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<p>Elementos de Engenharia das Reações Químicas H. T FOGLER QUARTA EDICAO LTC gen GEN I Online</p><p>Elementos de Engenharia das Reações Químicas Quarta Edição H. SCOTT FOGLER Ame and Catherine Vennema Professor of Chemical Engineering The University of Michigan, Ann Arbor Tradução Verônica Calado Professor Associado - Escola de Química/UFRJ Evaristo C. Biscaia Jr. Professor Titular - Programa de Engenharia Revisão Técnica Frederico W. Tavares Professor Titular - Escola de Química/UFRJ LTC gen</p><p>O autor e a editora empenharam-se para citar adequadamente e dar o devido crédito a todos os detentores dos direitos autorais de qualquer material utilizado neste livro, dispondo-se a possíveis acertos caso, inadvertidamente, a identificação de algum deles tenha sido omitida. Não é responsabilidade da editora nem do autor eventuais danos ou perdas a pessoas ou bens que tenham origem no uso desta publicação. Authorized translation from the English language edition, entitled ELEMENTS OF CHEMICAL REACTION ENGINEERING, 4th Edition by H. SCOTT FOGLER, published by Pearson Education, Inc., publishing as Prentice Hall, Copyright 2006 by Pearson Education, Inc. All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage retrieval system, without permission from Pearson Education, Inc. PORTUGUESE language edition published by LTC-LIVROS TÉCNICOS E CIENTÍFICOS EDITORA S.A. Copyright 2009. Tradução autorizada da edição em língua inglesa intitulada ELEMENTS OF CHEMICAL REACTION 4th Edition by H. SCOTT FOGLER, published by Pearson Education, Inc., publishing as Prentice Hall, Copyright 2006 by Pearson Education, Inc. Reservados todos os direitos. Nenhuma parte deste livro pode ser reproduzida ou transmitida sob quaisquer formas ou por quaisquer meios, eletrônico ou mecânico, incluindo fotocópia, gravação, ou por qualquer sistema de armazenagem e recuperação de informações sem permissão da Pearson Education, Inc. Edição em língua PORTUGUESA publicada por LTC-LIVROSTÉCNICOS ECIENTÍFICOS EDITORA S.A. Copyright © 2009. Direitos exclusivos para a língua portuguesa Copyright 2009 by LTC - Livros Técnicos e Científicos Editora S.A. Uma editora integrante do GEN Grupo Editorial Nacional Reservados todos os direitos. É proibida a duplicação ou reprodução deste volume, no todo ou em parte, sob quaisquer formas ou por quaisquer meios (eletrônico, mecânico, gravação, fotocópia, distribuição na internet ou outros), sem permissão expressa da Editora. Travessa do Ouvidor, 11 Rio de Janeiro, RJ - CEP 20040-040 Tel.: :21-3543-0770/11-5080-0770 Fax: 21-3543-0896 ltc@grupogen.com.br www.ltceditora.com.br Capa: Bernard Design Editoração Eletrônica: APX COMUNICAÇÃO VISUAL LTDA CIP-BRASIL. CATALOGAÇÃO-NA-FONTE SINDICATO NACIONAL DOS EDITORES DE LIVROS, RJ. F691e 4.ed. Fogler, H. Scott, 1939- Elementos de engenharia das reações químicas / H. Scott Fogler ; tradução Verônica Calado, Evaristo C. Biscaia Jr. ; revisão técnica Frederico W. Tavares. - 4.ed. - Rio de Janeiro : LTC, 2009. Tradução de: Elements of chemical reaction engineering, 4rd ed. Apêndice Inclui bibliografia e índice ISBN 978-85-216-1716-7 1. Reatores químicos. I. Título. 09-4088. CDD: 660.28 CDU: 66.02</p><p>Dedicado à memória dos Professores Giuseppe Parravano Joseph J. Martin Donald L. Katz da University of Michigan cujos padrões e conquistas ao longo de suas vidas nos servem de inspiração</p><p>Sumário PREFÁCIO xvii 1 BALANÇOS MOLARES 1 1.1 A Velocidade de Reação, 3 1.2 A Equação Geral de Balanço Molar 6 1.3 Reatores em Batelada 8 1.4 Reatores com Escoamento Contínuo 9 1.4.1 Reator de Tanque Agitado 10 1.4.2 Reator Tubular 11 1.4.3 Reator de Leito com Recheio 13 1.5 Reatores Industriais 16 Resumo 19 Material do CD-ROM 20 Questões e Problemas 22 Leitura Suplementar 28 2 CONVERSÃO E DIMENSIONAMENTO DE REATORES 29 2.1 Definição de Conversão 29 2.2 Equações de Projeto para o Reator em Batelada 30 2.3 Equações de Projeto para Reatores com Escoamento Contínuo 32 2.3.1 CSTR (também conhecido como Reator ou Tanque de Retromistura) 34 2.3.2 Reator Tubular com Escoamento Contínuo (PFR) 34 2.3.3 Reator de Leito Fixo 35 2.4 Aplicações das Equações de Projeto para Reatores com Escoamento Contínuo 35 2.5 Reatores em Série 42 2.5.1 CSTRs em Série 43 2.5.2 PFRs em Série 46 2.5.3 Combinações de CSTRs e PFRs em Série 47 2.5.4 Comparando os Volumes e Seqüenciamentos dos Reatores CSTR e PFR 51 2.6 Algumas Definições Adicionais 51 2.6.1 Tempo Espacial 51 2.6.2 Velocidade Espacial 53 Resumo 54 Materiais do CD-ROM 56 Questões e Problemas 57 Leitura Suplementar 61</p><p>viii Sumário 3 LEIS DE VELOCIDADE E ESTEQUIOMETRIA 62 PARTE 1 Leis de Velocidade 62 3.1 Definições Básicas 62 3.1.1 Velocidades Relativas de Reação 63 3.2 A Ordem de Reação e a Lei de Velocidade 64 3.2.1 Modelos de Lei de Potência e Leis de Velocidade Elementares 64 3.2.2 Leis de Velocidade Não-Elementares 68 3.2.3 Reações Reversiveis 69 3.3 A Constante de Velocidade de Reação 72 3.4 Situação Presente de Nossa Abordagem para o Dimensionamento e Projeto de Reator 77 PARTE 2 Estequiometria 78 3.5 Sistemas em Batelada 78 3.5.1 Equações das Concentrações em Sistemas em Batelada 80 3.5.2 Sistemas de Reação em Batelada a Volume Constante 81 3.6 Sistemas com Escoamento Contínuo 83 3.6.1 Equações para Concentrações em Sistemas com Escoamento Contínuo 84 3.6.2 Concentrações em Fase 84 3.6.3 Variação do Número Total de Mols com a Reação em Fase Gasosa 85 Resumo 98 Materiais no CD-ROM 100 Questões e Problemas 103 Leitura Suplementar 112 4 PROJETO DE REATORES ISOTÉRMICOS 114 PARTE Balanços Molares em Termos de Conversão 115 4.1 Estrutura de Projeto para Reatores Isotérmicos 115 4.2 Aumento de Escala (Scale-Up) de Dados de Reatores em Batelada em Fase Líquida para o Projeto de um CSTR 117 4.2.1 Operação em Batelada 117 4.3 Projetos de Reatores Contínuos de Tanque Agitado (CSTRs) 125 4.3.1 Um Único CSTR 125 4.3.2 CSTRs em Série 126 4.3.3 CSTRs em Paralelo 128 4.3.4 Uma Reação de Segunda Ordem em um CSTR 129 4.4 Reatores Tubulares 134 4.5 Queda de Pressão em Reatores 139 4.5.1 Queda de Pressão e a Lei de Velocidade 140 4.5.2 Escoamento Através de um Leito Fixo 141 4.5.3 Queda de Pressão em Tubos 144 4.5.4 Solução para a Reação com Queda de Pressão 147 4.5.5 Reatores Esféricos de Leito Fixo 155 4.6 Sintetizando o Projeto de uma Planta Química 155 PARTE 2 Balanços Molares Escritos em Termos de Concentração e de Vazões Molares 157 4.7 Balanços Molares para Reatores CSTRs. PFRs, PBRs e em Batelada 157 4.7.1 Fase 157 4.7.2 Fase Gasosa 159 Microrreatores 160 4.9 Reatores com Membranas 164</p><p>Sumário ix 4.10 Operação em Regime Transiente em Reatores Agitados 170 4.10.1 Partida de um CSTR 171 4.10.2 Reatores em Semibateladas 172 4.10.3 Escrevendo as Equações de Reatores em Semibateladas em Termos de Concentrações 173 4.10.4 Escrevendo as Equações para Reatores em Semibatelada em Termos da Conversão 176 4.11 O Lado Prático 178 - Resumo 180 Algoritmo do Solver de EDO 181 Material do CD-ROM 182 Questões e Problemas 185 Algumas Considerações sobre como Criticar o que Você Lê 198 Problemas Envolvendo Análises Críticas de Artigos 198 Leitura Suplementar 200 5 AQUISIÇÃO E ANÁLISE DOS DADOS CINÉTICOS 201 5.1 Algoritmo de Análise dos Dados Cinéticos 202 T 5.2 Dados do Reator em Batelada 203 T 5.2.1 Método Diferencial de Análise 204 5.2.2 Método Integral 212 5.2.3 Regressão Não-Linear 215 5.3 Método das Velocidades Iniciais 221 T 5.4 Método das Meias-Vidas 223 5.5 Reatores Diferenciais 224 5.6 Planejamento de Experimentos 230 5.7 Avaliação dos Reatores de Laboratório 231 5.7.1 Critérios 231 5.7.2 Tipos de Reatores 231 5.7.3 Resumo das Classificações dos Reatores 232 Resumo 232 Material do CD-ROM 233 Questões e Problemas 234 Problemas Envolvendo Análises Críticas de Artigos 241 Leitura Suplementar 243 6 REAÇÕES MÚLTIPLAS 244 6.1 Definições 244 6.1.1 Tipos de Reações 244 6.2 Reações Paralelas 248 H 6.2.1 Maximizando o Produto Desejado para um Reagente 249 6.2.2 Seleção de Reatores € Condições Operacionais 254 6.3 Maximizando o Produto Desejado em Reações em Série 257 6.4 Algoritmo para Solução de Reações Complexas 262 6.4.1 Balanços Molares 262 6.4.2 Velocidades Resultantes de Reação 263 6.4.3 Estequiometria: Concentrações 269 6.5 Reações Múltiplas em um PFR/PBR 269 6.6 Reações Múltiplas em um CSTR 276 6.7 Reatores com Membranas para Melhorar a Seletividade em Reações Múltiplas 278</p><p>Sumário X 6.8 Reações Complexas da Oxidação da Amônia 282 6.9 Resolvendo Todas as Situações 286 6.10 A Parte Divertida 286 Resumo 287 Material do CD-ROM 289 Questões e Problemas 290 Problemas Envolvendo Análises Críticas de Artigos 299 Leitura Suplementar 302 7 MECANISMOS E CAMINHOS DE REAÇÕES, BIORREAÇÕES E BIORREATORES 303 7.1 Intermediários Ativos e'Leis de Velocidade Não-Elementares 303 7.1.1 Hipótese de Estado Pseudo-Estacionário (HEPE) 305 7.1.2 Buscando o Mecanismo 307 7.1.3 Reações em Cadeia 310 7.1.4 Rotas de Reação 314 7.2 Fundamentos de Reações Enzimáticas 316 7.2.1 O Complexo Enzima-Substrato 317 7.2.2 Mecanismos 318 7.2.3 Equação de Michaelis-Menten 320 7.2.4 Cálculos para o Reator em Batelada de Reações Enzimáticas 324 7.3 Inibição das Reações Enzimáticas 328 7.3.1 Inibição Competitiva 328 7.3.2 Inibição Acompetitiva 330 7.3.3 Inibição Não-Competitiva (Inibição Mista) 331 7.3.4 Inibição pelo Substrato 332 7.3.5 Sistemas com Múltiplas Enzimas e Substratos 333 7.4 Biorreatores 334 7.4.1 Crescimento Celular 337 7.4.2 Leis de Velocidade 338 7.4.3 Estequiometria 339 Balanços de Massa 343 7.4.5 Quimiostatos 346 7.4.6 Equações de Projeto 347 7.4.7 Arraste 348 7.4.8 Crescimento Limitado por Oxigênio 349 7.4.9 Ampliação de Escala 350 7.5 Modelos Farmacocinéticos com Fundamentação Fisiológica 350 Resumo 357 Material do CD-ROM 359 Questões e Problemas 362 Problemas Envolvendo Análises Críticas de Artigos 374 Leitura Suplementar 376 PROJETO DE REATORES EM ESTADO ESTACIONÁRIO 377 8 8.1 Análise Racional 377 8.2 O Balanço de Energia 379 8.2.1 Primeira Lei da Termodinâmica 379 8.2.2 Avaliando o Termo de Trabalho 380 8.2.3 Visão Geral dos Balanços de Energia 381 8.2.4 Detalhando as Vazões Molares em Estado Estacionário para Obter o Calor de Reação 384</p><p>Sumário xi 8.2.5 Detalhando as Entalpias 385 8.2.6 Relacionando 387 8.3 Operação Adiabática 389 8.3.1 Balanço de Energia em Processos Adiabáticos 389 8.3.2 Reator Tubular Adiabático 390 8.4 Reator Tubular em Estado Estacionário com Transferência de Calor 397 8.4.1 Deduzindo o Balanço de Energia para um PFR 397 - 8.4.2 Balanço para o Fluido Refrigerante na Troca de Calor 400 - 8.5 Conversão de Equilíbrio 411 8.5.1 Temperatura Adiabática e Conversão de Equilíbrio 411 8.5.2 Temperatura Ótima de Alimentação 417 8.6 CSTR com Efeitos Térmicos 418 8.6.1 Calor Adicionado ao Reator, Q 419 8.7 Múltiplos Estados Estacionários 428 8.7.1 Termo de Calor, R(T) 428 8.7.2 Calor de Geração, G(T) 429 8.7.3 Curva de Ignição-Extinção 430 8.7.4 Reações Fora de Controle em um CSTR 432 8.8 Reações Químicas Múltiplas Não-Isotérmicas 435 8.8.1 Balanço de Energia para Reações Múltiplas em Reatores com 1 Escoamento Empistonado 435 T 8.8.2 Balanço de Energia para Reações Múltiplas em CSTR 438 8.9 Variações Radial e Axial em um Reator Tubular 441 8.10 O Lado Prático 449 F Resumo 450 Material do CD-ROM 452 Questões e Problemas 454 5 Problemas Envolvendo Análises Críticas de Artigos 471 Leitura Suplementar 472 9 PROJETO DE REATORES EM ESTADO NÃO-ESTACIONÁRIO 473 9.1 O Balanço de Energia em Estado Não-Estacionário 473 9.2 Balanço de Energia para Reatores em Batelada 475 AT 9.2.1 Operação Adiabática de um Reator em Baielada 476 9.2.2 Reator em Batelada com Interrupção da Operação Isotérmica 480 9.2.3 Segurança do Reator: Uso da FAMSR para Determinar E e para Dimensionar Válvulas de Alívio de Pressão 485 9.3 Reatores em Semibatelada com Trocador de Calor 493 9.4 Operação Não-Estacionária de um CSTR 497 9.4.1 Partida 497 9.4.2 Afastamento do Estado Estacionário 501 9.5 Reações Múltiplas Não-Isotérmicas 503 9.6 Operação Não-Estacionária de Reatores com Escoamento Empistonado 505 Resumo 506 Material do CD-ROM 507 Questões e Problemas 510 Leitura Suplementar 519 10 CATÁLISE E REATORES CATALÍTICOS 521 10.1 Catalisadores 521 10.1.1 Definições 522</p><p>xii Sumário 10.1.2 Propriedades de Catalisadores 523 10.1.3 Classificação de Catalisadores 527 10.2 Etapas de uma Reação Catalítica 529 10.2.1 Etapa 1 Visão Geral: Difusão do Seio do Fluido para a Superficie Externa do Catalisador 531 10.2.2 Etapa 2 Visão Geral: Difusão Interna 532 10.2.3 Isotermas de Adsorção 533 10.2.4. Reação na Superficie 537 10.2.5 Dessorção 538 10.2.6 A Etapa Limitante de Velocidade 539 10.3 Sintetizando uma Lei de Velocidade, um Mecanismo e uma Etapa Limitante de Velocidade 541 10.3.1 A Etapa de Adsorção do Cumeno É a Limitante de Velocidade? 543 10.3.2 A Reação na Superficie É a Etapa Limitante da Reação? 545 10.3.3 A Dessorção do Benzeno É a Etapa Limitante da Velocidade? 546 10.3.4 Resumo da Decomposição do Cumeno 548 10.3.5 Catalisadores para a Reação de Reforma 549 10.3.6 Leis de Velocidade Deduzidas a Partir da Hipótese de Estado Pseudo-Estacionário 552 10.3.7 Dependência da Temperatura na Lei de Velocidade 554 10.4 Análise de Dados para Projeto de Reator Heterogêneo 554 10.4.1 Deduzindo a Lei de Velocidade a Partir de Dados Experimentais 556 10.4.2 Encontrando um Mecanismo Consistente com Observações Experimentais 557 10.4.3 Avaliação dos Parâmetros da Lei de Velocidade 558 10.4.4 Projeto de Reator 560 10.5 Engenharia das Reações na Fabricação de Microeletrônicos 563 10.5.1 Visão Geral 563 10.5.2 Ataque Químico 564 10.5.3 Deposição Química a Vapor 565 10.6 Discriminação de Modelos 567 10.7 Desativação de Catalisador 570 10.7.1 Tipos de Desativação Catalítica 572 10.7.2 Trajetórias Temperatura-Tempo 581 10.7.3 Reatores de Leito Móvel 583 10.7.4 Reatores de Transporte Ascendente (STTR) 587 Resumo 591 Algoritmo do Solver de EDO 594 Material do CD-ROM 594 Questões e Problemas 596 Problemas Envolvendo Análises Críticas de Artigos 609 Leitura Suplementar 611 11 EFEITOS DA DIFUSÃO EXTERNA SOBRE AS REAÇÕES HETEROGÊNEAS 613 11.1 Fundamentos da Difusão 613 11.1.1 Definições 614 11.1.2 Fluxo Molar 615 11.1.3 Primeira Lei de Fick 616 11.2 Difusão Binária 616 11.2.1 Calculando Fluxo Molar 617 11.2.2 Condições de Contorno 619 11.2.3 Modelando a Difusão sem Reação 620</p><p>Sumário xiii 11.2.4 Dependência de DAB com a Temperatura e Pressão 623 11.2.5 Modelando a Difusão com Reação 624 11.3 Resistência Externa à Transferência de Massa 625 11.3.1 O Coeficiente de Transferência de Massa 625 11.3.2 Coeficiente de Transferência de Massa 626 11.3.3 Correlações para o Coeficiente de Transferência de Massa 627 11.3.4 Transferência de Massa para uma Particula Isolada 629 11.3.5 Reações Limitadas pela Transferência de Massa em Leitos Fixos 632 11.3.6 Roberto, o Preocupado 634 11.4 (Sensibilidade Paramétrica) 638 11.5 OModelo do Encolhimento do Núcleo 642 11.5.1 Regeneração de Catalisadores 642 11.5.2 Farmacocinética Dissolução de Particulas Sólidas Monodispersas 646 Resumo 647 Materiais do CD-ROM 648 Questões e Problemas 649 Leitura Suplementar 656 T 12 DIFUSÃO E REAÇÃO 658 12.1 Difusão e Reação em Partículas Esféricas de Catalisador 659 12.1.1 Difusividade Efetiva 659 T 12.1.2 Dedução da Equação Diferencial Descrevendo Difusão e Reação 660 12.1.3 Escrevendo a Equação na Forma Adimensional 663 12.1.4 Solução da Equação Diferencial para uma Reação de Primeira Ordem 665 12.2 Fator de Efetividade Interna 670 12.3 Cinética Falsificada 673 12.4 Fator de Efetividade Global 675 12.5 Estimação dos Regimes que Definem as Etapas Limitantes: Difusão e Reação 678 12.5.1 Critério de Weisz-Prater para Difusão Interna 678 12.5.2 Critério de Mears para Difusão Externa 680 12.6 Transferência de Massa e Reação em um Leito Fixo 681 12.7 Determinando Situações Limites a Partir de Dados de Reação 685 12.8 Reatores Multifásicos 686 12.8.1 Reatores de Leito de Lama 687 F 12.8.2 Reatores de Leito Gotejante 687 12.8.3 Reatores de Leito Fluidizado 688 12.9 Deposição Química a Vapor (DQV) 688 Resumo 688 Material do CD-ROM 689 Questões e Problemas 691 Problemas Retirados de Revistas 698 Problemas Envolvendo Análises Críticas de Artigos 698 Leitura Suplementar 699 13 DISTRIBUIÇÕES DE TEMPOS DE RESIDÊNCIA PARA REATORES QUÍMICOS 702 13.1 Características Gerais 702 PARTE 1 Caracterização e Diagnóstico 703 13.1.1 Função Distribuição de Tempo de Residência (DTR) 704 0 13.2 Medida da DTR 705 13.2.1 Experimento com Perturbação em Pulso 705</p><p>xiv Sumário 13.2.2 Experimento com Traçador em Degrau 709 13.3 Características da DTR 710 13.3.1 Relações Integrais 711 13.3.2 Tempo de Residência Médio 711 13.3.3 Outros Momentos da DTR 713 13.3.4 Função DTR Normalizada, E 715 13.3.5 Distribuição de Idade Interna, I(a) 716 13.4 DTR em Reatores Ideais 717 13.4.1 DTRs para Reatores em Batelada e com Escoamento Empistonado 717 13.4.2 DTR para um Único CSTR 717 13.4.3 Reator com Escoamento Laminar (LFR) 719 13.5 Diagnóstico e Resolução de Problemas 721 13.5.1 Comentários Gerais 721 13.5.2 Diagnóstico Simples e Resolução de Problemas, Usando a DTR para Reatores Ideais 721 13.5.3 DTR para PFR/CSTR em Série 725 PARTE 2 Prevendo Conversão e Concentração de Saída 729 13.6 Modelagem de Reatores Usando a DTR 729 13.7 Modelos sem Parâmetro 730 13.7.1 Modelo de Segregação 730 13.7.2 Modelo de 739 13.7.3 Comparando as Previsões por Segregação e por Mistura Máxima 745 13.8 Usando Pacotes Computacionais 746 13.8.1 Efeitos Térmicos 749 13.9 DTR e Reações Múltiplas 749 13.9.1 Modelo de Segregação 749 13.9.2 Mistura Máxima 750 Resumo 754 Material do CD-ROM 755 Questões e Problemas 756 Leitura Suplementar 763 14 MODELOS PARA REATORES NÃO-IDEAIS 764 14.1 Roteiro 764 14.1.1 Modelos de Um Parâmetro 766 14.1.2 Modelos com Dois Parâmetros 766 14.2 Modelo de Tanques em Série (T-I-S) 766 14.3 Modelo de Dispersão 772 14.4 Escoamento, Reação e Dispersão 774 14.4.1 Equações de Balanço 774 14.4.2 Condições de Contorno 775 14.4.3 Encontrando e Número de Peclet 777 14.4.4 Dispersão em um Reator Tubular com Escoamento Laminar 777 14.4.5 Correlações para 780 14.4.6 Determinação Experimentação de 781 14.4.7 Alimentações Imperfeitas de Traçador 784 14.5 Modelo de Tanques em Série Versus Modelo de Dispersão 787 14.6 Soluções Numéricas para Escoamentos com Dispersão e Reação 787 14.7 Modelos com Dois Parâmetros Modelagem de Reatores Reais com Combinações de Reatores Ideais 791 14.7.1 CSTR Real Modelado Usando Desvio e Espaço Morto 791</p><p>Sumário XV 14.7.2 CSTR Real Modelado como Dois CSTRs Interconectados 796 14.8 Uso de Pacotes Computacionais para Determinar os Parâmetros do Modelo 798 14.9 Outros Modelos de Reatores Não-Ideais Usando STRs e PFRs 800 14.10 Aplicações à Modelagem Farmacocinética 801 Resumo 802 - Material do CD-ROM 804 Questões e Problemas 804 Leitura Suplementar 813 Apêndice A TÉCNICAS NUMÉRICAS 817 Apêndice B CONSTANTE DOS GASES IDEAIS E FATORES DE CONVERSÃO 823 Apêndice C RELAÇÕES ENVOLVENDO A CONSTANTE DE EQUILÍBRIO 826 Apêndice D MEDIDA DE COEFICIENTES ANGULARES EM PAPEL SEMILOG 831 Apêndice E PACOTES COMPUTACIONAIS 832 Apêndice F NOMENCLATURA 836 Apêndice G DADOS DE LEI DE VELOCIDADE 839 Apêndice H PROBLEMAS COM SOLUÇÕES ABERTAS 840 Apêndice I COMO USAR CD-ROM 843 Apêndice J USO DE PACOTES DE QUÍMICA COMPUTACIONAL 847 ÍNDICE 849</p><p>Prefácio O homem que parou de aprender não deveria ter permissão para vagar distraído nesses dias perigosos. M. M. Coady A. o Público-Alvo Este livro e o CD-ROM do Estudante interativo podem ser usados como texto tanto no ni- vel de graduação como no de pós-graduação em engenharia das reações químicas. O nível dependerá da escolha de capítulos, do material a ser coberto pelo CD-ROM no item Estante com Referências Profissionais (ERP), do tipo e do grau de dificuldade de problemas atri- buídos. B. Os Objetivos B.1. Desenvolver um Entendimento Fundamental de Engenharia das Reações O primeiro objetivo deste livro é capacitar o leitor a desenvolver um entendimento claro dos fundamentos de engenharia das reações químicas (ERQ). Esse objetivo será alcançado pela apresentação de uma estrutura que permita ao leitor resolver problemas de engenharia das reações, pelo raciocínio, em vez da memorização e da lembrança de inúmeras equações e das restrições e condições sob as quais cada equação se aplica. Os algoritmos apresentados no texto para o projeto de reatores fornecem essa estrutura, e os problemas propostos darão a prática no uso dos algoritmos. Os problemas convencionais propostos no final de cada são planejados para reforçar os princípios do capítulo. Esses problemas são pratica- mente divididos igualmente entre aqueles que podem ser resolvidos com uma calculadora e aqueles que requerem um computador pessoal e um pacote computacional numérico, como Polymath, MATLAB ou COMSOL. a Para estabelecer um ponto de referência de como o nível de entendimento de ERQ é requerido na profissão, são incluídos no texto¹ alguns problemas de reações químicas prove- A permissão para uso desses problemas que, a propósito, podem ser obtidos a partir da Seção de Docu- mentos, Conselho de Registro da Califórnia para Engenheiros Civis e Profissionais Engenharia Qui- mica, 1004 6th Street, Sacramento, CA 95814, é grandemente agradecida. (Nota: Os direitos de cópia desses problemas pertencem ao Conselho de Registro da Califórnia e não podem ser reproduzidos sem sua permissão.)</p><p>xviii Prefácio nientes dos Exames de Engenharia Química (EEQ), do Conselho de Registro da Califórnia para Engenheiros Civis e Profissionais. Tipicamente, esses problemas devem requerer, cada um, aproximadamente 30 minutos para resolução. Finalmente, o CD-ROM do Estudante deve facilitar sobremaneira a aprendizagem dos fundamentos de ERQ, uma vez que ele inclui notas com resumo dos capítulos, exemplos adicionais, deduções expandidas (Derive) e autotestes (Self Test). Uma descrição completa desses recursos de aprendizagem é dada na seção "A Integração entre o Texto e o CD-ROM do Estudante", apresentada neste Prefácio. B.2. Desenvolver Habilidades do Raciocínio Crítico Um segundo objetivo é aumentar as habilidades do raciocínio crítico. Alguns problemas pro- postos foram incluídos planejada para essa finalidade. O questionamento socrático está no coração do raciocínio crítico, e alguns problemas propostos são retirados dos seis tipos de questões de W. Paul, mostrados na Tabela P-1. TABELA P-1 TIPOS DE PERGUNTAS SOCRÁTICAS (1) Perguntas para Por que você diz isso? Como isso se relaciona com nossa discussão? "Você vai incluir difusão em suas equações de balanço molar?" (2) Perguntas que examinam suposições: O que poderíamos supor em vez disso? Como você pode verificar ou desaprovar aquela suposição? "Por que você está desprezando difusão radial e incluindo somente difusão axial?" (3) Perguntas que examinam razões e evidência: Qual seria um exemplo? "Você acha que a difusão é responsável pela baixa conversão?" (4) Perguntas acerca dos pontos de vista e perspectivas: Qual seria uma alternativa? "Com todas as curvas no tubo, a partir de um ponto de vista industrial/prático, você acha que a difusão e dispersão serão grandes o suficiente para afetar a conversão?" (5) Perguntas que examinant implicações e Quais as generalizações que você pode fazer? Quais são as daquela suposição? "Como nossos resultados seriam afetados se negligenciássemos a difusão?" (6) Perguntas acerca da pergunta: Qual foi o objetivo dessa pergunta? Por que você imagi- na que eu fiz essa pergunta? "Por que você pensa que a difusão é importante?" Scheffer e expandem a prática das habilidades do raciocínio crítico discutido por R Paul, usando as atividades, afirmações e questões mostradas na Tabela P-2. W. Paul, Critical Thinking (Santa Rosa, Foundation for Critical Thinking, 1992). de B.K. Scheffer e M.G. Rubenfeld, "A Consensus Statement on Critical Thinking in Nursing", Journal of Nursing Education, 39, 352-9 (2000). de B. Scheffer e M. G. Rubenfeld, "Critical What It and How Do We Teach Current Issues in Nursing (2001).</p><p>Prefácio xix TABELA P-2 HABILIDADES DO RACIOCÍNIO Analisando: separar ou quebrar o todo em partes para descobrir sua natureza, função e relações "Eu estudei parte por parte." "Eu separei as coisas." Aplicando Padrões: julgar de acordo com as regras ou critérios pessoais, profissionais ou sociais estabelecidos "Eu julguei isso de acordo com ..." Discriminando: reconhecer diferenças e similaridades entre coisas ou situações e distinguir cuidadosamente por categoria ou classe "Eu classifiquei os vários "Eu agrupei itens juntos." Procurando Informações: procurar por evidência, fatos ou conhecimento pela identificação de fontes relevantes e pela coleta de dados objetivos, subjetivos, históricos e atuais a partir daquelas fontes "Eu sabia que precisava pesquisar/estudar "Eu continuei procurando os dados." Raciocínio Lógico: inferir ou tirar conclusões que são suportadas ou justificadas por T evidência 7 "Eu deduzi a partir da informação de que "Minha análise racional para a conclusão foi " Prevendo: visualizar um plano e suas "Eu visualizei que o resultado seria "Eu estava preparado para " Transformando Conhecimento: mudar ou converter a condição, natureza, forma ou função de conceitos entre contextos "Eu melhorei nos fundamentos "Eu fiquei se aquilo ajustaria a situação de ..." Percebi que a melhor maneira para desenvolver e praticar as habilidades do raciocínio crítico é usar as Tabelas P-1 e P-2, de modo a ajudar os estudantes a escrever uma questão em qual- quer problema proposto especificado e então explicar por que a questão envolve raciocínio crítico. Mais informação sobre raciocínio crítico pode ser encontrada no CD-ROM do Estu- dante na seção Resolução de Problemas. B.3. Desenvolver Habilidades do Raciocínio Criativo O terceiro objetivo deste livro é ajudar a desenvolver habilidades de raciocínio criativo. Esse objetivo será alcançado usando problemas com vários graus de solução aberta. Aqui, os estu- dantes podem praticar suas habilidades criativas explorando os exemplos, como delineado no começo dos problemas propostos de cada capítulo, e compondo e resolvendo um problema original. Problema P4-1 fornece algumas diretrizes para desenvolver problemas originais. Algumas técnicas, que podem ajudar os estudantes na prática e no aumento de sua criativi- dade, podem ser encontradas em Fogler e LeBlanc5 e na seção Reflexões sobre a Resolução de Problemas no CD-ROM do Estudante e na página da Web Usaremos essas técnicas, tais como a lista de verificação de Osborn e o raciocínio lateral de Bono (que considera a visão de outras pessoas e responde a uma simulação aleatória), para responder às questões adicionais, como aquelas na Tabela P-3. S. Fogler e S. E. LeBlanc, Strategies for Creative Problem Solving (Upper Saddle River, N.J.: Prentice Hall, 1995).</p><p>XX Prefácio TABELA P-3 PRATICANDO RACIOCÍNIO CRIATIVO (1) Fórum de discussão de idéias para perguntar outra questão ou sugerir um outro cálculo que pode ser feito para esse problema proposto. (2) Fórum de discussão relativo a maneiras de como você poderia trabalhar incorretamente esse problema proposto. (3) Fórum de discussão relativo a maneiras de como tornar esse problema mais fácil ou mais dificil ou mais excitante. (4) Fórum de discussão para criação de uma lista de coisas que você aprendeu, decorrente da resolução do problema proposto e o que você pensa sobre qual é o ponto do problema. (5) Fórum de discussão para criação de uma lista de razões pelas quais seus cálculos pre- viram uma conversão maior do que aquela medida quando o reator estava na corrente. Considere que você não cometeu erros numéricos em seus cálculos. (6) Perguntas do tipo "E se...": As questões "E se..." são particularmente efetivas quando usadas com Problemas Práticos, em que se variam os parâmetros para explorar o problema e realizar uma análise de sensibilidade. Por exemplo, se alguém sugerisse que você deveria dobrar o diâmetro da de catalisador, o que você diria? Um dos principais objetivos no nível de graduação é trazer os estudantes ao ponto em que eles podem resolver problemas com reações complexas, tais como reações múltiplas com efeitos térmicos e então se perguntarem "E se..." e procurarem as condições ótimas ope- racionais. Um problema cuja solução exemplifica esse objetivo é a Fabricação de Estireno, Problema P8-26. Esse problema é particularmente interessante porque duas reações são en- dotérmicas e uma é exotérmica. (1) Etilbenzeno Estireno + Hidrogênio: (2) Etilbenzeno Benzeno + Etileno: Endotermica (3) Etilbenzeno + Hidrogênio Tolueno + Metano: Exotérmica Para resumir a Seção B, a experiência do autor mostra que as habilidades críticas e criativas podem ser aumentadas pelo uso das Tabelas P-1, P-2 e P-3, de modo a estender qualquer um dos problemas propostos no final de cada capítulo. C. A Estrutura A estratégia por trás da apresentação do material é construir continuamente, a partir de poucas idéias básicas em engenharia das reações químicas, uma estrutura para resolver uma ampla variedade de problemas. Essas idéias, referidas como os Pilares da Engenharia das Reações são o alicerce em que diferentes aplicações repousam. Os pilares que sustentam a aplicação da engenharia das reações químicas são mostrados na Figura MÚLTIPLAS OPERAÇÕES DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA OPERAÇÃO ESTACIONÁRIOS MÚLTIPLOS MODELAGEM DE REATORES DTR (DISTRIBUIÇÃO DE TEMPO DE SEGREGAÇÃO ANÁLISE DOS DADOS DE REATORES DE LABORATÓRIO, ANÁLISE PDR MÍNIMOS QUADRADOS PROJETO DE REATORES QUÍMICOS, PFR, CSTR, BATELADA, LEITOS COM RECHEIO E B D A E S A 1 D T L F A S E N S S Figura P-1 Pilares da Engenharia das Reações</p><p>Prefácio xxi A partir desses pilares, nosso algoritmo ERQ: Balanço de mois + Leis de velocidade + Estequiometria + Balanço de energia + Combinação Com algumas restrições, os assuntos deste livro podem ser estudados, praticamente, em qualquer ordem depois que os estudantes tenham dominado os quatro primeiros los. Um fluxograma mostrando os caminhos possíveis pode ser visto na Figura P-2. CAP BALANÇOS MOLARES 2 CONVERSÃO DE REATORES LEIS DE VELOCIDADE E ESTEQUIOMETRIA CAF 4 PROJETO DE REATORES CAP CAP AQUISIÇÃO E CAP EFEITOS 10 13 ANÁLISE DDS REAÇÕES TÉRMICOS CATÁLISE E DISTRIBUIÇÃO MÚLTIPLAS E BIORREATORES EM ESTADO REATORES DADOS DE TEMPOS OF CATALÍTICOS RESIDÊNCIA CAP - CAP EFEITOS EFEITOS DA 14 TÉRMICOS DIFUSÃO REATORES EM REGIME EXTERNA TRANSIENTS SEÇÕES 8.8 CAP DIFUSÃO EM Figura P-2 Seqüências MULTIPLAS RES COM EFEITOS PDROSOS para estudar o texto. TÉRMICOS A Tabela P-4 mostra exemplos de tópicos que podem ser cobertos em um curso de pós-graduação e em um curso de graduação. Em um curso de graduação de quatro horas se- manais na University of Michigan, aproximadamente oito capítulos são cobertos na seguinte Capítulos 1, 2, 3, 4 e 6; Seções 5.1-5.3; e Capítulos 7, 8 e partes do Capítulo 10. TABELA P-4 CAMPO DE ATUAÇÃO DA ERQ NA Material/Curso para Graduação Material/Curso para Pós-Graduação Balanços Molares (Cap. 1) Curta Revisão (Caps. 1-4, 6, 8) Nevoeiro na Bacia de Los Angeles (ERP Cap.1) Teoria da Colisão (ERP Cap. 3) O Reator em Cena (Cap. 2) Teoria do Estado de Transição (ERP Cap. 3) Estômago de Hipopótamo (ERP Cap. 2) Dinâmica Molecular (ERP Cap. 3) Leis de Velocidade (Cap. 3) Reatores com Aerossóis (ERP Cap. 4) Estequiometria (Cap. 3) Reações Múltiplas (Cap. 6): Reatores (Cap. 4): Reatores com Membranas Alimentados Batelada, PFR, PBR Semibatelada, Membrana Biorreações e Reatores (Cap. 7, ERP 7.3, 7.4, 7.5) Análise de Dados: Regressão (Cap. 5) Polimerização (ERP Cap. 7) Reações Múltiplas (Cap. 6) Trocador de Calor Co-Corrente e Contracorrente (Cap. 8) Coagulação do Sangue (NP Cap. 6) Gradientes Radial e Axial em um PFR, COMSOL (Cap. 8) Engenharia de Biorreações (Cap. 7) Estabilidade e Segurança em Reator (Caps. 8, 9, ERP 9.3) Efeitos Térmicos em Estado Estacionário (Cap. 8): Reações Fora de Controle (ERP Cap. 8) PFR e CSTR com e sem um Trocador de Calor Desativação de Catalisador (Cap. 10) Estados Estacionários Distribuição de Tempos de Residência (Cap. 13) Efeitos Térmicos em Regime Transiente (Cap. 9) Modelos de Reatores Reais (Cap. 14) Segurança em Reatores (Cap. 10) Aplicações (ERP): Reatores Reatores DQV, Biorreatores</p><p>xxii Prefácio O leitor observará que, embora unidades métricas sejam usadas prioritariamente neste texto (por exemplo, J/mol), uma variedade de outras unidades também é emprega- da (por exemplo, Isso é intencional! Acreditamos que enquanto a maioria dos traba- lhos publicados hoje em dia usa o sistema métrico, uma quantidade significante de dados de engenharia das reações existe na literatura mais antiga nas unidades inglesas. Pelo fato de que os engenheiros deparar-se-ão com informação e dados de velocidade de reação de literatura antiga assim como de literatura recente, eles devem ter igualmente facilidade com unidades inglesas e métricas. As notas nas margens servem a duas finalidades: atuar como guias ou como comentá- rio, à medida que se lê o material, e ainda identificar equações e relações-chave usadas para resolver problemas de engenharia das reações químicas. D. Os Componentes do CD-ROM do Estudante* O CD-ROM do Estudante é uma parte nova e ímpar deste livro. A principal finalidade do CD-ROM é servir como fonte de enriquecimento e como uma estante com referências profis- sionais. A página da para o CD-ROM e o site na Web ERQ fogler&gurmen) são mostrados na Figura P-3. SCOTT CD-ROM do Estudante FOGLER & M NIHAT GÜRMEN Education GENILTO Editora Figura P-3 Tela da página da Web do CD-ROM do Os objetivos do CD-ROM são três: (1) facilitar a aprendizagem de ERQ, direcionando o es- tudante interativamente para o Índice Felder/Soloman de Estilos de nas Notas com Resumo, nos exemplos adicionais, os Módulos Computacionais Interativos (MCIs) e nos Módulos da Web; (2) fornecer material técnico adicional para a estante com referências profissionais; (3) fornecer outras informações tutoriais, exemplos, deduções e autotestes, tais como considerações adicionais na resolução de problemas, o uso de pacotes computacionais de engenharia das reações químicas e estruturas representativas do curso. Os seguintes com- ponentes são listados no final da maioria dos capítulos e podem ser acessados a partir de cada capítulo no CD-ROM do *0 conteúdo do CD-ROM do Estudante e do site do autor permanecerão em inglês. (N.E.)</p><p>Prefácio xxiii Recursos de Aprendizagem Os Recursos de Aprendizagem fornecem uma visão geral do material em cada capítulo e provêem explicações, exemplos e aplicações extras para reforçar os conceitos básicos de engenharia das reações químicas. Os recursos de aprendizagem no CD-ROM incluem o seguinte: 1. Notas com Resumo Notas com Resumo Notas com Resumo fornece uma visão geral de cada capítulo e provêem, quando ne- cessário, exemplos adicionais, deduções e comentários com áudio tão bem quanto os autotestes para avaliar o entendimento de cada leitor sobre o material. 2. Módulos da Web Os Módulos da Web, que aplicam conceitos-chave para problemas-padrão e problemas Módulos da web não-convencionais de engenharia das reações (por exemplo, o uso de pântanos para degradar compostos químicos tóxicos, picadas de cobra), podem ser carregados direta- mente a partir do CD-ROM. Espera-se que novos Módulos da Web (www.engin.umich. sejam adicionados nos próximos anos. Módulos 3. Módulos Computacionais Interativos (MCIs) Os estudantes acham os Módulos Computacionais Interativos divertidos e extremamen- te úteis para rever os conceitos importantes dos capítulos e então aplicá-los a problemas reais de uma maneira e agradável. Além de ter atualizado todos os MCIs da últi- Computacionais ma edição, dois novos módulos, A Grande Corrida (Cap. 6) e Homem Enzima (Cap. 7), Interativos foram adicionados. A seguir, o conjunto completo de 11 módulos: Festival de Perguntas (Cap. 1) A Grande Corrida (Cap. 6) O Reator em Foco (Cap. 2) Homem Enzima (Cap. 7) Festival de Perguntas II (Cap. 3) Efeitos Térmicos I (Cap. 8) Mistério do Assassinato (Cap. 4) Efeitos Térmicos II (Cap. 8) Jogo da Velha (Cap. 4) Catálise (Cap. 10) Ecologia (Cap. 5) 4. Problemas Resolvidos Alguns problemas resolvidos são apresentados, juntamente com a heurística de resolu- Problemas Resolvidos ção de problemas. Estratégias de resolução de problemas e exemplos adicionais traba- estão disponíveis na seção Resolução de Problemas do CD-ROM. Problemas Práticos Uma cópia do programa Polymath é fornecida no CD-ROM do Estudante para ser usado na resolução dos problemas propostos. Os problemas que usam um pacote para resolver (Sol- ver) EDO - equação diferencial ordinária (por exemplo, Polymath) são referidos como "problemas práticos", uma vez que os estudantes podem carregar diretamente o programa Problema Prático Polymath em seus computadores para resolvê-los. Os estudantes são incentivados a mudar os valores dos parâmetros e a "brincar com" as variáveis e o Uso dos Problemas Práticos dá aos estudantes a oportunidade de treinar habilidades do raciocínio crítico e criativo, à medida que exploram o problema e se perguntam Estante com Referências Profissionais Esta seção do CD-ROM contém 1. Material que estava nas edições anteriores (por exemplo, polimerização, reatores de lama e reatores com deposição de vapores químicos) que foi omitido da versão impressa Estante com Referências da quarta edição. 2. Novos tópicos, tais como teorias da colisão e do estado de transição, reatores com aerossóis, TFD* e reações fora de controle, que são comumente encontrados em cursos de pós-graduação. 3. Material importante para o engenheiro profissional, tais como detalhes do projeto de reatores industriais para a oxidação de e projeto de reatores e outros materiais tipicamente não-incluídos na dos cursos de engenharia das reações Teoria do Funcional da (N.T.)</p><p>xxiv Prefácio Ferramentas do Pacote Computacional no CD-ROM* Polymath. O pacote computacional Polymath inclui um programa que resolve equação dife- rencial ordinária (EDO), equação não-linear eregressão não-linear. Assim como nas edições anteriores, Polymath foi incluído nesta edição para explorar os exemplos e resolver os proble- mas propostos. Uma página especial na Web para o Polymath (www.polymath-software.com/ fogler) foi criada, para este livro pelos autores do Polymath, Cutlip e Essa página fornece informações sobre como obter uma versão atualizada de Polymath com COMSOL.** O pacote computacional COMSOL Multifísica (referido em todo o livro como COMSOL) inclui um programa que resolve equação diferencial parcial. Esta edição inclui uma versão especialmente preparada do COMSOL em seu próprio CD-ROM. Com o programa COMSOL, os estudantes podem visualizar perfis axial e radial de temperatura e de concentração. Cinco dos módulos de COMSOL são: Operação isotérmica Operação adiabática Efeitos térmicos com temperatura constante do fluido de troca térmica Efeitos térmicos com temperatura variável no trocador de calor Dispersão com Reação usando as Condições de Contorno de Danckwerts (dois casos) Tal como ocorre com os programas de Polymath, os parâmetros de entrada podem ser variados para se aprender como eles alteram os perfis de temperatura e de concen- tração. São incluídas instruções não somente de como usar os pacotes computacionais de Polymath, MATLAB e COMSOL, mas também de como aplicar ASPEN PLUS na resolução de pro- blemas de Tutoriais com imagens detalhadas das telas dos programas são fornecidos para Polymath e COMSOL. Outros Recursos do CD-ROM FAQ As perguntas mais (FAQ do inglês Frequently Asked Questions) são uma compilação de questões coletadas durante anos, provenientes de estudantes de gradu- ação que fizeram o curso de engenharia das reações. Resolução de Problemas. Nesta seção, os raciocínios crítico e criarivo são discutidos, jun- tamente com o que fazer se você não conseguir resolver um problema. Enciclopédia Visual de Equipamentos (Visual Encyclopedia of contida nas Se- ções Estante com Referências Profissionais e Softwares Adicionais desenvolvida pela Dra. Susan Montgomery, da University of Michigan. Nela, são fornecidas grande quantidade de fotografias e descrições de reatores reais e Os estudantes serão particularmente beneficiados com esta seção por meio de estilos visuais, ativos, sensíveis e intuitivos de aprendizagem do Índice Felder/Soloman. Laboratório de Reatores (Reactor Lab), inserido na Seção Softwares Adicionais, desen- volvido pelo Professor Richard Herz, da University of California, em San Diego. Esse tipo de ferramenta interativa permitirá aos estudantes não somente testar sua compreensão de ERQ, como também explorar situações e combinações diferentes de ordens e tipos de reações. Exemplos de Engenharia Verde, inseridos em problemas de engenharia verde para prati- camente cada capítulo, desenvolvidos pelos professores Robert Hesketh, da Rowan Uni- versity, e Martin Abraham, da University of Toledo. Esses problemas podem ser encontra- dos em e acompanham o livro de David Allen e David Shonnard, Green Chemical Environmentally Conscious Design of Chemical Engenharia verde Processes (Prentice Hall, 2002). *Refere-se ao CD-ROM e do Estudante e ao pacote computacional COMSOL (N.E.) nome FEMLAB foi trocado para COMSOL Multiphysics em de julho de 2005.</p><p>Prefácio XXV E. A Integração entre o Texto e CD-ROM do Estudante E.1. o Estudante da Universidade Existem algumas maneiras de você poder usar o CD-ROM em conjunção com o texto. O CD-ROM fornece recursos suplementares para o leitor na forma de tutoriais interativos. Ca- minhos de como usar os materiais para aprender engenharia das reações químicas são mos- trados na Figura P-4. As chaves para fluxogramas de aprendizagem de ERQ incluem os recursos principais e os suplementares: = Recursos primários CD = Recursos de enriquecimento A fim de desenvolverem um entendimento fundamental do material, os estudantes po- dem optar por usar somente os recursos principais sem usar o CD-ROM (isto é, usar apenas os retângulos mostrados na Figura P-4), ou podem usar poucos ou todos os tutoriais interativos do CD-ROM (isto é, os círculos mostrados na Figura P-4). Todavia, com o objetivo de praticar habilidades que agucem os raciocínios crítico e criativo, os estudantes são incentivados a usar os Problemas Práticos e a variar os parâmetros do modelo para se perguntarem "E se Módulos Notas com Computacionais Resumo no Interativos CD-ROM no CD-ROM Notas Livro Problemas de Aula Problema Propostos no CD-ROM Módulos Problemas da Web no FAQ Resolvidos CD-ROM no CD-ROM Figura P-4 Caminho para Estudante Integrar a Aula, o Livro e o CD-ROM. Observe que muito embora o autor recomende estudar os Problemas Práticos antes de traba- lhar os problemas propostos, eles podem ser ignorados, como é o caso de todos os recursos suplementares, se o tempo for curto. No entanto, testes do uso dos recursos suplementares em aula revelam que eles não somente ajudam muito na aprendizagem do conteúdo, mas também servem para motivar os estudantes a buscarem novos usos dos princípios de ERQ. E.2. Para o Engenheiro Profissional Uma figura semelhante à Figura P-4 direcionada ao engenheiro profissional é apresentada no Apêndice do CD-ROM. F. A Página na Web A página na Web será usada pelo autor para atualizar o con- teúdo do texto e o CD-ROM. Ela apontará erros de impressão e outros erros na primeira e</p><p>xxvi Prefácio nas demais impressões da quarta edição deste texto. Em um futuro próximo, será acrescen- tado material adicional, incluindo mais problemas resolvidos, assim como novos Módulos da Web. G. que É Novo Pedagogia. A quarta edição deste livro mantém todo o apoio das edições anteriores, pelo uso de algoritmos que permitem aos estudantes aprender engenharia das reações químicas por meio da lógica em vez da memorização. Ao mesmo tempo, ela fornece novos recursos que permitem aos estudantes além da resolução de equações, de modo a desenvolver a intuição e o entendimento de como os reatores se comportam sob diferentes situações. Esse entendimento é atingido por meio das mais de sessenta simulações interativas fornecidas no CD-ROM do Estudante que acompanha o Esse CD-ROM foi muito ampliado para contemplar o Índice Felder/Soloman de Estilos de por intermédio das Notas com Resumo e dos novos e atualizados Módulos Computacionais Interativos (MCIs). Por exemplo, a partir das Notas com Resumo, o Aprendiz Global pode conseguir uma visão geral do material do capítulo; o Aprendiz Seqüencial pode usar todas as teclas e o Aprendiz Ativo pode interagir com os MCIs e usar as teclas Self Test Nesta edição, um novo conceito pedagógico é introduzido pelo aumento da nos exemplos. Nesta etapa, os estudantes simplesmente carregam os Problemas Práticos (PP) em seus computadores para obter um entendimento mais profundo das implicações e generali- zações, antes de trabalhar os problemas propostos daquele capítulo. Essa exploração ajuda os estudantes a desenvolverem sua sensibilidade quanto ao comportamento e operação de reatores, assim como a praticarem suas habilidades de raciocínio criativo. Para desenvolver as habilidades de raciocínio crítico dos estudantes, os professores podem especificar um dos novos exemplos na solução de problemas (troubleshooting) assim como solicitar aos estudan- tes que desenvolvam os problemas propostos, por meio de perguntas hipotéticas que envol- vam o crítico, usando as Tabelas P-1 e P-2. As habilidades do raciocínio criativo podem ser aumentadas pela utilização dos exemplos e das perguntas do tipo "E se pelo uso de um ou mais exercícios do fórum de discussão na Tabela P-3 para ampliar qualquer um dos problemas propostos, e pelo treino nos problemas com solução aberta. Por exempio, no estudo de caso sobre segurança, os estudantes podem usar o CD-ROM para realizar uma análise post-mortem da explosão de nitroglicerina, comentada no Exemplo 9-2, de modo a aprender o que teria acontecido se o resfriamento tivesse falhado por cinco minutos em vez de dez minutos. Esforço significativo tem sido devotado ao desenvolvimento de exemplos e problemas propostos que fomentem raciocínios crítico e criativo. Novo Material Engenharia de Biorreações. A maior inclusão de material está na área de engenharia de biorreações. Foi adicionado novo material sobre Engenharia de Tecido Biológico Cinética Enzimática Farmacocinética Crescimento de Células Coagulação do Sangue Metabolismo do Etanol DNA, Laboratório em um Chip Liberação Transdérmica de Drogas Envenenamento por Metanol DTR do Escoamento de Sangue Arterial no Olho Há um problema proposto sobre engenharia de biorreações em quase todos os capítulos. Módulos da Web relacionados com a biologia incluem modelos farmacocinéticos com base fisiológica (FBF) do metabolismo do etanol, da distribuição de drogas e das picadas de co- bras venenosas, como a serpente de Russel e a naja.</p><p>Prefácio xxvii Engenharia das Reações Há uma maior no uso de balanços molares em termos de concentrações e de velocidades molares em vez de Esse uso foi intro- duzido anteriormente no texto, de modo que essas formas das equações de balanço podem ser facilmente aplicadas aos reatores com membranas e às reações múltiplas, assim como a PFRs, PBRs e CSTRs. programa que resolve equações diferenciais parciais, COMSOL, foi incluído para permitir aos estudantes verem perfis axiais e radiais 2-D de temperatura e de concentração em reatores com efeitos térmicos e dispersão. Outros materiais novos incluem Microrreatores Reatores com Membranas com Alimentação Lateral Reatores com Escoamento Laminar A Ferramenta Avançada de Exploração de Segurança em Reatores (FAESR) Reações Fora de Controle Trocadores de Calor em Contracorrente em Reatores com Escoamento Empistonado Reatores Tubulares com Gradientes Axial e Radial (COMSOL) O Uso de DTR para Solucionar Problemas e Diagnosticar Falhas de Operação em Reatores O material acrescentado inclui teoria da colisão, teoria do estado de transição, dinâmica mo- lecular e engenharia das reações químicas moleculares (TFD) para estudar as velocidades específicas. Muitos dos novos problemas propostos refletem essa ampla faixa de aplicação. A quarta edição contém mais química industrial com reatores e reações reais e estende a ampla gama de aplicações nas quais os principios de engenharia das reações químicas po- dem ser aplicados (isto é, picadas de naja, medicamentos, engenharia ecológica). Entretanto, todas as leis intensivas tendem a ter Conceitos muito interessantes adotam, metodicamente, afirmações Praticamente, todas as leis são intrinseca- mente considerações naturais. Observações gerais se tornam leis sujeitas à experimentação. H. Agradecimentos Existem tantos colegas e alunos que contribuíram para este livro, que seria necessário um ou- tro capítulo para agradecê-los de uma maneira apropriada. Novamente, agradeço a todos os meus amigos, alunos e colegas, por suas contribuições à primeira, segunda e terceira edições (veja a Introdução no CD-ROM do Estudante). Para a quarta edição, fiz reconhecimentos especiais como segue. Primeiro de tudo, agradeço ao meu colega Dr. Nihat Gürmen, que é o co-autor do CD-ROM do Estudante e da página da Web. Sua criatividade e energia tiveram um grande impacto neste projeto e realmente tornaram especial a quarta edição deste texto e o CD-ROM associado. Dr. Nihat tem sido um colega com quem se tem prazer em trabalhar. O Professor Flavio F. de Moraes não somente traduziu a terceira edição para o por- tuguês, em colaboração com o Professor Luismar M. Porto, mas também deu sugestões e assistência na revisão das provas da quarta edição. A Dra. Susan Montgomery forneceu o programa Enciclopédia Visual de Equipamentos para o CD-ROM do Estudante, assim como suporte e incentivo. Professor Richard Herz forneceu o programa Reactor Lab (Labora- tório de Reatores) do CD-ROM. Dr. Ed Fontes, Anna Gordon e o pessoal do COMSOL forneceram uma versão especial do COMSOL Muitiphysics para ser incluída neste livro. Duc Nguyen, Yongzhong Liu e Nihat Gürmen também ajudaram a desenvolver o material do COMSOL e os Módulos da Web. Essas contribuições são muito apreciadas. Elena Mansilla Diaz contribuiu com o modelo de coagulação do sangue e, juntamente com Nihat Gürmen, forneceu modelo farmacocinético do envenenamento por um tipo de cobra chamado Fer-de-Lance.* Michael Breson e Nihat Gürmen contribuíram com o modelo *Tipo de cobra extremamente venenosa, nativa da (N.T.)</p><p>xxviii Prefácio de envenenamento pela serpente de Russell e David Umulis e Nihat Gürmen contribuíram com o metabolismo do álcool. Veerapat (Quinto) Tantayakom contribuiu com alguns dese- nhos e juntamente com muitos outros detalhes. Projetistas experientes em páginas da Web, Nathan Comstock, Andrea Sterling e Brian Vicente trabalharam incansavelmente com Dr. Gürmen no CD-ROM, assim como com os projetistas da Web, Jiewei Cao e Lei O Pro- fessor Michael Cutlip, juntamente com o Professor Mordechai Shacham, forneceu Polymath e um site especial na Internet para o pacote computacional de Polymath. Brian Vicente se encarregou do manual de soluções, enquanto Massimiliano Nori forneceu as soluções dos exercícios dos Capítulos 13 e 14. Sombuddha Ghosh também ajudou na preparação do ma- nual e forneceu algum material da Internet. Gostaria de agradecer também aos colegas da University of Colorado. O Professor Will Medlin foi co-autor dos Módulos da Web sobre Engenharia das Reações Moleculares (TFD); o Professor Kristi Anseth contribuiu com o Exemplo de Engenharia de Tecido Bioló- gico; e o Professor Dhinakar Kompala contribuiu para a Estante com Referências Profissio- nais R7.4 sobre Enzimas Múltiplos. Agradeço também aos meus alunos de doutorado Rama Venkatesan, Duc Nguyen, Ann Piyarat Wattana, Kris Paso, Veerapat (Quinto) Tantayakom, Ryan Hartman, Hyun Lee, Michael Senra, Lizzie Wang, Prashant Singh e Kriangkrai Kraiwattanawong pela paci- ência e compreensão durante o período em que estava escrevendo este livro. Além disso, agradeço muito o suporte fornecido pelos funcionários e colegas dos Departamentos de En- genharia Química da University College London e da University of Colorado, enquanto ter- minava os detalhes finais do texto. O suporte recebido dessas pessoas é muito estimulante, e os departamentos citados são ótimos locais para se trabalhar e passar o ano sabático. As discussões estimulantes com os professores Robert Hesketh, Phil Savage, John Falconer, D. B. Battacharia, Rich Masel, Eric McFarland, Will Medlin e Kristi Anseth foram muito apreciadas. Também gostei da amizade e das sugestões fornecidas pelo Dr. Lee Brown nos Capítulos 13 e 14. Michael Cutlip não somente apresentou sugestões e fez uma leitura de muitas como também, mais importante, forneceu suporte e estímulo contí- nuos em todo o transcurso deste projeto. Don MacLaren (composição) e Yvette Raven (projeto da interface do CD-ROM com o usuário) fizeram grandes contribuições a esta nova edição. Bernard Goodwin (Editor) da Prentice Hall foi extremamente útil e ofereceu apoio durante todo o tempo. Há três pessoas que merecem menção especial, uma vez que elas ajudaram a finalizar tudo, à medida que para satisfazer o prazo de publicação. Julie Nahil, gerente de produção da Prentice Hall, estimulou, focou nos detalhes e demonstrou um grande senso de humor, o que foi muito apreciado. Janet Peters não só foi meticulosa como revisora, como também adicionou muitos comentários editoriais valiosos e sugestões. Brian Vicente fez um esforço extra para ajudar no término dos muitos detalhes com o CD-ROM e também produ- ziu alguns desenhos para o texto. Agradeço a Julie, Janet e Brian, por seus esforços. O Pro- fessor Carlos Ramirez apontou um número significativo de erros de impressão na primeira e segunda os quais foram corrigidos nesta impressão. Laura Bracken é parte importante desse manuscrito. Agradeço sua excelente capaci- dade de decifrar as equações e rabiscos, sua organização e sua atenção a detalhes ao trabalhar com provas iniciais e de edição. Durante todo o trabalho, ela estava presente com uma dispo- sição maravilhosa. Obrigado, Radar!! Finalmente, à minha esposa Janet, meu amor e agradecimento. Sem sua enorme ajuda e suporte ao projeto, ele nunca teria sido possível. HSF Ann Arbor</p><p>Prefácio xxix Para atualizações do CD-ROM do Estudante.e de novas e excitantes aplicações, veja as páginas da Web: www.engin.umich.edu/~cre ou Para localizar a errata, selecione Atualizações e FAQ na página Para a edição em português, consulte Comentários e Sugestões Apesar dos melhores esforços do autor, dos tradutores, do editor e dos revisores, é inevi- tável que surjam erros no texto. Assim, são bem-vindas as comunicações de usuários so- bre correções ou sugestões referentes ao conteúdo ou ao nível pedagógico que auxiliem o aprimoramento de edições futuras. Encorajamos os comentários dos leitores que podem ser encaminhados à LTC - Livros Técnicos e Editora S.A., uma editora integrante do GEN Grupo Editorial Nacional, no endereço: Travessa do Ouvidor, 11 - Rio de Janeiro, RJ - CEP 20040-040 ou ao endereço eletrônico ltc@grupogen.com.br.</p><p>Elementos de Engenharia das Reações Quarta Edição</p><p>Balanços Molares 1 A primeira etapa para o conhecimento é saber que somos ignorantes. Sócrates (470-399 a.C.) Amplo Mundo Selvagem da Engenharia das Reações Químicas Cinética química é o estudo das velocidades de reações químicas e dos mecanismos de re- ação. O estudo da engenharia das reações químicas (ERQ) combina o estudo de cinética Como um química com os reatores nos quais as reações ocorrem. Cinética química e projeto de reatores engenheiro químico estão no coração da produção de quase todos os produtos químicos industriais, tais como é diferente dos outros engenheiros? a fabricação de anidrido ftálico mostrada na Figura 1-1. É principalmente o conhecimento de cinética química e de projeto de reatores que distingue o engenheiro químico de outros engenheiros. A seleção de um sistema de reação que opere da maneira mais segura e mais eficiente pode ser a chave para o sucesso ou o fracasso econômico de uma planta química. Por exemplo, se um sistema de reações produzir uma grande quantidade de produto indesejá- vel, a purificação e a separação subseqüentes do produto desejado poderão tornar o processo inteiro economicamente 2 + 902 2 4CO2 + 4H2O Alimentação Vapor de Resíduo para Condensadores lavador de água água de troca (separadores) com Naftaleno de Reator An Tanque de estocagem Vapor de água Resfriador de AF bruto de gás Vapor de água Alimentação de água Anidrido ftálico puro Destilação a vácuo Figura 1-1 Fabricação de anidrido ftálico. 1</p><p>Capítulo 1 2 Vento N Representa montanhas Pasadena ou morros Beverjy Hills LOS Digestão do Hipopótamo (Cap.: 2) ANGELES Bacia Vento proveniente de L.A. do Deserto de Mojave Anahein Long Beach Vista lateral Nevoeiro (Cap. 1 e Cap. 7) Éter Alil Vinílico 4-Pentenal (setas indicam movimento dos 2 elétrons) Estado de Transição (linhas tracejadas mostram o deslocamento do elétron no estado de transição) Ag 5 ERQ Molecular (Cap.3) 8.9% em C2H2O peso de 7 8 água evaporação residual charco Absorvedor 200 de tonelada 9 de EG/ano 0.88 CH2 - OH CH2 - OH 0 Z Planta Química para Etileno Glicol (Cap. 4) Remediação de Poluentes em Pântanos (Cap. 4) Sistema Pulmonar POCO DE ÓLEO de Motor Coração Músculo Projeto de um Lubrificante Efetivo que ÁCIDO Sequestra Radicais Livres Projeto de Lubrificante (Cap. 7) Fígado Recuperação de Óleo (Cap. 5) Farmacocinética de Mordidas de Naja, Múltiplas Inteslinos Reações, em um Reator em Batelada (Corpo) Mordidas de Naja (Cap. 6) Farmacocinética (Cap. 7) Material Silica DOV de Material UV Material Explosão em uma Planta de Nitroanalina Material do Material Material Reações Exotérmicas fora de Controle Segurança de uma Planta (Cap. 8 e Cap. 9) Etapas da Fabricação de Microeletrônicos (Cap. 10 e Cap. 12) Figura 1-2. amplo mundo de aplicações de ERQ.</p><p>Balanços Molares 3 Os princípios de Engenharia das Reações Químicas (ERQ) aprendidos aqui podem também ser aplicados em áreas tais como tratamento de resíduos, microeletrônica, nanopartí- culas e sistemas vivos, além das áreas mais tradicionais da fabricação de produtos e Alguns dos exemplos que ilustram a ampla aplicação dos princípios de ERQ são mostrados na Figura 1-2: Esses exemplos incluem a modelagem do nevoeiro na bacia de Los Angeles (Capítulo 1), o sistema digestivo de um hipopótamo (Capítulo 2) e ERQ mo- lecular (Capítulo 3). Também é mostrada a fabricação de etileno glicol (anticongelante), em que os três tipos mais comuns de reatores industriais são usados (Capítulo 4). O CD-ROM descreve o uso de pântanos para degradar produtos químicos tóxicos (Capítulo 4). Outros exemplos mostrados são a cinética sólido-líquido de interações ácido-rocha para melhorar a recuperação de óleo (Capítulo 5); a farmacocinética de mordidas de naja e de liberação de drogas (Capítulo 6); os seqüestradores de radicais livres usados no projeto de óleos de motor (Capítulo 7), a cinética enzimática e farmacocinética (Capítulo 7); os efeitos térmicos, rea- ções fora de controle e segurança de uma planta (Capítulos 8 e 9); o aumento do número de octanas da gasolina (Capítulo 10) e a fabricação de chips de computadores (Capítulo 12). Visão Geral Capítulo 1. Este capítulo desenvolve o primeiro bloco de constru- ção da engenharia das reações químicas, os balanços molares, que serão usados con- tinuamente em todo texto. Depois de completar este capítulo, leitor será capaz de descrever e definir a velocidade de reação, deduzir a equação geral de balanço molar e aplicá-la aos quatro tipos mais comuns de reatores industriais. Antes de entrar nas discussões das condições que afetam os mecanismos da ve- locidade de reações químicas e o projeto de reatores, é necessário considerar as várias espécies químicas entrando e saindo de um sistema Esse processo contábil é alcançado por meio dos balanços molares globais nas espécies individuais no siste- ma reacional. Neste capítulo, desenvolveremos um balanço molar geral que pode ser aplicado a qualquer espécie (geralmente um composto químico) entrando, saindo e/ou permanecendo dentro do volume do sistema Depois de definirmos a velo- cidade de reação, e discutirmos as dificuldades iniciais para definir apropriada- mente a velocidade de reação química, mostraremos como a equação geral de balanço pode ser usada para desenvolver uma forma preliminar de equações de projeto dos re- atores industriais mais comuns: batelada, contínuo de tanque agitado (CSTR), tubular (PFR) e leito com recheio (PBR). No desenvolvimento dessas equações, as suposições relacionadas à modelagem de cada tipo de reator serão Finalmente, um breve resumo e uma série de questões de revisão rápidas serão apresentados no final do 1.1 A Velocidade de Reação, A velocidade de reação nos diz quão rápido um número de mols de uma espécie química está sendo consumido para formar outra espécie química. O termo espécie química se refere a qualquer componente ou elemento químico com uma certa A identidade de uma espécie química é determinada pelo tipo, número e configuração dos átomos daquela N espécie. Por exemplo, a espécie nicotina (um alcalóide ruim do tabaco) é composta de um CH3 número fixo de átomos específicos em uma configuração ou arranjo molecular definido. A estrutura mostrada ilustra o tipo, o número e a configuração de átomos na espécie nicotina Nicotina (responsável pela de abstinência à nicotina") em um nível molecular. Mesmo que dois compostos químicos tenham exatamente o mesmo número de átomos de cada elemento, eles poderiam ainda ser espécies diferentes por causa das diferentes confi- gurações. Por exemplo, 2-buteno tem quatro átomos de carbono e oito átomos de hidrogênio; no entanto, os átomos nesse composto podem formar dois arranjos diferentes.</p><p>4 Capítulo 1 H H H CH3 e CH3 CH3 H cis-2-buteno Como uma consequência das diferentes configurações, esses dois isômeros apresentam di- ferentes propriedades físicas e químicas. Logo, vamos considerá-los como duas espécies diferentes, muito embora cada espécie tenha o mesmo número de átomos de cada elemento. Quando uma reação Dizemos que uma reação química aconteceu quando um número detectável de mo- química acontece? léculas de uma ou mais espécies perdeu sua identidade e adquiriu uma nova forma pela no tipo ou número de átomos no composto e/ou por uma mudança na estrutura ou configuração desses átomos. Nessa abordagem clássica de mudança química, é considerado que a massa total não é criada e nem destruída quando uma reação química ocorre. A massa referida é a massa total do conjunto de todas as espécies diferentes no sistema. Entretanto, quando consideramos as espécies individuais envolvidas em uma reação particular, falamos da taxa de consumo da massa de uma espécie particular. A taxa de consumo de uma espé- cie, por exemplo A, é o número de moléculas de A que perdem sua identidade química por unidade de tempo e volume, por meio da quebra e subseqüente recomposição das ligações químicas durante o curso da reação. Para que uma espécie particular "apareça" no sistema, alguma determinada fração de uma outra espécie tem de perder sua identidade química. Há três maneiras básicas de uma espécie perder sua identidade química: decomposi- ção, combinação e isomerização. Na decomposição, a molécula perde sua identidade por sua quebra em moléculas menores, átomos ou fragmentos de átomos. Por exemplo, se benzeno e propileno formados a partir de uma molécula de cumeno, CH(CH3)2 Uma espécie pode perder sua identidade por decomposição, + C3H6 combinação e isomerização. cumeno benzeno propileno a molécula de cumeno perde sua identidade (i.e., desaparece) pela quebra de suas ligações para formar essas Uma segunda maneira pela qual uma molécula pode perder sua identidade como espécie química é pela combinação com outra molécula ou No exemplo anterior, a molécula de propileno perderia sua identidade como espécie química se a reação ocorresse na direção inversa, de modo que ela se combinaria com benzeno para formar cumeno. A terceira maneira pela qual uma espécie pode perder sua identidade é por isomerização, tal como a reação CH3 Aqui, embora a molécula não incorpore outras moléculas a ela própria nem se quebre em moléculas menores, ela perde sua identidade devido à mudança na configuração. Para resumir esse ponto, dizemos que um dado número de moléculas (e.g., mol) de uma espécie química particular reagiu ou desapareceu quando as moléculas perderam sua identidade química. A velocidade à qual uma dada reação química ocorre pode ser expressa de várias ma- De modo a ilustrar, considere a reação de clorobenzeno e cloral para produzir o inse- ticida DDT na presença de ácido sulfúrico fumegante. + CHCCl3 + H2O</p><p>Balanços Molares 5 Considerando o símbolo A como o cloral, B como o clorobenzeno, C como o DDT e D como H2O, obtemos 2B C + D O valor numérico da taxa de consumo do reagente A, é um número positivo (e.g., 4 mols de O A velocidade de reação, é o número de mols de A (e.g., cloral) reagindo (desapare- cendo) por unidade de tempo e de volume A+2B-C+D O símbolo r, é a velocidade de formação (geração) da espécie j. Se a espécie j for um rea- A convenção gente, o valor numérico de será um número negativo (e.g., mols de Se a = 4 mol espécie j for um produto, então será um número positivo (e.g., 4 mols de No = mol = 8 Capítulo 3, delinearemos a relação estabelecida entre a velocidade de formação de uma espé- = cie, rj (e.g., DDT[C]) e a taxa de consumo de uma outra espécie, (e.g., rc mol em uma reação química. Reações heterogêneas envolvem mais de uma Em sistemas reacionais neos, a velocidade de reação é geralmente expressa em medidas que não sejam o volume, tal qual área da superfície de reação ou massa do catalisador. Para uma reação catalítica sólido- gás, as moléculas de gás têm de interagir com a superfície sólida do catalisador para que a reação aconteça. que é As dimensões dessa velocidade de reação heterogênea, são número de mols de A reagindo por unidade de tempo e de massa de de catalisador). A maioria das discussões introdutórias neste livro sobre engenharia das reações quími- cas enfoca os sistemas homogêneos. Durante muitos anos, a definição matemática de uma velocidade de reação química tem sido uma fonte de confusão na literatura de química e de engenharia química. A origem dessa confusão vem dos experimentos de laboratório em escala de bancada, que foram exe- cutados para obter os dados de velocidade de reação química. Esses experimentos iniciais foram do tipo batelada, em que o recipiente de reação era fechado e rígido; conseqüente- mente, a reação ocorria a volume constante, Os reagentes eram misturados no tempo t = 0 e a concentração de um dos reagentes, CA, era medida em vários tempos t. A velocidade de reação era determinada a partir da inclinação de um gráfico de CA em função do tempo. Seja a velocidade de formação de A por unidade de volume (e.g., os investigadores então definiram e reportaram a velocidade de reação química como Entretanto, essa "definição" está errada! Ela é simplesmente um balanço molar que somente é válido para um sistema em batelada com volume constante. A Equação (1-1) não se aplicará a qualquer reator escoamento contínuo operado em estado estacionário, tal como o reator de tanque (CSTR), em que a concentração não varia de um dia para o outro (i.e., a concentração não é uma função do tempo). Para salientar ainda mais esse ponto, veja a seção "O Hidróxido de Sódio Está nas Notas com Resumo do Capítulo 1 no Notas com Resumo CD-ROM ou na internet. Concluindo, a Equação (1-1) não é a definição de velocidade de reação química. Devemos Definição de simplesmente dizer que r, é a velocidade de formação da espécie i por unidade de volume. É o número de mols da espécie gerado por unidade de volume e de tempo. A lei de velocidade A velocidade de reação (i.e., a lei de velocidade) para é uma equação algébrica não depende do tipo que é somente uma função das propriedades dos reagentes e das condições de reação de reator usado!! (e.g., concentração das espécies, temperatura, pressão ou tipo de catalisador, se existir catalisador) em um ponto do sistema. A equação de velocidade é independente do tipo</p><p>Capítulo 1 6 de reator (e.g., batelada ou escoamento contínuo) no qual a reação ocorre. No entanto, pelo fato das propriedades e das condições de reação dos reagentes poderem variar com a posição em um reator químico, pode, por sua vez, ser uma função da posição e pode variar de ponto a ponto no sistema. é uma função A lei de velocidade de reação química é essencialmente uma equação algébrica envol- de quê? vendo concentração e não uma equação Por exemplo, a forma algébrica da lei de velocidade para A para a reação A produtos pode ser uma função linear da concentração, ou, como será mostrado no Capítulo 3, pode ser alguma outra função algébrica da concen- tração, tal como (1-2) ou A lei de velocidade é uma equação algébrica Para uma dada reação, a dependência particular da concentração que a lei de velocidade A convenção segue (i.e., kCA ou = kC2 ou ...) tem de ser determinada a partir de observação experimental. A Equação (1-2) estabelece que a taxa de consumo de A é igual à constante de velocidade k (que é uma função da temperatura) vezes o quadrado da concentração de A. Por convenção, a velocidade de formação de A: conseqüentemente, é a taxa de consumo de A. Em todo este livro, a expressão velocidade de geração significa exatamente o mesmo que a expressão velocidade de formação, e essas expressão são usadas indistintamente. 1.2 A Equação Geral de Balanço Molar De modo a realizar um balanço molar em qualquer sistema, as fronteiras do sistema têm de ser primeiramente especificadas. O volume envolvido por essas fronteiras é referido como o volume do sistema. Devemos realizar um balanço molar para a espécie j em um volume do sistema, em que a espécie j representa a espécie química particular de interesse, tal como água ou NaOH (Figura 1-3). Um balanço molar da espécie i em qualquer instante de tempo, t, resulta na seguinte Equação (1-3). Volume do Sistema Fjo Figura 1-3 Balanço no volume do sistema. 1 Para maior detalhes sobre esse ponto, veja Chem. Eng. Sci., 25, 337 (1970); B.L. Crynes e H.S. Fo- gler, eds., AIChE Modular Instruction Series E: Kinetics, 1, 1 (Nova York: AIChE, 1981); e R. L. Kabel, "Rates", Chem. Eng. Commun., 9, 15 (1981).</p><p>Balanços Molares 7 Balanço molar Taxa de geração de j Taxa de Taxa de j Taxa de j que por reação química acúmulo de que entra sai do sistema + dentro do sistema : no sistema (mols/tempo) j dentro (mols/tempo) do sistema (mols/tempo) (mols/tempo) Entrada Saída + Geração = Acúmulo dN + = (1-3) em que representa o número de mols da espécie j no sistema no tempo t. Se todas as va- riáveis do sistema (e.g., temperatura, atividade catalítica, concentração da espécie química) forem espacialmente uniformes em todo o volume do sistema, a velocidade de geração da espécie j, será apenas o produto do volume de reação, V, e a velocidade de formação da espécie mols mols = volume tempo tempo volume Suponha agora que a velocidade de formação da espécie j para a reação varie com a posição no do sistema. Isto é, ela tem um valor na localização 1, que é cercada por um volume pequeno, dentro do qual a velocidade é similarmente, a velocida- de de reação tem um valor na localização 2 e um volume associado, (Figura 1-4). A velocidade de geração, ein termos de e do subvolume é Expressões similares podem ser escritas para e outros subvolumes do sistema, A velocidade total de geração no interior do volume do sistema é a soma de todas as velocida- des de geração em cada um dos subvolumes. Se o volume total do sistema for dividido em M subvolumes, a velocidade total de geração será M M i= 1 i= Tomando os limites apropriados (i.e., fazendo M e AV 0) e usando a definição de integral, reescrever a equação anterior na forma AV1 V AV2 Figura 1-4 Dividindo o volume do sistema, V.</p><p>8 Capítulo 1 A partir dessa equação, vemos uma função indireta da posição, uma vez que as propriedades dos reagentes e as condições da reação (e.g., concentração e temperatura) po- dem ter valores diferentes em diferentes localizações no reator. Trocamos agora na Equação (1-3) (1-3) por sua forma integral para resultar uma forma da equação geral do balanço molar para qual- quer espécie química j que está entrando, saindo, reagindo e/ou acumulando no interior do volume do sistema V. Essa é uma equação básica para a (1-4) dt engenharia das reações A partir dessa equação geral de balanço molar, podemos desenvolver as equações de projeto para os vários tipos de reatores industriais: batelada, semibatelada e escoamento contínuo. Avaliando essas equações, podemos determinar o tempo (batelada) ou volume do reator (es- coamento contínuo) necessário para converter uma quantidade especificada dos reagentes em produtos. 1.3 Reatores em Batelada Quando um reator Um reator em batelada é usado para operação em pequena escala, para testar novos processos em batelada é que não tenham sido desenvolvidos completamente, para a fabricação de produtos caros e usado? para processos que sejam difíceis de converter em operações contínuas. O reator pode ser carregado (i.e., cheio) por meio dos orifícios no topo (Figura 1-5[a]). O reator em batelada tem a vantagem de altas conversões que podem ser obtidas deixando o reagente no reator por longo período de tempo; porém, ele tem desvantagens, tais como altos custos de operação, variabilidade de produtos de batelada a batelada e dificuldade de produção em larga escala (ver Estante com Referências Profissionais [ERP]). Estante com Referências Orifícios para a carga do reator Conexão para a camisa de aquecimento ou resfriamento Agitador Figura 1-5(a) Reator homogêneo em Figura 1-5(b) Padrões de mistura em um batelada simples. [Extraído, com permissão reator em batelada. Futuras descrições e fotos especial, de Chem. Eng., 63(10), 211 (Oct. dos reatores em batelada podem ser encontradas 1956). Direitos autorais da McGraw-Hill, Inc., na Enciclopédia Visual de Equipmentos e na 1956, Nova York, NY 10020.] Estante com Referências Profissionais no CD- ROM.</p><p>Balanços Molares 9 NA 0 4 t Figura 1-6 Trajetórias mol-tempo. Um reator em batelada não tem entrada nem saída de reagentes ou produtos enquanto a rea- ção está ocorrendo: balanço geral molar resultante para a espécie j é = dt di Se a mistura reacional estiver perfeitamente misturada (Figura 1-5[b]), então não haverá variação na velocidade de reação dentro do volume do reator, podemos retirar da integral, integrar e escrever o balanço molar na forma dN Mistura perfeita (1-5) Vamos considerar a isomerização da espécie A em um reator em batelada A B À medida que a reação procede, o número de mols de A diminui e o número de mols de B aumenta, conforme mostrado na Figura Podemos perguntar que tempo, é necessário para reduzir o número inicial de mols de NAO para um número final desejado Aplicando a Equação (1-5) para a isomerização Rearranjando, TAV e integrando com limites que, e (1-6) Essa equação é a forma integral do balanço molar em um reator em Ela fornece o tempo, t1, necessário para reduzir o número de mols de a NA e também para formar mols de B. 1.4 Reatores com Escoamento Contínuo Reatores com escoamento contínuo são quase sempre operados em regime Consideraremos três tipos: o reator contínuo de tanque agitado (CSTR), o reator com escoa- mento empistonado (PFR) e o reator de leito fixo (PBR). Descrições detalhadas desses reato- res podem ser encontradas na Estante com Referências Profissionais (ERP) para o Capítulo e na Enciclopédia Visual de Equipamentos no CD-ROM.</p><p>10 Capítulo 1 Que sistemas de reação usam CSTR? O CSTR ideal é considerado perfeitamente misturado (mistura perfeita) Figura 1-7(a) Reator CSTR/batelada. Figura 1-7(b) Padrões de mistura em um [Cortesia de Pfaudler, Inc.] CSTR. Veja também a Enciclopédia Visual de Equipamentos no CD-ROM. 1.4.1 Reator Contínuo de Tanque Agitado Para que um CSTR Um tipo de reator usado comumente em processamento industrial é o tanque agitado operado é usado? continuamente (Figura 1-7). É chamado de reator contínuo de tanque agitado (CSTR) ou reator de retromistura, sendo usado principalmente para reações em fase líquida. É normal- mente operado em estado e é considerado estar perfeitamente misturado; a temperatura, a concentração ou a velocidade de reação dentro do CSTR não dependem do tempo ou da posição. Ou seja, cada variável é a mesma cada ponto dentro do reator. Uma vez que a temperatura e a concentração são idênticas em qualquer ponto no interior do tanque de reação, elas são as mesmas na saída como em qualquer outro ponto do tanque. Assim, a temperatura e a concentração na corrente de saída são modeladas como sendo iguais no interior do reator. Em sistemas em que a mistura é altamente não-ideal, o modelo bem misturado é inadequado, e temos de recorrer a outras técnicas de modelagem, tais como distribuições de tempo de residência, para obter resultados significati- vos. Esse tópico de mistura não-ideal será discutido nos Capítulos 13 e 14. Quando a equação geral de balanço molar = (1-4) dt é aplicada a um CSTR operado em estado estacionário (i.e., as condições não variam com o tempo), dt em que não há variações espaciais na velocidade de reação (i.e., mistura perfeita), ela adquire a forma familiar, conhecida como a equação de projeto para um CSTR: (1-7) A equação de projeto de um CSTR fornece o volume V do reator, necessário para reduzir a vazão da espécie j que entra, de para a vazão de saída quando a espécie j</p><p>Balanços Molares 11 A está desaparecendo a uma velocidade de Notamos que o CSTR é modelado de tal modo que as condições na corrente de saída (e.g., concentração, temperatura) são idênticas no tanque. A vazão molar é justamente o produto da concentração da espécie j e a vazão volumétrica FA mols mols , volume tempo volume tempo (1-8) Consequentemente, poderíamos combinar as Equações (1-7) e (1-8) para escrever um balanço para a espécie A como (1-9) 1.4.2 Reator Tubular Quando um reator Além dos reatores CSTR e em batelada, outro tipo de reator comumente usado na indústria é tubular é mais o reator Ele consiste em um tubo cilíndrico e é normalmente operado em estado es- frequentemente usado? tacionário, como o CSTR. Reatores tubulares são usados mais frequentemente para reações em fase gasosa. Um esquema e uma fotografia de reatores tubulares industriais são mostrados na Figura 1-8. No reator tubular, os reagentes são continuamente consumidos à medida que eles es- coam ao longo do reator. Na modelagem do reator tubular, supomos que a concentração varie continuamente na direção axial através do reator. a velocidade de reação, que é uma função da concentração para todas as reações, exceto as de ordem zero, variará também axialmente. Para finalidade do material apresentado aqui, consideramos sistemas em que o campo de escoamento pode ser por um perfil de escoamento empistonado (e.g., velocidade uniforme como no escoamento turbulento), conforme mostrado na Figura Ou seja, não há variação radial na velocidade de reação e o reator é referido como um reator de escoamento empistonado (PFR). (O reator de escoamento laminar será discutido no Capítulo 13.) A equação geral de balanço molar é dada pela Equação (1-4): (1-4) di A equação que usaremos para projetar PFRs no estado estacionário pode ser desenvolvida de duas maneiras: (1) diretamente da Equação (1-4) por diferenciação com relação ao volume V. Veja também ERP e Enciclopédia Visual de Equipamentos. Figura 1-8(a) Esquema de um reator tubular. Figura 1-8(b) Foto de um reator tubular. Reator tubular [Extraído, com Reator tubular para a produção de Dimersol permissão especial, de Chem. Eng., 63(10), G. [Foto, cortesia de Editions Techniq Institute 211 (Oct. 1956). Direitos autorais da McGraw- François du Petrol.] Hill, Inc., 1956. Nova York, NY 10020.]</p><p>12 Capítulo 1 Escoamento empistonado - não há variação radial de velocidade, de concentração, de temperatura ou de velocidade de reação Reagentes Produtos Figura 1-9 Reator de escoamento empistonado. AV F V V+AV Figura 1-10 Balanço molar para a espécie j no volume AV. ou (2) a partir de um balanço molar para a espécie j em um segmento diferencial do volume do reator, AV. Vamos escolher a segunda maneira para chegar à forma diferencial do balanço molar para o PFR. O volume diferencial, AV, mostrado na Figura 1-10, será escolhido sufi- cientemente pequeno, de tal modo que não haja variações na velocidade de reação no interior desse volume. Assim, o termo de geração, é Taxa molar Taxa molar Taxa molar Taxa molar : de Geração de Acúmulo da espécie j - da espécie j que + = da espécie j da espécie j que Entra em V Sai de V + AV dentro de AV dentro de AV Entrada Saída + Geração = Acúmulo + = 0 (1-10) Dividindo por e rearranjando A V = o termo entre colchetes assemelha-se à definição da derivada lim dx Tomando o limite quando tende a zero, obtemos a forma diferencial do balanço molar em estado estacionário para um PFR. A dV dV (1-11) Reator tubular O nosso balanço molar para a espécie reagente A poderia ter sido feito em um reator cilíndrico tendo uma forma irregular, tal como aquela mostrada na Figura 1-11. Entretanto, vemos que pela aplicação da Equação (1-10) o resultado daria a mesma equação (i.e., Equação [1-11]). Para a espécie A, o balanço molar é (1-12)</p><p>Balanços Molares 13 Reator de Picasso FA (V) AV Figura 1-11 Reator de Pablo Picasso. A FBI FA FB V = 0 V1 V 0 V1 Figura 1-12 Perfis de vazões molares em um PFR. Por conseguinte, vemos que a Equação (1-11) se aplica igualmente bem ao nosso modelo de reatores tubulares com área de seção transversal constante e variável, embora seja duvidoso que alguém encontre um reator com a forma mostrada na Figura 1-11, a menos que ele tenha sido projetado por Pablo A conclusão tirada da aplicação da equação de projeto para o reator de Picasso é importante: o grau de extensão de uma reação alcançado em um reator ideal com escoamento empistonado (PFR) não depende de sua forma, mas apenas de seu volume total. Novamente, considere a isomerização A B, dessa vez em um PFR. À medida que os reagentes escoam pelo reator, A é consumido por reação química e B é produzido. Conse- quentemente, a velocidade molar de escoamento de A diminui e a de B aumenta, conforme mostrado na Figura 1-12. Perguntamos agora qual é o volume V1 do reator, necessário para reduzir a vazão molar de entrada de A, de para FAI. Rearranjando a Equação (1-12) na forma e integrando com os limites em V=0, então em V=V1, então (1-13) é o volume necessário para reduzir a vazão molar de entrada, para algum valor espe- cífico, e também o volume necessário para produzir uma vazão molar de B igual a 1.4.3 Reator de Leito com Recheio A principal diferença entre cálculos de projeto de reatores envolvendo reações homogêneas e aqueles envolvendo reações heterogêneas sólido-fluido é que para esse último caso, a reação ocorre na superficie do catalisador. Logo, a velocidade de reação é baseada na massa do cata- lisador sólido, W, em vez do volume do reator, V. Para um sistema heterogêneo sólido-fluido, a velocidade de reação de uma substância A é definida como -r'A = mol de A reagido/s g de catalisador A massa de catalisador sólido é usada porque a quantidade do catalisador é fator importante para a velocidade de formação do produto. O volume do reator que contém o catalisador é de significância secundária. A Figura 1-13 mostra o esquema de um reator catalítico industrial, com tubos verticais, recheado com catalisador.</p><p>14 Capítulo 1 Produto gasoso Fluido de Refrigeração Tubo com Chicanas do Catalisador Lado do Fluido de Refrigeração Fluido de Refrigeração Figura 1-13 Reator catalítico de leito com recheio. [De Cropley, American Institute of Fluido de Refrigeração Chemical Engineers, 86(2), 34 (1990). Reproduzido com permissão do American Institute of Chemical Engineers, Direitos autorais 1990 AIChE. Todos Gás de alimentação os direitos reservados.] FA W AW FA (W) ; Figura 1-14 Esquema de um reator de leito com recheio. Nos três tipos idealizados de reatores que acabamos de discutir [o reator de mistura perfeita em batelada, o reator tubular com escoamento empistonado (PFR) e o contí- nuo de tanque agitado, perfeitamente misturado (CSTR)], as equações de projeto (i.e., ba- lanços molares) foram desenvolvidas com base no volume do reator. A dedução da equação de projeto para o reator catalítico de leito com recheio (PBR) será feita de maneira análoga ao desenvolvimento da equação de projeto do tubular. De modo a efetuar essa dedução, simplesmente trocamos a coordenada volume na Equação (1-10) pela coordenada massa de catalisador W (Figura 1-14). Balanço Molar em Assim como para o PFR, o PBR é considerado como não tendo gradientes radiais de um PBR concentração, de temperatura, ou de velocidade de reação. O balanço molar generalizado para a espécie A por massa de catalisador AW resulta na equação Entrada - Saída Geração Acúmulo FAW + + AW = 0 (1-14) As dimensões do termo de geração na Equação (1-14) são mols de A mols de A AW (massa de catalisador) (tempo) (massa de catalisador) tempo que são, como esperado, as mesmas dimensões da vazão molar Depois de dividir por AW Use a forma e tomar o limite quando AW -> 0, chegamos à mesma forma diferencial do balanço molar diferencial da para um reator de leito com recheio: equação de projeto para a desativação do catalisador e (1-15) dW para a queda de pressão.</p><p>Balanços Molares 15 Quando a queda de pressão através do reator (veja Seção 4.5) e a desativação do ca- talisador (veja Seção 10.7) forem negligenciadas, a forma integral da equação de projeto do Use a forma integral reator catalítico de leito com recheio poderá ser usada para calcular a massa de catalisador. somente para quando não houver W = = (1-16) AP e decaimento da atividade do catalisador. W é a massa de catalisador necessária para reduzir a vazão molar de entrada da espécie A, para uma vazão Para ter uma idéia do que está por vir, considere o seguinte exemplo de como você pode usar a Equação (1-11) de projeto de um reator tubular. Exemplo 1-1 Quão Grande Ele É? Considere a isomerização cis trans, em fase líquida, do 2-buteno H H H CH3 CH3 CH3 CH3 H cis-2-buteno trans-2-butcno que escreveremos simbolicamente como A B A reação de primeira ordem = kCA) ocorre em um reator tubular em que a vazão volumétrica, é constante, ou seja, 1. Esquematize o perfil de concentrações. 2. Deduza uma equação relacionando o volume do reator às concentrações de A entrando e saindo, à constante de velocidade k, e à vazão volumétrica 3. Determine o volume necessário do reator de modo a reduzir a concentração exis- tente para 10% da concentração de entrada, quando a vazão volumétrica for a 10 (i.e., litros/min) e a velocidade específica de reação, k, for 0,23 Solução 1. A espécie A é consumida à medida que se move ao longo do reator e, como re- sultado, a vazão molar de A e a concentração de A diminuirão ao longo do reator. Uma vez que a vazão volumétrica é constante, podemos usar a Equação (1-8) para obter a concentração de e então, por comparação com a Figura 1-12, fazer um gráfico da concentração de A em função do volume do reator, como mostrado na Figura E1-1.1. CAO CA 0 V1 V Figura E1-1.1 Perfil de concentrações.</p><p>16 Capítulo 1 2. Deduza uma equação relacionando Para um reator tubular, o balanço molar para a espécie A = A) é dado pela Equação (1- 11), conforme Assim, para a espécie A tem-se dF (1-11) Para uma reação de primeira ordem, a lei de velocidade (discutida no Capítulo 3) é (E1-1.1) Dimensionamento Uma vez que a vazão volumétrica, é constante como é para a maioria das de reator reações em fase líquida, (E1-1.2) Multiplicando ambos os lados da Equação (E1-1.2) por menos um e então substituindo a Equação (E1-1.1), resulta (E1-1.3) Rearranjando, dá B CA Usando as condições na entrada do reator que, quando V = 0, CA (E1-1.4) V Integrando a Equação (E1-1.4), obtém-se com (E1-1.5) 3. Queremos encontrar o volume, no qual CA = = 10 Substituindo CA, e k na Equação (E1-1.5), temos V = 0,23 (i.e., 100 L; 0,1 Para os parâmetros dados, vemos que um volume de reator de 0,1 é necessário para converter 90% da espécie A no produto B. No restante deste capítulo, examinaremos desenhos levemente mais detaihados de alguns reatores industriais típicos e apontaremos algumas vantagens e desvantagens de cada 1.1 Reatores Industriais Quando um reator Confira e veja fotografias reais de reatores industriais no CD-ROM e no site da internet. Há em batelada é também links para visualizar reatores em sites diferentes na internet. O CD-ROM também in- usado? clui uma parte da Enciclopédia Visual de Equipamentos - Reatores Químicos, desenvolvida pela Dra. Susan Montgomery e seus estudantes da Universidade de 2 Chem. Eng., 63(10),211 (1956). Ver também AIChE Modular Instruction Series E, 5 (1984).</p><p>Balanços Molares 17 Gás de exaustão Produtos Aquecedor Reagente A ou Regeneredor Reator e produto Vapor de água Nafta e gás de Catalisador recicio Descarga e catalisador Reagente B Ar comprimido Fornalha Figura 1-15(a) Reator Figura 1-15(b) Reator catalítico de leito [Retirado, com permissão especial, de Chem. fluidizado. [Retirado, com permissão especial, Eng., 63(10), 211 (Oct. 1956). Direitos de Chem. Eng., 63(10), 211 (Oct. 1956). autorais da McGraw-Hill, Inc., 1956, Nova Direitos autorais da McGraw-Hill, Inc., 1956, York, NY 10020.] Nova York, NY 10020.] [1] Reações em Fase Líquida. Reatores semibateladas e CSTRs são usados principalmen- te para reações em fase líquida. Um reator semibatelada (Figura 1-15) tem essencialmente as Links mesmas desvantagens que um reator em batelada. Entretanto, ele tem as vantagens de con- trolar a temperatura, pela regulagem da vazão de alimentação, e a capacidade de minimizar as reações paralelas indesejáveis, por meio da manutenção de uma concentração baixa de um dos reagentes. O reator semibatelada é usado também para reações bifásicas, em que um gás geralmente é borbulhado continuamente através do líquido. Quais são as vantagens e Um CSTR é usado quando uma agitação intensa é requerida. A Figura 1-7(a) mostrou desvantagens de um uma vista em corte de um reator CSTR/batelada Pfaudler. A Tabela 1-1 fornece os tamanhos CSTR? típicos (juntamente com tamanhos comparáveis de objetos familiares) e os custos para reato- res em batelada e CSTR. Todos os reatores são revestidos de vidro e os preços incluem cami- sa de aquecimento/resfriamento, motor, agitador e Os reatores podem ser operados em temperaturas entre 20 e 450°F e em pressões de até 100 psi. TABELA 1-1. TAMANHOS REPRESENTATIVOS DE REATORES CSTR/BATELADA PFAUDLER E PREÇOS DE 2004 Volume Preço Volume Preço 5 Galões (cesto de 29.000 1000 Galões (2 US$ 85.000 lixo) Jacuzzis) 50 Galões (lata de 4000 Galões (8 lixo) Jacuzzis) 500 Galões (Ja- US$ 70.000 8000 Galões (ca- cuzzi) minhão-tanque de gasolina) O CSTR pode ser usado sozinho ou, na maneira mostrada na Figura 1-16, como parte de uma série ou bateria de CSTRs. É relativamente fácil manter um bom controle de tem- peratura com um CSTR porque ele é bem misturado. Há, no entanto, a desvantagem de que a conversão de reagente por volume de reator é a menor entre os reatores com escoamento Consequentemente, reatores muito grandes são necessários para obter altas conver- Um fluxograma industrial para a fabricação de nitrobenzeno a partir de benzeno, usan- Estante com Referências do uma cascata de CSTRs, é mostrado e descrito na Estante com Referências Profissionais para Capítulo 1 no CD-ROM. Se você não pode comprar um reator novo, é possível encontrar um reator usado que se ajuste a suas necessidades. Reatores adquiridos de terceiros são muito menos caros e po-</p><p>18 Capítulo 1 Alimentação Alimentação Alimentação Alimentação Camisas de aquecimento ou de resfriamento Produto Figura 1-16 Bateria de tanques agitados. [Retirado, com permissão especial, de Chem. Eng., 63(10), (Out. 1956). Direitos autorais da McGraw-Hill, Inc., 1956, Nova York, NY 10020.] dem ser comprados em revendedores de equipamentos, tais como Aaron Equipment Com- pany ou Loeb Equipment Supply Links [2] Reações em Fase Gasosa. O reator tubular (i.e., reator com escoamento empistonado [PFR]) é relativamente de fácil manutenção (sem partes móveis) e geralmente produz a mais Quais são as alta conversão por volume de reator entre os reatores com escoamento contínuo. A desvan- vantagens e desvantagens de um tagem do reator tubular é a dificuldade em controlar a temperatura no interior do reator, e PFR? pontos quentes ocorrer quando a reação é O reator tubular é comumente encontrado tanto na forma de um longo tubo como na forma de alguns reatores menores, arranjados em um banco de tubos, conforme mostrado nas Figuras 1-8(a) e (b). A maioria dos CSTR: líquidos PFR: gases reatores homogêneos com escoamento contínuo em fase líquida é CSTR, enquanto a maioria dos reatores em fase gasosa é tubular. Os custos de PFRs e PBRs (sem catalisador) são similares aos custos de trocadores de calor e podem ser encontrados no livro Plant Design and Economics for Chemical Engine- ers, ed., de M. S. Peters e K. D. Timmerhaus (Nova York: McGraw-Hill, 2002). Da Figura 1-5-12 do livro de Peters e Timmerhaus, pode-se estimar o custo de compra como US$1 por pé, para tubos de polegada de diâmetro, e como US$2 por pé, para tubos de 2 polegadas de diâmetro, para tubos únicos e de aproximadamente US$20 a US$50 por pé quadrado de área superficial para trocadores de calor de placas. Um reator de leito com recheio (também chamado de reator de leito fixo) é essencial- mente um reator tubular que é recheado com partículas sólidas de catalisador (Figura 1-13). Esse sistema de reação heterogênea é muito frequentemente usado para catalisar reações em fase gasosa. Esse reator tem as mesmas dificuldades com controle de temperatura que outros reatores tubulares; além disso, o catalisador é geralmente problemático de ser substituído. Oca- sionalmente, ocorre a formação de canais preferenciais de escoamento de gás, resultando no uso ineficiente de partes do leito do reator. A vantagem do reator de leito fixo é que para a maioria das reações ele fomece a mais alta conversão por massa de catalisador entre qualquer reator catalítico. Outro tipo de reator catalítico de uso comum é leito fluidizado (Figura 1-15[b]), que é análogo ao CSTR, no sentido de que seu conteúdo, embora heterogêneo, é bem misturado, resultando em uma distribuição uniforme de temperaturas em todo o leito. O reator de leito fluidizado pode ser modelado somente aproximadamente como um CSTR (Exemplo 10.3); para maior precisão, ele requer um modelo próprio (Seção ERP 12.3). A temperatura é relativa- mente uniforme em todo o leito, evitando assim pontos quentes. Esse tipo de reator pode lidar com grandes quantidades de alimentação e de sólidos e tem um bom controle de teinperatura; por conseguinte, ele é usado em um grande número de aplicações. As vantagens da facilidade de reposição ou de regeneração de catalisador são algumas vezes anuladas pelo alto custo do reator e do equipamento de regeneração do catalisador. Uma discussão completa de um reator industrial e de um processo em fase gasosa pode ser encontrada na Estante com Referências Profissionais do CD-ROM para o Capítulo 1. O processo é a fabricação de parafínicos a partir</p><p>Balanços Molares 19 de gás de síntese (CO e H2) em um reator de transporte direto (ver Capítulo 10). Neste capítulo e no CD-ROM, introduzimos cada um dos principais tipos de reatores industriais: batelada, semibatelada, tanque agitado, tubular, leito fixo (leito com recheio) e Estante com Referências leito fluidizado. Muitas variações e modificações desses reatores comerciais estão em uso corrente; para maiores elaborações, veja a discussão detalhada de reatores industriais, dada por O CD-ROM descreve reatores individuais, juntamente com condições típicas de ali- mentação e de operação. Além disso, dois exemplos resolvidos para o Capítulo podem ser encontrados no CD. Problemas Resolvidos Encerramento. O objetivo deste texto é tecer os fundamentos de engenharia das rea- ções químicas em uma estrutura ou algoritmo que seja fácil para usar e aplicar a uma variedade de problemas. Acabamos de terminar o primeiro bloco de construção desse balanços molares. Esse algoritmo e seus blocos de construção correspon- dentes serão desenvolvidos e discutidos nos seguintes capítulos: Balanço Molar, Capítulo 1 Lei de Velocidade, Capítulo 3 Estequiometria, Capítulo 3 Combinação, Capítulo 4 Avaliação, Capítulo 4 Balanço de Energia, Capítulo 8 Com esse podem-se abordar e resolver problemas de engenharia das rea- ções químicas por meio de lógica em vez de memorização. RESUMO O resumo de cada capítulo fornece os pontos-chaves do mesmo, que necessitam ser relembrados e carregados para os capítulos 1. Um balanço molar para a j, que entra, sai, reage e acumula em um volume V do sistema, é dN (R1-1) dt Se, e somente se, conteúdo do reator estiver bem misturado, então um balanço molar (Equação S1-1) para a espécie A fornecerá (R1-2) 2. A lei de velocidade cinética para é: Somente uma função de propriedades de reagentes e das condições de reação (e.g., concentração [atividades], temperatura, pressão, catalisador ou solvente existir]) A velocidade de formação da i por unidade de volume (e.g., Uma grandeza intensiva (i.e., ela não depende da quantidade total) Uma equação algébrica, não uma equação diferencial Para sistemas catalíticos homogêneos, unidades típicas de podem ser gmols por segundo por litro; para sistemas heterogêneos, unidades típicas de podem ser gmols por segundo por grama de catalisador. Por convenção, é a taxa de consumo da espécie A e é a velocidade de formação da espécie A. 3. Balanços molares para a espécie A, em quatro reatores comuns, são dados a seguir: 3 S. M. Walas, Reaction Kinetics for Chemical Engineers (Nova York: McGraw-Hill, 1959), Capítulo 11.</p><p>20 Capítulo 1 TABELA R-1. RESUMO DOS MOLARES PARA REATORES Reator Comentário Forma Forma Algébrica Forma Integral Diferencial do Balanço Molar Batelada Sem Variações Especiais dN N A0 dN A = A di CSTR Sem variações espaciais, V = FAO-FA estado estacionário PFR Estado estacionário dF = A0 V I = dV PBR Estado estacionário dF A = A A0 dF dW A MATERIAL DO CD-ROM Recursos de Aprendizagem 1. Notas com Resumo 2. Material da Web A. Algoritmo para Resolução de Problemas Notas com Resumo B. Desenrolando-se em um Problema Esse site na web e o CD-ROM dão dicas de como superar barreiras mentais na resolução de problemas. C. Nevoeiro na Bacia de Los Angeles B. Desenrolando-se C. Nevoeiro em LA Pomada E por 2002 Hank Good. 3. Módulos Computacionais Interativos A. Festival de Perguntas I 200 300 300 400</p><p>Balanços Molares 21 4. Problemas Resolvidos A. Cálculos de Reator em Batelada: Uma Sugestão de Coisas a Vir B. Modelagem do Nevoeiro na Bacia de LA FAQ [Perguntas Mais Na seção do ícone Atualizações/FAQ Estante com Referências Profissionais Problema Prático 1. Fotos de Reatores Reais Nevoeiro em L.A. T 2. Seção de Reatores da Enciclopédia Visual de Equipamentos Esta seção do CD-ROM mostra equipamentos industriais e discute suas operações. A porção do reator dessa enciclopédia está incluída no CD- ROM que acompanha este livro. Estante com Referências Módulo do CSTR Arquivo CSTR: Principal Reatores de tanque agitado (CSTR o mais básico dos contínuos usádos em processos () CSTR esquerda é encamisado INFORMAÇÃO GERAL EQUIPAMENTO EXEMPLOS DE USO ) VANTAGENS DESVANTAGENS Central REFERÊNCIAS DE VOLTA À TELA ANTERIOR Sam 3. Exemplo da produção de nitrobenzeno. Aqui, fluxograma do processo é dado juntamente com as condições operacionais. 4. Exemplo de Reator e Reação de Fischer-Tropsch. Uma reação de Fis- Estante com cher-Tropsch executada em um reator típico de transporte ascendente (Ri- ser). Exemplos de Aqui, fotografias e esquemas do equipamento, juntamente com as velocidades de alimen- reações e de tação, tamanhos do reator e reações principais reatores industriais nCO + 2nH2 + nH2O são também discutidas na ERP.</p><p>22 Capítulo 1 H2SO4 + + H2O Ejetor Nitrobenzeno Vapores a vácuo Reatores de nitração Separador Benzeno de bruto para Ácido usado lavagem Ácido reconcentrado Condensado para lavagem Concentrador de ácido sulfúrico Tanque de bombeamento de ácido sulfúrico Ácido nítrico Vapor de água Ácido sulfúrico de reposição Figura ERP.A-1 Fluxograma para a fabricação de nitrobenzeno. Funil de enchimento Riser Tubo de contenção Válvula de guilhotina Alimentação Figura ERP.B-1 O reator tem 3,5 de diâmetro e 38 m de altura. [Esquema e foto são cortesia da Sasol/Sastech PT Limited.] QUESTÕES E PROBLEMAS Gostaria de ter uma resposta para isso, porque estou ficando cansado de responder essa questão. Problemas Propostos Yogi Berra, New York Yankees Sports Illustrated, 11 de junho de 1984 subscrito para cada número do problema indica o nível de dificuldade: A, menos difícil; D, mais dificil A= Em cada uma das questões e problemas a seguir, em vez de apenas desenhar um retângulo ao redor de sua resposta, escreva uma frase ou duas, descrevendo como você resolveu o problema,</p><p>Balanços Molares 23 as suposições que fez, a coerência de sua resposta, o que você aprendeu, e quaisquer outros fatos que queira incluir. Você pode consultar os livros Curso de Redação, de Antônio Suares de Abreu (Editora Ática, São Paulo, 1999), e Manual de Redação e Estilo, de Eduardo Martins (Editora Moderna, São Paulo, 1997) para melhorar a qualidade de suas frases. Antes de resolver os problemas, Sugestão na Web estabeleça ou esquematize qualitativamente (a) Leia o Prefácio. Escreva um parágrafo descrevendo os objetivos do conteúdo as tendências os objetivos intelectuais do curso e do texto. Descreva também o conteúdo ou os resultados do CD e como o CD pode ser usado com o texto e o curso. esperados. (b) Liste as áreas na Figura 1-2 que você mais deseja estudar. (c) Dê uma rápida olhada nos módulos da web e liste aqueles que você acha que sejam as mais novas aplicações de (d) Visite a página da internet sobre resolução de problemas, www.engin.umich. Sugestão na Web para encontrar maneiras de "Desenrolar- se" em um problema e rever o "Algoritmo de Resolução de Problemas". Liste quatro maneiras que podem ajudá-lo nas soluções dos problemas propostos. (a) Depois de ler cada página ou duas, faça a si próprio uma pergunta. Faça uma lista das quatro melhores perguntas para este capítulo. (b) Faça uma lista de cinco assuntos mais importantes que você aprendeu deste capítulo. Visite a página da internet no tópico Raciocínios Crítico e Criativo, www.engin.umi- (a) Escreva um parágrafo descrevendo o que é "raciocínio crítico" é e você Sugestão na Web pode desenvolver suas habilidades de raciocínio crítico. (b) Escreva um parágrafo descrevendo o que é "raciocínio criativo" e então liste quatro procedimentos que você fará durante o próximo mês para aumentar as suas habilidades de raciocínio criativo. (c) Escreva uma pergunta baseada no material deste capítulo que envolva o racio- cínio crítico e explique por que ela envolve o raciocínio crítico. (d) Repita o item (c) para o raciocínio criativo. (e) Discuta uma lista de maneiras que você poderia usar a para trabalhar incorre- tamente os problemas P-XX (a serem especificados por seu professor por exemplo, Exemplo E-1 ou P1-4 Navegue pelo CD-ROM e pela internet Vá em uma busca, usando as notas com resumo para Capítulo 1 no CD-ROM. Sugestão na Web (a) Que pergunta mais (FAQ) não é realmente frequentemente questio- nada? (b) Que botão Deduza conduz à figura de uma naja? (c) Que botão Autotest conduz à figura de um coelho? (d) Que botão Exemplo conduz à figura de um hipopótamo? (e) Reveja, no CD-ROM, os objetivos do Capítulo 1 nas Notas com Resumo. Es- creva um parágrafo no qual você diga quão bem você se sente quando encon- trou esses objetivos. Discuta qualquer dificuldade que você tenha encontrado e três maneiras (e.g., encontro com o professor, colegas) pelas quais planeja resolver essas dificuldades. (f) Veja a seção Reator Químico da Enciclopédia Visual de Equipamentos no CD-ROM. Escreva um parágrafo descrevendo o que você aprendeu. (g) Veja as fotos e esquemas no CD-ROM com o nome Elementos de Engenharia das Reações Químicas Capítulo 1. Veja os vídeos em quicktime. Escreva um parágrafo, descrevendo um ou mais reatores. Que similaridades e dife-</p>