Lista de exercício 1 unidade

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Universidade Federal da Bahia 
1ª lista de exercício de Cálculo de Reatores 
Prof. Carlos Augusto Pires 
 
 
1) Considere um reator batelada com paredes rígidas que processa a reação 3A + 5B → 
3C, em fase gasosa e de maneira isotérmica. A alimentação é formada por 30 mol de A, 
20 mol de B e 10 mol de inerte. A reação inicia com pressão de 6 atm e temperatura de 
300 K. A cinética da reação está representada na tabela que segue. 
x 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 
(-r) mol/dm³min 0,01 0,005 0,002 0,001 0,0009 0,0008 
Obs: a velocidade de reação está escrita em função do reagente limitante ou base de 
cálculo. 
Calcule: 
a) Construa a tabela estequiométrica completa. 
b) Número de mols total e concentrações molares de A, B e C para uma conversão de 
80%. Resp. Nt=44 mol; Ca=0,083 mol/h; Cb=0,0162 mol/h; Cc=0,0389 mol/h 
c) O tempo de reação para uma conversão de 80%. Resp. tr=34,68 min 
d) Pressão do sistema reacional a 80% de conversão. Resp. P=4,42 atm 
e) Quantidade molar de C em um dia de operação, sabendo-se que são gastos 10 min 
com operações de preparação do reator para uma nova batelada. (cada batelada com 
80% de conversão). Resp. Nc=307,2 mol 
 
2) Considere um reator batelada de paredes rígidas que processa uma determinada 
reação em fase gasosa a temperatura constante. O reator é desligado após 50 minutos 
de processamento quando alcançou uma conversão de 80%. Imediatamente após este 
tempo, um soprador é acionado e a mistura reacional passa a ser transportada por um 
tubo de 20 cm de diâmetro interno a uma vazão de 2 L/s. Nessas condições o reator 
batelada é esvaziado em 40 min. Calcule: 
 
 
a) Calcular a concentração do 
reagente A (base de cálculo) em 50 
min de reação. Resp. Ca=0,1 mol/L 
 
b) Calcule o comprimento do tubo de 
descarga, sabendo que a reação 
continua neste tubo e que a 
conversão na saída do tubo é de 
100%. O tubo é um PFR. 
Resp. L=62,4 m 
 
 
3) Uma reação do tipo A → nR é realizada em fase gasosa (onde “n” é o coeficiente 
estequiométrico desconhecido). Introduz-se o reagente A com um inerte “I” em um 
reator batelada a volume constante. A pressão inicial de A é 7,5 mm Hg e de I é 1,5 mm 
1/(-rA) 
(Lmin/mol)
X
50
100
120
300
450
0,4 0,5 0,8 1
1/(-rA) 
(Lmin/mol)
X
50
100
120
300
450
0,4 0,5 0,8 1
Hg. A reação é irreversível e em um tempo suficiente longo (X=100%) a pressão total 
atingiu 31,5 mm Hg. Considere a velocidade de reação elementar. 
Responda: 
a) Determine o valor do coeficiente “n”. Resp. n=4 
b) Calcule a conversão em 20 minutos de reação, sabendo-se que a pressão foi de 19 
mm Hg. Resp. X=0,45 
c) Imagine esta mesma reação sendo realizada em um PFR à vazão volumétrica inicial 
de 0,5 L/min e pressão total constante. Calcule a vazão volumétrica final para a mesma 
conversão encontrada na letra b). Resp. v=1,1 L/min 
d) Calcular o volume do reator PFR nas mesmas condições da letra c). Resp. V=16,1 L 
 
4) A reação A → 4 R é conduzida em um reator batelada isotérmico (T=27°C), em fase 
gasosa, a volume constante e com velocidade de reação elementar. A alimentação é 
composta de 50% de A e 50% e inerte. Em 8 (oito) minutos de reação, a pressão total da 
mistura reacional foi de 8 atm. Além disso, a conversão final (X=0,99) foi alcançada 
quando a pressão total da mistura reacional foi de 10 atm. Determine: 
a) A concentração e a pressão inicial de A. Resp. Cao=0,081 mol/L; Pao=2 atm 
b) A conversão e a concentração de A em 8 (oito) minutos de reação. Resp. X=0,67; 
Ca=0,027 mol/L 
c) A constante de velocidade de reação. Resp. k=0,14 1/min 
d) O tempo de reação para a conversão máxima alcançada. Resp. t=32,9 min 
e) O volume do reator para uma produção diária de R de 2000 mol/dia, sabendo-se que 
o reator gasta 30 (trinta) minutos em atividades pré-operacionais. Considere que a 
concentração de A na alimentação será a mesma encontrada no item a) e a conversão 
de 0,99. Resp. V=283,1 L 
 
 
5) Considere um CSTR em série com um PFR (nessa ordem) nos quais se processa a 
reação A(g) + B(g) → 3 C(g) + D(g,l), à pressão (100 kPa) e temperatura constantes. A 
alimentação do sistema consiste de 0,24 mol/min de A, 0,16 mol/min de B e vazão 
volumétrica total de 0,4 L/min. A lei de velocidade é dada por (-rB) = kCA, onde k=0,31 
min-1. A espécie D sofre mudança de fase (gás para líquido) apenas no PFR. A vazão de 
líquido (espécie D) é de 0,01 mol/min. O reator CSTR tem a capacidade de 1L e a pressão 
de vapor de D é igual a 20 kPa. Determine: 
a) A tabela estequiométrica considerando apenas as vazões molares. 
b) A conversão na saída do PFR. Resp. X=0.92 
c) A conversão na saída do CSTR. Resp. X=0,53 
d) A conversão de condensação. Resp. X=0,83 
e) Volume do reator PFR. Resp. V=1,05 L 
 
6) Considere um reator CSTR que processa a reação 5A + 3B → 2C em fase gasosa, cujo 
sistema reacional é isotérmico (T = 350 K) e isobárico (P = 6 atm). A alimentação dos 
reagentes é equimolar e a lei de velocidade de reação é de primeira ordem em relação 
à base de cálculo mais adequada. Na partida da unidade, o reator levou 20 minutos para 
alcançar o volume ideal de reação (tempo de enchimento, partindo do reator 
completamente vazio), mantendo a vazão volumétrica de alimentação constante. A 
constante de velocidade de reação é 0,4 min-1. Calcule a concentração da espécie 
utilizada como base de cálculo quando o regime estacionário foi alcançado. 
Obs: Responda, antes de começar o problema, as três perguntas básicas recomendadas 
em sala de aula. 
Obs2: Construa a tabela estequiométrica. Resp. Ca=0,01 mol/L 
 
7) Considere a reação A(g) → B(g) + 2C(g, l) que deve ser conduzida a 200 ºC e 2500 kPa em 
um CSTR seguido de um PFR (em série). No CSTR há apenas espécies em fase gasosa e 
na entrada do PFR a pressão parcial de C é de 506,5 kPa. Determine os volumes do CSTR 
e PFR, considerando que 80% de A é consumido neste sistema. Sabe-se que a constante 
da velocidade é 0,01 s-1, a reação é de 1ª ordem e a vazão volumétrica de alimentação 
é de 0,5 dm3/s. A pressão de vapor da espécie C é de 506,5 kPa. 
R = 8,314 kPa dm³/mol K Resp. Vcstr=8,9 L; Vpfr=92,2 L 
 
8) A reação em fase gasosa 2A + 4B → 2C , que é de primeira ordem em relação a A e 
B, deve ser conduzida isotermicamente em um reator de escoamento uniforme. A 
produção de C é de 2000 kg/h com conversão de 40% (PMC = 40). A vazão volumétrica 
de entrada é de 205 dm³/min e a alimentação é equimolar. A temperatura e a pressão 
de entrada são 727 °C e 10 atm, respectivamente. A velocidade específica de reação 
nesta temperatura é de 4 dm³/mol min e a energia de ativação é de 15000 cal/mol. 
Responda 
a) Estime o volume requerido para que um CSTR, que recebe o efluente de um PFR com 
conversão de 30%, alcance 80% de conversão total, se possível. Se não for possível, qual 
deverá ser a conversão total e o volume do CSTR? Resp. Vcstr=3,78 L 
b) Determine o volume do PFR cuja conversão na saída é de 40%. Resp. Vpfr=1,16 L 
c) Se esta reação fosse reversível, qual seria o valor da conversão de equilíbrio e da 
concentração de A no equilíbrio? Sabe-se que a constante de equilíbrio é 10 dm³/mol. 
Resp. Ela nunca entraria em equilíbrio porque Xe=1. 
 
9) Considere um sistema de reatores em série, cuja configuração mais adequada é o 
CSTR seguido de um PFR. A reação A + 4B → 5C é processada em fase gasosa, porém, o 
engenheiro (novato) responsável pela unidade constata através de uma inspeção 
rotineira que a corrente efluente do PFR contém líquido. Foram providenciadas 
medições e análises desta corrente e se verificou que a única espécie presente na fase 
líquida é o produto “C” a uma vazão de 100 mol/min. Recorreu-se às condições 
operacionais, encontrando uma conversão de condensação de 60%, vazão de 
alimentação de “A” igual a 50 mol/min e de “B” igual a 200 mol/min, a vazão volumétrica 
de alimentação é 5 ���/���, sistema isotérmico e isobárico. A lei de velocidade é de 
1ª ordem em relação a “A” e 1ª ordem em relação a “B” e a constante da taxa é 0,13 
���/min���. A pressão de vapor de “C” é16 kPa. A conversão de saída do CSTR é 
40%. Calcule o volume do PFR. Resp. Vpfr=1,76 m3 
 
10) Considere a reação A + 3B → 2C, em fase gasosa, que ocorre em um reator CSTR à 
pressão e temperatura constantes. Neste reator, verifica-se uma queda da vazão 
volumétrica de 35% em relação à vazão volumétrica de entrada. A alimentação deste 
reator é composta de duas correntes: a da espécie A possui vazão molar de 2 mol/min 
e concentração de 0,2 mol/dm3 e a espécie B possui vazão molar de 3 mol/min e 
concentração de 0,5 mol/dm3. Antes de processar esta reação no CSTR, foram realizados 
testes em um reator batelada isotérmico a volume constante com pressão inicial de 4 
atm. Ao chegar em 30 minutos de operação, percebeu-se que a pressão estava em 3 
atm. Considerando a lei de velocidade, para a espécie A, como (-rA) = k CA, determine o 
volume do CSTR em estudo. Resp. Vcstr=640,5 L 
 
11) Considere três reatores em paralelo processando a reação A → B + C, em fase gasosa, 
em condição isotérmica e isobárica. O primeiro reator é um CSTR, cuja alimentação é 
composta por 20% de FAo (vazão molar de alimentação do sistema), com tempo de 
residência de 3 min. O segundo reator é um PFR, cuja alimentação é composta por 0,5% 
de FAo, com tempo de residência de 1 min. O terceiro reator é um CSTR, cuja alimentação 
é composta por 30% de FAo, com tempo de residência de 2 min. A alimentação de cada 
reator possui a mesma concentração de alimentação do sistema. A reação é elementar 
e a constante de velocidade de reação é igual a 0,311 min-1. 
Deduza a equação da conversão total em função das conversões de cada reator. 
Calcule a conversão total do sistema em estudo. Resp. X=0,3 
 
12) A reação A + 4B → 4 C + D é conduzida em um sistema de reatores no qual existem 
dois reatores CSTRs em paralelo de volumes iguais (V1 e V2), cuja vazão molar de 
alimentação de V2 é o tripulo da vazão de V1. As correntes que saem (efluentes) de V1 
e V2 se unem formando uma única corrente que alimenta o reator PFR de volume V3 
que é cinco vezes maior do que V1. Denominem a conversão de entrada no PFR de X3 e 
de saída de X4. A corrente que sai do reator V1 possui uma conversão local de X1’ igual 
a 40% (conversão calculada considerando-se a conversão de alimentação deste reator 
igual a zero). A reação ocorre em fase gasosa, à pressão e temperaturas constantes. 
Além disto, a alimentação é estequiométrica. A lei de velocidade de reação é de primeira 
ordem em relação a espécie A, que é a mesma ordem global. Calcule a conversão global 
X4 da corrente que sai do PFR de volume V3. Resp. X4=0,66 
 
13) Considere a reação A + 3B → 2C, em fase gasosa, que ocorre em um reator PFR à 
pressão e temperatura constantes. Neste reator verifica-se uma queda da vazão 
volumétrica de 20% em relação à vazão volumétrica de entrada. A alimentação deste 
reator é composta de duas correntes: a da espécie A possui vazão molar de 2 mol/min 
e concentração de 0,2 mol/dm3 e a espécie B possui vazão molar de 3 mol/min e 
concentração de 0,5 mol/dm3. Antes de processar esta reação no PFR, foram realizados 
testes em um reator batelada, isotérmico a volume constante, com pressão inicial de 20 
atm. Ao chegar no final da reação, percebeu-se que a pressão estava em 13,6 atm. 
Foram coletadas do reator batelada alíquotas da mistura reacional com o tempo e foi 
obtida a seguinte tabela: 
X 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 
(1/-rA) dm3s/mol 189 192 200 222 250 303 400 556 800 
Determine o número de bateladas em 24h de operação sabendo que os volumes do PFR 
e batelada são iguais e que a alimentação do reator batelada é constituída por 200 mols 
de A e 300 mols de B. O tempo destinado ao preparo do reator é de 600 s. Calcule 
também a concentração de alimentação do reagente limitante. Resp. Nº bat=5; 
Cio=157,9 mol/L 
 
14) A reação A(g) + 2B(g) → C(g) + 2D(g, L), deve ser conduzida a 200 °C e 2500 kPa. A pressão 
de vapor de D a 200 °C é de 506,5 kPa. A velocidade de reação é elementar, com a 
constante da velocidade igual a 0,01(em unidade apropriada, considerando tempo em 
minuto e volume em dm³). A vazão volumétrica de alimentação é igual a 0,5 dm³/s. 
a) Determine o reagente limitante, a lei de velocidade de reação, a unidade da constante 
de velocidade de reação e se há variação de vazão volumétrica. 
b) Determine a conversão na qual a condensação se inicia para uma alimentação 
estequiométrica. Resp. Xc=0,3 
c) Calcule a concentração de A depois da condensação. Resp. Ca=2,4 Cao(1-X)/((3-2X) 
d) Existe alguma condição na qual a concentração de A será sempre constante? Explique 
com equações. Resp. Quando �� = 1 
 
15) Considere um PFR, no qual está se processando a reação A +3B → 2C, em fase 
gasosa, porém, o engenheiro (novato) responsável pela unidade constata através de 
uma inspeção rotineira que a corrente efluente do PFR contém líquido. Foram 
providenciadas medições e análises desta corrente e se verificou que a única espécie 
presente na fase líquida é o produto “C” a uma vazão de 6,64 mol/min. A vazão molar 
de alimentação de A e B são iguais e registram valores de 20 mol/min. O sistema é 
isotérmico e isobárico (P = 200 kPa). A pressão de vapor de “C” é 50 kPa. Os dados 
cinéticos da reação encontram-se na tabela que segue. 
X 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 
(1/-rA) L min/mol 189 192 200 222 250 303 400 556 800 1044 
 
Responda: 
a) Existe reagente limitante e variação de vazão volumétrica? Especifique. 
b) Construa a tabela estequiométrica completa, colocando como número apenas os 
coeficientes estequiométricos. 
c) Determine a conversão na qual se inicia a condensação. Resp. Xc=0,6 
d) Calcule a conversão na saída do reator. Resp. X=0,9 
e) Calcule os volumes do reator antes e depois da condensação. Resp. V1=984,2 L; 
V2=1385,3 L 
f) Para quanto deveríamos alterar a pressão total do sistema para uma conversão igual 
a encontrada na letra d) e sem líquido escoando. Resp. P=116,3 kPa 
g) A vazão de líquido do reator pode ser eliminada a partir da alteração da vazão de 
alimentação da base de cálculo? Explique. Resp. Fio=20,3 mol/min 
 
16) Considere a reação 3A + 2B → C que acontece em fase gasosa e em dois reatores 
PFRs em série à temperatura e pressão constantes. A alimentação é equimolar e na saída 
do primeiro reator, a fração molar de C é igual a 0,18 e a pressão parcial de C é igual a 
sua pressão de vapor. A vazão molar de alimentação de cada espécie será 15,3 vezes a 
vazão de líquido produzida na saída do segundo reator. Os valores das conversões 
calculadas serão aproximados para apenas uma casa decimal. 
X 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 
-ri 0,193 0,170 0,165 0,129 0,122 0,094 0,087 0,071 0,072 0,042 
Onde ri é dado em mol/s m3 e se refere ao reagente limitante 
 Determine: 
a) A tabela estequiométrica completa considerando vazões molares e concentrações. 
b) A conversão na qual se inicia a condensação. Resp. Xc=0,6 
c) A conversão de saída do segundo reator. Resp. X=0,7 
d) A razão entre os volumes do primeiro e segundo reatores (V1/V2). Resp. V1/V2=3,7 
 
17) Considere um reator PFR no qual ocorre a reação A(g) → 2B(g, L). A reação ocorre 
isotermicamente a 300 K e pressão total constante de 101 kPa, sendo a vazão 
volumétrica inicial de 300 dm³/h. A partir de um determinado ponto do reator ocorre a 
condensação do produto B. A pressão de vapor do produto B é 80 kPa e a constante de 
velocidade de reação é igual a 5 h-1. Responda: 
a) Construa a tabela estequiométrica completa para este sistema; 
b) Qual o volume do reator no qual iniciará a condensação de B? Resp. V1=87 L 
c) Se tivermos um CSTR disponível, qual dos sistemas (único PFR, único CSTR, PFR 
seguido de CSTR e CSTR seguido de PFR) nos dará menor volume total sem que ocorra 
condensação de B na sida do sistema? Qual será a composição na saída do primeiro 
reator? Considere as mesmas condições de alimentação usado na letra b. Resp. 
Vcstr=184 L; o menor volume é a do PFR único; pode ser 0<X1<0,65 
 
18) Modificada Considere areação 2A(g) + 3B(g) → C(g,L) que acontece em dois 
reatores PFRs em série à temperatura e pressão (160 kPa) constantes. A alimentação é 
equimolar de 20 mol, com concentração de A na alimentação de 0,2 mol/L. O volume 
do segundo reator é 21,1% maior do que o do primeiro reator. A velocidade de reação 
é de primeira ordem para a espécie A e sua constante é igual a 9,73 s-1. A condensação 
se inicia após a saída do primeiro reator. A pressão de vapor de C é 16 kPa. Determine: 
a) A tabela estequiométrica completa considerando apenas as vazões molares. 
b) A conversão na qual se inicia a condensação. Resp. X=0,43 
c) O volume do primeiro reator. Resp. V1=2,95 L 
d) A conversão de saída do segundo reator. Resp. X=1 
e) A vazão molar de líquido na saída do segundo reator. Resp. Fc(L)=5,9 mol/s 
 
19) A reação A(g) + 2B(g) → C(g,L), em fase gasosa, é processada em uma unidade reacional 
composta por um CSTR seguido em série por um PFR. A alimentação no primeiro reator 
é formada por 30 mol/min de A, 90 mol/min de B e 30 mol/min de inerte. O reator CSTR 
possui volume de 6000 dm³ e o sistema é operado de forma isobárico (P=125 atm) e 
isotérmico (T=273 K). O produto C pode sofrer condensação quando a sua pressão 
parcial for igual a sua pressão de vapor (PvC = 20 atm). 
x 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 
(-r) mol/dm³min 0,01 0,005 0,002 0,001 0,0009 0,0008 
 
Calcule: 
a) A conversão na corrente de saída do CSTR. Resp. X=0,4 
b) A conversão na qual a condensação da espécie C se inicia. Resp. X=0,6 
c) O volume do PFR, considerando que a sua conversão de saída é a de condensação. 
Resp. V=4.166,7 L 
d) A concentração da espécie A a 80% de conversão, considerando que o PFR anterior 
(utilizado no item “c”) tenha sido substituído por um de maior comprimento. Resp. 
Ca=0,36 
e) A vazão molar de líquido na saída do reator do item “d” quando a conversão for de 
80%. Resp. Fc(L)=9,14 mol/min 
 
20) Considere um PFR no qual se processa a reação A(g) → 2 B(g) +3 C(g, L), em um ambiente 
isotérmico e isobárico. A alimentação consiste de 20 L/h de A. A constante de velocidade 
de reação é k=0,5 h-1. A espécie C sofre mudança de fase (gás para líquido) e a conversão 
de condensação é igual a 0,7. 
a) Construa a tabela estequiométrica completa. 
b) A vazão volumétrica antes da condensação aumenta ou diminui? Explique. Resp. 
Aumenta 
c) E depois da condensação, a vazão volumétrica aumenta ou diminui? Explique. Resp. 
Aumenta 
d) Se o reator possui 306,3 L de capacidade, qual é a porcentagem deste que se encontra 
subutilizada? Resp. 100*V2/VT=58% 
e) Calcule a conversão na saída do reator. Resp. X=0,88 
 
21) A reação 2A(g) + 3B(g) → C(g) + 6D(g, L), deve ser conduzida a 300 K e 160 atm. A pressão 
de vapor de D, a 300K, é de 80 atm. A velocidade de reação está relacionada apenas com 
a espécie A, com a constante da velocidade igual a 0,12 s-1. Esta reação ocorre no sistema 
que segue: 
 
 
 
Todos os eventos reacionais ocorrem apenas nos reatores. Determine: 
a) A concentração do reagente limitante (ou base de cálculo) na alimentação do sistema. 
Resp. Cao=2,17 mol/L 
b) A conversão local X1’. Resp. X1’=0,45 
c) A conversão local X2’. Resp. X2’=0,88 
d) A condensação ocorre em ambos os reatores? Prove com cálculos. Resp. Não 
e) O volume do reator PFR (V2). Resp. V2=89,08 L 
 
22) A reação A(g) + B(g) → C (g, L), é processada em um sistema de dois reatores em série 
(um PFR seguido de um CSTR) no qual X1 é a conversão de saída do PFR e X2 é a 
conversão de saída do CSTR. A alimentação é equimolar e a lei de velocidade de reação 
é elementar. Considere o sistema isotérmico e isobárico. Determine: 
a) A tabela estequiométrica completa, incluindo as equações das concentrações e 
vazões molares totais. Esta tabela deverá ser construída totalmente literal, com exceção 
dos números dos coeficientes estequiométricos. 
b) Determine a equação final do volume do PFR. Os valores numéricos de θ e ε deverão 
ser incluídos na equação apenas depois que a equação na forma integral for totalmente 
definida. 
c) Mesma pergunta do item b), só que agora o reator é o CSTR. Neste caso, substitua os 
valores numéricos de θ e ε apenas depois que a equação literal final for definida. 
CSTR
V1 = 15 
dm3
PFR
V2
X1’
X2’
X3 = 0,8FAO = 20 mol/s
0,8FAO
0,2FAO
FBO = 40 mol/s
d) Considerando os volumes dos reatores iguais, pressão total de 160 atm e pressão de 
vapor de C igual a 16 atm, determine o maior valor possível da conversão na saída do 
PFR (X1). Resp. X1=0,5 
 
23) Considere o sistema reacional da figura abaixo. A reação A → B + C ocorre em fase 
líquida com vazão volumétrica de 10 
L/h e constante de velocidade de 
reação de 0,31 h-1. Considere os 
seguintes volumes: V1= 20 L, V2= 20 L 
e V3= 10 L. Considere também que 
60% da vazão molar FA1 vai para V2 
(w’=0,6) e 40% vai para V3 (w”=0,4). 
Determine: a) a conversão X1; b) a conversão local X2’; c) a conversão local X2”; d) a 
porcentagem de FA2’ em relação a FAO; e) a porcentagem de FA2” em relação a FAO; f) a 
conversão X3; g) por que quando você calculou o valor de X3 pela média ponderada o 
valor foi menor do que ele realmente é? Resp. a) X1=0,46; b) X2’=0,65; c) X2’’=0,59; d) 
11,34%; e) 8,85%; f) X3=0,8 
 
V1-PFR
V2-CSTR
V3-CSTR
FAO FA1
X1
FA3
FA2’
CA1 FA”
FA’
CA’
CA”
FA2”
X2’
X2”
X3