 30 m3/dia de solução de acetato de etila 0,5 molar a 25 oC, de modo a alcançar uma conversão de 75%, adicionando uma quantidade equimolar de hidróxido de sódio, segundo a equação esteqiométrica da reação : CH3COOC2H5 + NaOH → CH3COONa + C2H5OH A taxa de velocidade de reação é dada pela expressão : 3

(-r  A) = kC  AC  B

o

onde k  = 110 cm /(mol s) a 25 C.

10) Determine o volume de um reator de tanque agitado e o volume de um reator tubular para processar, em estado estacionário, 30 m3/dia de solução de acetato de etila 0,5 molar a 25 oC, de modo a alcançar uma conversão de 75%, adicionando uma quantidade equimolar de hidróxido de sódio, segundo a equação esteqiométrica da reação : CH3COOC2H5 + NaOH → CH3COONa + C2H5OH A taxa de velocidade de reação é dada pela expressão : 3

(-r  A) = kC  AC  B

o

onde k  = 110 cm /(mol s) a 25 C. 11) Para a reação irreversível em fase gasosa

A → 2B a seguinte correlação foi determinada a partir de dados de laboratório. A concentração inicial de A é de 0,2 mol/L.

Para X  A ≤ 0,5 : Para X  A > 0,5 :

1 −

r   A

1 −

r   A

3

=

=

3,0

m

⋅s

mol

3,0 + 10( X  A − 0,5)

3

m

⋅s

mol

A taxa volumétrica de alimentação é de 5,0 m3/s. a) Em que intervalo de conversões, os volumes de um reator PFR e de um CSTR são iguais ?  b) Que conversão será alcançada em um reator CSTR que tem um volume de 90 litros ? c) Qual deverá ser o volume de um reator PFR para alcançar uma conversão de 70% ? d) Qual deverá ser o volume de um reator CSTR para receber o efluente do item c) e elevar a conversão até 90% ? e) Se a reação for efetuada em um reator descontínuo a pressão constante no qual A puro é alimentado, quanto tempo será gasto para atingir uma conversão de 40% ?

12) A reação irreversível não elementar em fase gasosa A + 2B → C deverá ser realizada isotermicamente em um reator descontínuo a pressão constante. A alimentação está a uma temperatura de 227 oC, uma pressão de 1013 kPa e sua composição é 40% A e 60% B. Dados de laboratório obtidos sob as mesmas condições fornecem a tabela abaixo : 3 0,010 0,005 0,002 0,001 -r  A (mol/dm ⋅s) × 3 10 XA 0,0 0,2 0,4 0,6 a) Estime o volume necessário de um reator tubular para alcançar uma conversão de 0,4 de A (desde que seja possível), para uma vazão volumétrica de entrada de 2 dm 3/min.