Caderno_de_Prova_Reatores_Qumicos_PDF

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<p>1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE PROVA ESCRITA EDITAL No: 035/2017-PROGESP/UFRN Carreira MAGISTÉRIO SUPERIOR Unidade Acadêmica: Departamento de Engenharia Química CT UFRN Área De Conhecimento Reatores Químicos 22/04/2018 Número de identificação: Orientações conforme itens do EDITAL No: 035/2017-PROGESP/UFRN e da Resolução no 167/2017-CONSEPE: A prova escrita deverá ser respondida com caneta esferográfica de tinta preta ou azul, sob pena de eliminação no concurso. O candidato identificará a sua prova escrita unicamente por um número, obtido mediante sorteio realizado antes do início da prova. Qualquer identificação que não a numérica implicará na eliminação do candidato no concurso. Cada candidato retirará de um envelope uma ficha contendo um número que deverá ser memorizado e mantido em sigilo, uma vez que servirá de identificação de sua prova; em seguida, o candidato escreverá seu nome completo na ficha e a devolverá ao referido envelope, que será lacrado e assinado sobre o lacre pelo presidente da Comissão Examinadora (CE). Não será permitida consulta a qualquer material, após o início da prova escrita, exceto aquele fornecido pela CE. A prova escrita será realizada em duas partes: A primeira parte será composta por vinte questões de múltipla escolha, baseada nos itens do programa da prova e valerá no máximo 10 (dez) pontos; A segunda parte será constituída de questões discursivas elaboradas pela CE e valerá no máximo 10 (dez) pontos. Somente terão corrigidas as Provas Discursivas (segunda parte) os candidatos que obtiverem o mínimo de 70% de acertos das questões de múltipla escolha válidas (primeira parte). O resultado da avaliação será obtido pela média aritmética das notas atribuídas nas duas partes (questões de múltipla escolha e discursiva). A CE atribuirá à prova escrita nota de 0,00 (zero) a 10 (dez), sendo desclassificado o candidato que obtiver nota final, resultante da média aritmética, inferior a 7,00 (sete) Serão considerados critérios de avaliação de todas as questões da prova escrita: Clareza e propriedade no uso da linguagem; Coerência e coesão textual, com uso correto da Língua Portuguesa ou língua estrangeira, nos casos especificados no art. 16 da Resolução no 167/2017- CONSEPE; Domínio dos conteúdos, evidenciando a compreensão dos temas objeto da prova; Domínio e precisão no uso de conceitos; Coerência no desenvolvimento das ideias e capacidade argumentativa. O valor de cada questão da Prova Escrita estará especificado na Ficha de Expectativa de Respostas e no caderno de provas. O resultado da prova escrita e a ficha de expectativa de resposta serão divulgados no quadro de avisos do Departamento Acadêmico ou da Unidade Acadêmica Especializada.</p><p>2 Primeira Parte - Múltipla Escolha 0,50 pontos cada questão Total 10,00 pontos] Questão 1: Considere as seguintes afirmações sobre cinética química: i. Embora a forma com que a velocidade de reação se relacione com as concentrações das espécies envolvidas (função de Cj) possa ser postulada a partir da teoria, são necessários dados experimentais para confirmar a forma proposta. ii. A molecularidade de uma reação diz respeito ao número de átomos, íons ou moléculas envolvidos que colidem entre si em uma etapa da reação. Entretanto, no caso de uma reação trimolecular, a probabilidade média de que haja colisões de três substâncias de uma só vez é mínima, sendo possível que a reação se comporte como uma reação bimolecular. iii. A reação homogênea e irreversível [ CO(g) + Cl2(g) ], cuja expressão de velocidade cinética é dada por [ -rco = ], é considerada uma reação elementar e de ordem global de 5/2. iv. A reação de desidrogenação de etano, equacionada por [ C2H6(g) C2H4(g) + H2(g) ], é considerada um exemplo de reação elementar de primeira ordem. Portanto, a lei de velocidade pode ser escrita = ], onde as quantidades e (k) possuem unidades equivalentes a e respectivamente. V. A quantidade "k" é referida frequentemente como constante de velocidade da reação. Em geral, admite- se que esta quantidade seja apenas função da temperatura, o que vale para a maioria das reações em laboratório e industriais. Indique a opção correta: a. Todas as afirmações estão corretas. b. Estão corretas as afirmações ii, iii e V. Estão corretas as afirmações i, ii e d. Estão corretas as afirmações i, ii, iv e V. e. Todas as afirmações estão erradas. Texto para Questões 2 e 3 Onde k(T): velocidade específica de reação; fator de frequência; E: energia de ativação; R. constante dos gases; T: temperatura absoluta] O postulado da equação de Arrhenius foi uma das maiores contribuições dadas à cinética química e permite que a energia de ativação "E" seja determinada experimentalmente. Considere os seguintes gráficos obtidos por linearização da equação de Arrhenius. Figura 1 Figura 2 Figura 3 (b) (1/T) (1/T) (1/T) A R A R mecanismo em duas etapas em mecanismo em duas etapas em série paralelo</p><p>3 Questão 2: A Figura 1 foi obtida coletando-se dados para uma reação reversível, exotérmica e em fase gasosa, sendo a curva (a) obtida empregando-se um catalisador "Catl" e a curva (b) obtida empregando-se um catalisador "Cat2". É correto afirmar que: a. A energia de ativação da reação catalisada pelo Catl é inferior à energia de ativação da reação catalisada pelo Cat2. b. A energia de ativação da reação catalisada pelo Cat2 é inferior à energia de ativação da reação catalisada pelo A energia de ativação da reação não depende do catalisador utilizado. d. Não há informações suficientes para comparar as energias de ativação da reação quando são usados os diferentes catalisadores e. Nenhuma das alternativas pode ser correta. Questão 3: As figuras 2 e 3 representam reações com mecanismo em duas etapas em paralelo e em série, respectivamente. Considere as seguintes afirmações: i. Com o aumento da temperatura, a energia de ativação diminui para o caso de etapas em paralelo. ii. Com o aumento da temperatura, a energia de ativação aumenta para o caso de etapas em paralelo. iii. Com o aumento da temperatura, a energia de ativação diminui para o caso de etapas em série. iv. Com a diminuição da temperatura, a energia de ativação diminui para o caso de etapas em série. Indique a opção correta: a. Todas as afirmações estão erradas. b. Estão corretas as afirmações ii, iii. Estão corretas as afirmações i e iii. d. Estão corretas as afirmações i e iv. e. Estão corretas as afirmações ii e iv. Questão 4: A tabela abaixo mostra os resultados de velocidade inicial, variando-se as concentrações de partida em uma série de experimentos de hidrogenação seletiva de óxido nítrico, realizados em um laboratório ambiental. 2NO(g) + 2H2(g) Experimento [NO] -rA 1 0,10 0,10 0,05 2 0,10 0,20 0,10 3 0,10 0,30 0,15 4 0,20 0,10 0,20 5 0,30 0,10 0,45 Com base nos dados experimentais, a equação para a velocidade da reação é: a. = b. = k.CH2 -ra = d. = e. =</p><p>4 Questão 5: C Ao Considere a Figura 4 como a representação do comportamento de uma reação química envolvendo as espécies A, R e S, para os quais são feitas as seguintes afirmações: Cs CR C, tempo Figura 4 Fonte : Levenspiel 2011 k1 i. A reação é irreversível do tipo A R + S k1 k2 ii. A reação é irreversível do tipo A R S k1 iii. A reação é reversível do tipo A R + S k2 iv. A equação cinética para o componente A pode ser escrita como: A equação cinética para o componente R pode ser escrita como: - vi. A equação cinética para o componente S pode ser escrita como: Indique a opção correta: a. Estão corretas as opções i e iv. b. Estão corretas as opções ii e vi Estão corretas as opções ii, iv e d. Estão corretas as opções iii e vi. e. Todas as afirmações estão erradas. Questão 6: Para que se possa tomar decisões técnicas a fim de otimizar a produção de um componente em um dado processo químico industrial, é necessário conhecer e avaliar as várias possibilidades de operação e de configurações de diferentes reatores. Para tanto, o engenheiro químico se faz necessário. Em paralelo, há a necessidade de outros conhecimentos relacionados à área de reatores, tais como o conhecimento dos fenômenos de transferência de quantidade de movimento, calor e massa que ocorrem nestes equipamentos. A respeito do comportamento de reatores, avalie as seguintes afirmações: i. Em certas situações, o termo de acúmulo pode ser desprezado no reator tipo batelada. V. Um conjunto de reatores de mistura perfeita (CSTR) em série pode ser aproximado, para efeitos de modelagem, a um reator tubular ideal. vi. Em um reator tubular com leito empacotado, esperam-se taxas de transferência de calor elevadas na região próxima ao empacotamento. vii. Em um reator do tipo leito fluidizado, a vazão de mínima de fluidização resulta de um balanço entre o empuxo exercido pelo fluido, a força de arraste e a força peso das partículas do leito. É certo afirmar que: a. Apenas a afirmação i está correta; b. Apenas a afirmação iii está correta; Apenas as afirmações i e iv estão d. As afirmações ii, iii e iv estão corretas. e. Todas as afirmações estão corretas.</p><p>5 100 100 Terceira ordem 3) Reação de N=1 segunda ordem Segunda ordem 1.000 2) EA= 2 500 2 200 100 10 10 Primeira 50 ordem N=2 20 EA=2 10 =0 2 5 N=4 2 N 10 1 pistonado) 0,01 0,1 1,0 1 0,01 0,1 1-X, Figura 5: Comparação de desempenho de reatores CSTR Figura 6: Comparação de desempenho de reatores CSTR e PFR para reações de ordem de mesmo volume em série para reações de ordem. Fonte : Levenspiel 2011 Fonte : Levenspiel 2011 Questão 7: k Para uma dada reação química do tipo A + B 2P , onde k é a velocidade específica conhecida, em uma temperatura fixa T, utiliza-se um reator de mistura perfeita com volume VM para se obter uma conversão de 80% do reagente A. Em condições de reavaliação do processo, pergunta-se qual seria o volume de um reator tubular onde se poderia obter o mesmo nível de conversão. Após a análise desta comparação, o valor de encontrado é igual a: a. 0,20 VM b. 0,40 VM c. 0,50 VM d. 0,75 VM e. 0,80 VM Questão 8: Para a mesma reação e condições de operação do reator VM descrito na Questão 7, estudou-se a possibilidade de aquisição de mais um reator idêntico ao primeiro, o qual seria instalado em série. Desta forma, pergunta- se qual seria o novo patamar de conversão do reagente A (XA) no sistema. Após esta estimativa, encontrou-se um valor aproximado de: a. 85% b. 89% c. 92% d. 95% e. 100%</p><p>6 Questão 9: Para o novo esquema de dois reatores de mistura iguais e em série estudados na Questão 8 e considerando a manutenção do nível de conversão inicial de 80%, indique qual seria o aumento da taxa de escoamento para o sistema: a. 1,5 vez. b. 2,0 vezes. 2,5 vezes. d. 4,0 vezes. e. Questão 10: A respeito da Distribuição do Tempo de Residência (DTR), avalie as seguintes afirmações: Injeção Detecção i. Em um reator ideal PFR, todos as pulso Resposta ao pulso moléculas de um determinado material que deixam o reator permaneceram exatamente A curva o o mesmo tempo em seu interior. ii. Em um reator CSTR, embora haja a 0 0 1 hipótese de mistura perfeita, sempre haverá Injeção degrau Resposta ao degrau um DTR. C C iii. A obtenção experimental de uma curva DTR para um reator PFR não é capaz de 0 detectar escoamento axial no mesmo. iv. Uma perturbação tipo pulso consiste em uma alimentação contínua de uma molécula de modo que inerte, denominada traçador, a qual deverá AN ser facilmente detectada e solúvel no meio reacional. A função de distribuição DTR, conhecida Figura 7: Modelos e medidas de DRT V. como grandeza E(t), descreve quanto tempo Fonte: Fogler 2014 diferentes porções do fluido permanecem no interior do reator. Indique a opção correta: a. Estão corretas apenas as afirmações i e iv. Tempo de Residência Médio: b. Estão corretas apenas as afirmações i, ii e V. t.E(t). dt tm= Estão corretas apenas as afirmações i, iii e iv. dt d. Estão corretas apenas as afirmações iv e V. Ou, = e. Todas as afirmações estão corretas.</p><p>7 Questão 11: Um experimento tipo pulso foi realizado em um tanque fechado que será utilizado como reator químico. Para tanto, utilizou-se um traçador do tipo corante de fácil detecção. Os dados da variação da concentração de saída com o tempo de reação são dados na tabela abaixo. t (min) 0 5 10 15 20 25 30 35 0 3 5 5 4 2 1 0 -- 0,75 2,50 3,75 4,00 2,50 1,50 Com base nesses dados, encontrou-se um valor estimado para o tempo médio de residência de: a. 08,5 min. b. 10,0 min. 15,0 min. d. 20,0 min. e. 25,0 min. A B A B 7 1 7 Difusão externa B 2 6 Difusão interna 6 3 5 4 A B Superfície catalítica Figura 10-5 Etapas em uma reação catalítica Figura 8 - Fonte: Fogler 2014 Questão 12: Com relação à Figura 8, a qual representa as etapas de uma reação catalítica heterogênea, pode-se afirmar que: i. As etapas 1 e 7 são relativas à lei de difusão de Fick. ii. As etapas 2 e 6 dizem respeito à adsorção. iii. A etapa 4 - reação química - é sempre, prioritariamente a etapa limitante. iv. A dessorção do produto B na superfície catalítica é irrelevante. V. A compreensão deste mecanismo requer encontrar / postular uma etapa limitante. Indique a opção correta: a. Estão corretos apenas os itens i e V. b. Todos os itens estão corretos. Todos os itens estão errados. d. Estão corretos os itens ii, iii e iv. e. Apenas o item ii está errado.</p><p>8 Questão 13: Devido à grande importância industrial das reações catalíticas, um esforço enorme tem sido feito para desenvolver modelos e compreender o comportamento da taxa de reação de "A" em uma partícula de catalisador poroso. Em resumo pode-se citar as seguintes considerações: i. Para sistemas reagentes gasosos em presença de um catalisador sólido poroso, as reações lentas são influenciadas prioritariamente pela cinética de superfície no interior ou no exterior da partícula do catalisador. ii. Em reações mais rápidas, entra em questão a difusão nos poros, fazendo com que o interior da partícula fique mais ávido por receber reagente. iii. A reação acontece em um sítio ativo na superfície do catalisador, sendo necessário avaliar as etapas de adsorção / dessorção, pois podem influenciar a taxa global. iv. A resistência à difusão no filme ou gradientes de concentração no filme que circunda a partícula, em geral, não é controladora. Indique a opção correta: a. Estão corretos os itens i e iii. b. Estão corretos os itens i, ii e iii. Está correto somente o item iv. d. Nenhum item está correto. e. Todos os itens estão corretos. Questão 14: Ainda sobre a importância do uso de catalisadores nos processos industriais, faz- se necessária uma discussão sobre a desativação dos catalisadores para chegar a um plano de Neste sentido, indique qual a alternativa que não contribui para um plano de ação eficiente que minimize o problema. a. Para um tempo longo de corrida. se for muito sensível à temperatura comparada com a taxa de reação, plano de será elevar a temperatura com o tempo. b. Se a desativação for menos sensível a temperatura quando comparada à reação, o plano será manter , por exemplo diminuindo a alimentação. Em reatores de leito fixo, usar catalisadores que desativam rapidamente Para catalisadores que desativam muito rapidamente os reatores de leito fixo são os mais indicados. Questão 15: Considere as seguintes reações em série: e Assinale a alternativa que apresenta, respectivamente, as equações de velocidade corretas para as espécies químicas R e T: = dCR dCT e = dt dt dCT (b) e = dt dt (c) = dCT e = dt dt (d) = dCT e = dt dt dCT e dt dt</p><p>9 Questão 16: Para uma reação hipotética A + B C + D, foram determinadas as seguintes constantes de velocidade a 300 K e a 400 K, respectivamente: k (300 K) = 0,05 e k (400 K) = 6,00 Tomando o fator de frequência como independente da temperatura, obteve-se a energia de ativação da reação, em kcal Para o cálculo, usaram-se os seguintes valores aproximados: [R = 2 cal [In 0,05 = -3] e [In 6,00 = 2]. O valor obtido para a energia de ativação foi igual a: (a) 0,12 kcal (b) 0,48 kcal (c) 3,0 kcal (d) 6,0 kcal (e) 12,0 kcal Questão 17: A desativação um catalisador heterogêneo pode se dar de várias maneiras, entre eles a denominada desativação paralela. Sendo A um reagente, R o produto a ser obtido, P um material estranho ao processo e o sinal a indicação de deposição na superfície do catalisador, qual a opção que apresenta o esquema reacional representativo da desativação paralela? (a) A R (b) A ReP (c) A (e) Questão 18: A lei da ação das massas constitui um enunciado fundamental da Cinética Química, estabelecendo uma relação direta entre a equação química e a equação da taxa de reação. Reações cujo comportamento cinético segue esta lei cinética são ditas elementares. Considerar uma reação de síntese cuja equação química é A + B P, com comportamento cinético elementar, sendo k a taxa específica de reação. Se esta reação for realizada em um reator batelada, partindo-se dos reagentes em razão estequiométrica, é verdadeiro afirmar que: (a) A variação da concentração da espécie A (CA) com o tempo (t) é dada pela relação: CA = sendo a concentração inicial da espécie A. (b) A variação da concentração da espécie A (CA) com o tempo (t) é dada pela relação: CA = CAO kt, sendo a concentração inicial da espécie A. (c) A variação da concentração da espécie A (CA) com o tempo (t) é dada pela relação: sendo CAO a concentração inicial da espécie A e a concentração inicial da espécie B. (d) A variação da concentração da espécie B (CB) com o tempo (t) é dada pela relação: sendo CAO a concentração inicial da espécie A e CBO a concentração inicial da espécie B. (e) A variação da concentração da espécie B (CB) com o tempo (t) é dada pela relação: sendo CBO a concentração inicial da espécie B.</p><p>10 Questão 19: A operação não-isotérmica de reatores químicos é uma realidade em diversos processos químicos industriais. Considerando-se a operação adiabática de um reator batelada, têm-se as seguintes assertivas: i. É necessário um eficiente sistema de transferência de calor da mistura reacional para um fluido térmico de elevada capacitância térmica. ii. O cálculo do tempo de batelada para uma dada conversão pode ser feito utilizando-se a equação de projeto básica para o reator batelada, levando-se em conta a relação entre a conversão e a temperatura. iii. Para uma reação irreversível endotérmica, após a partida do reator, a temperatura diminuirá com o tempo, atingindo um valor mínimo no instante correspondente ao tempo de meia-vida do reagente limitante. iv. Para uma reação irreversível exotérmica, após a partida do reator, a temperatura aumentará com o tempo, atingindo um valor máximo no instante correspondente ao tempo de meia-vida do reagente limitante. V. Para uma reação simples reversível, após a partida do reator, a temperatura não variará com o tempo, uma vez que os efeitos térmicos das reações direta e inversa se compensarão. Tendo em vista as assertivas acima, indique a opção correta: (a) As afirmações expressas em (i) e (ii) são verdadeiras. (b) As afirmações expressas em (iii), (iv) e (v) são verdadeiras. (c) Apenas a afirmação expressa em (ii) é verdadeira. (d) Apenas a afirmação expressa em (i) é falsa. (e) As afirmações expressas em (iii) e (iv) são verdadeiras. Questão 20: Testes experimentais para uma reação de isomerização, A B, foram realizados em laboratório, utilizando- se um reator batelada. As seguintes observações foram anotadas: i. Para corridas de longa duração, verifica-se que o reagente A é completamente consumido. ii. Aumentando-se a concentração do reagente na carga de partida, de 2 mol/L para 4 mol/L, verificou- se que o tempo de meia-vida para a primeira concentração era o dobro daquele para a segunda concentração, indicando um efeito inverso da concentração do reagente sobre o seu tempo de meia- vida. iii. A velocidade de consumo do reagente depende apenas de sua concentração. Tendo em vista estas constatações empíricas, pode-se afirmar que: (a) A reação considerada é irreversível e elementar. (b) A reação considerada é reversível e não-elementar. (c) A reação considerada é reversível, com reações direta e inversa elementares. (d) A reação considerada é irreversível e não-elementar. (e) A reação considerada é irreversível e de ordem zero.</p><p>11 Segunda Parte -Descritiva [Total 10,00 pontos] Questão 21: DISCURSIVA (4,00 Pontos) Sobre as características dos principais tipos de reatores, apresente em forma de itens ou em forma de quadro resumo as informações listadas para os seguintes reatores: Batelada-STR, CSTR, PFR, Leito fixo - PBR Leito Fluidizado FBR Informações solicitadas: Possíveis fases de operação. Tipo de operação. Nível de conversão. Uso típico. 01 Vantagem. 01 Desvantagem. Resposta Questão 21</p><p>12 Resposta Questão 21 (Continuação)</p><p>13 Questão 22: DISCURSIVA (6,00 Pontos) Para cada caso, a partir um balanço de massa adequado, indicando um esquema com vazões, concentrações e volume de controle, encontre a equação de projeto para os seguintes reatores; a. Reator Batelada. b. Reator de Mistura Perfeita - CSTR. Reator Tubular Ideal- PFR. Resposta Questão 22 (a)</p><p>14 Resposta Questão 22 (b)</p><p>15 Resposta Questão 22 (c)</p><p>Questão 14: Ainda sobre a importância do uso de catalisadores nos processos industriais, faz-se necessária uma discussão sobre a desativação dos catalisadores para chegar a um plano de ação. Neste sentido, indique qual a alternativa que não contribui para um plano de ação eficiente que minimize o problema. a. Para um tempo longo de corrida, se a desativação for muito sensível à temperatura comparada com a taxa de reação, então o plano de ação será elevar a temperatura com o tempo. b. Se a desativação for menos sensível à temperatura quando comparada à taxa de reação, o plano será manter a conversão por exemplo diminuindo a alimentação. Na prática, uma possibilidade para contornar o problema de desativação catalítica é a parada do reator. d. Para catalisadores que desativam rapidamente, reatores de leito fixo são mais indicados.</p><p>16 Respostas das Questões de 1 a 20: 1 11 2 12 3 13 4 14 5 15 6 16 7 17 8 18 9 19 10 20</p>