Exercícios de Reatores Químicos

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FURB – Universidade Regional de Blumenau
Departamento de Engenharia Química
Lista 2 de Exercícios de Reatores I
Professor Dirceu Noriler
1. A reação em fase líquida: 
A + B -> C
segue uma lei de velocidade elementar e é conduzida isotermicamente em um sistema de 
escoamento contínuo. As concentrações das correntes de alimentação de A e B são 2 M antes da 
mistura. A vazão volumétrica de cada uma das correntes é de 5 dm³ / min e a temperatura de entrada 
é de 300K . As correntes são misturadas imediatamente antes da entrada. Dois reatores estão 
disponíveis. Um é um CSTR cinza de 200,0 dm³ que pode ser aquecido até 77°C ou resfriado até 
0°C, e o outro é um PFR branco operado a 300K que não pode ser aquecido nem resfriado, mas 
pode ser pintado de vermelho ou preto. Observe que k = 0,07 dm³/mol.min a 300K e E = 20 
kcal/mol.
a) Que reator e em que condições você recomentaria? Explique a razão de sua escolha (p. ex. cor, 
custo, espaço disponível, condições climáticas.) Fundamente seus argumentos com cálculos 
apropriados.
b) Quanto tempo levaria para se alcançar 90% de conversão em um reator batelada de 200 dm³ com 
CA0 = CB0 = 1M depois da mistura a uma temperatura de 77°C?
c) Como sua resposta para a parte (b) mudaria se o reator fosse resfriado a 0°C?
d) Que preocupações você deveria ter para conduzir a reação a temperaturas mais altas?
e) Tendo em mente a Tabela 4.1 (FOGLER, H.S.), que volume de reator batelada seria necessário 
para processar a mesma quantidade da espécie A por dia num reator de escoamento para alcançar 
pelo menos 90% de conversão? Considerando a tabela 1-1 (FOGLER, H.S.), estime o custo do 
reator batelada.
f) Escreva algumas frases descrevendo o que você aprendeu do problema e qual você acredita que 
seja o ponto mais importante deste problema.
2. O ftalato de dibutila (DBP), um agente plastificante, possui um mercado potencial de 12 
milhões de lb/ano e deve ser produzido a uma lei de velocidade elementar e é catalisada por 
H2SO4. Uma corrente de entrada do reator é de 0,2 lbmol/ft³ e a vazão molar de alimentação do 
butanol é de cinco vezes a do MBP. A velocidade específica de reação a 100°F é de 1,2 ft³/lbmol.h . 
Existe um CSTR de 1000 galões e equipamento periférico associado disponível para uso neste 
projeto por 30 dias por ano (Operando 24h/dia).
a) Determine a conversão de saída no reator de 1000 galões disponível se você tem que produzir 
33% (4 milhões de lb/ano) do mercado previsto.
b) Como você poderia aumentar a conversão e diminuir o tempo de operação? Por exemplo, que 
conversão seria alcançada se um segundo CSTR de 1000 galões fosse colocado em série ou paralelo 
com o CSTR?
c) Para a mesma temperatura e condições de alimentação da parte (a), qual seria o volume de CSTR 
necessário para se alcançar uma conversão de 85% para uma vazão molar de alimentação de 1 
lbmol/min ?
d) Compare seus resultados da parte (c) com aqueles de um PFR necessário para alcançar 85% de 
conversão.
e) Tendo em mente os tempos da Tabela 4-1 (FOGLER, H. S.) para enchimento, e outras operações, 
quantos reatores de 1000 galões operando em modo batelada seriam necessários para se alcançar a 
produção requerida de 4 milhões de libras em um período de 30 dias? Estime o custo dos reatores 
no sistema.
3. A reação elementar em gase gasosa 
(CH3)3COOC(CH3)3 --> C2H6 + 2CH3COCH3
é conduzida isotermicamente em um reator de escoamento contínuo sem perda de pressão. A 
velocidade específica de reação a 50°C é de 10-4 min-1 e a energia de ativação é de 85 kJ/mol. 
Peróxido de di-terc-butila puro entra no reator a 10 atm e 127°C e a uma vazão molar de 2,5 
mol/min. Calcule o volume do reator e o tempo espacial para alcançar 90% de conversão em:
a) um CSTR
b) um PFR
c) Se esta reação for conduzida a 10 atm e 127°C em um modo batelada com 90% de conversão, 
qual o tamanho do reator e o custo que seria necessário para processar 3600 mol de peróxido de di-
terc-butila por dia?
d) Assuma que a reação é reversível com Kc = 0,025 mol²/dm6 e calcule a conversão de equilíbrio, e 
então refaça de (a) até (c) para alcançar uma conversão que seja 90% da conversão de equilíbrio.
e) Que temperatura de CSTR você recomendaria para um CSTR de 500 dm³ para obter a conversão 
máxima se ΔHR = -100000 cal/mol?
4. A isomerização A --> B em fase líquida é conduzida em um CSTR de 1000 gal que possui 
um único agitador localizado à meia altura do reator. O líquido entra no topo do reator e sai pelo 
fundo. A reação é de segunda ordem. Dados experimentais retirados de um reator batelada permitem 
prever que a conversão do CSTR deveria ser de 50%. Contudo, a conversão medida no CSTR real 
foi de 57%.
a) Sugira razões para essa discrepância e sugira algo que dará melhor acordo entre a conversão 
prevista e a medida. Fundamente suas sugestões com cálculos.
b) Considere o caso em que a reação é reversível com Kc = 15 a 300 K, e ΔHr = -25000 cal/mol. 
Assumindo que os dados de batelada obtidos a 300 K sejam precisos e que E = 15000 cal/mol, que 
temperatura você recomendaria para o CSTR visando máxima conversão?
5. A formação de difenila discutida na seção 3.1.4. (FOGLER, H.S.) deve ser conduzida a 
760°C. A alimentação é de benzeno puro em fase gasosa a uma pressão total de 5 atm e 760°C. A 
velocidade específica de reação é de 1800 ft³/lbmol.s e a constante de equilíbrio com base na 
concentração é 0,3 conforme estimado pelo oscímetro de velocidade tripla de Davenport. O volume 
do reator batelada é de 1500 dm³. Além disso, o interior do reator batelada está sendo fortemente 
corroído, como evidenciado pelo material particulado que está caindo das bordas internas no fundo 
do reator, mas você não precisa considerar este efeito.
a) Qual é a conversão de equilíbrio?
Calcule o volume de reator necessário para alcançar 98% da conversão de equilíbrio do benzeno em 
um:
b) PFR (com alimentação de benzeno de 10 lbmol/min)
c) CSTR (com alimentação de benzeno de 10 lbmol/min)
d) Calcule o volume de um reator batelada de volume constante, que processe por dia a mesma 
quantidade de benzeno que o CSTR. Qual é o custo correspondente do reator?
e) Se a energia de ativação fosse de 30202 Btu/lbmol, qual a razão entre a velocidade inicial de 
reação (i.e., X=0) a 1400°F e a 800°F?
6. A reação em fase gasosa A --> B possui uma constante de velocidade de reação 
unimolecular de 0,0015 min-1 a 80°F. Esta reação deve ser conduzida em tubos paralelos de 10 pés 
de comprimento e 1 polegada de diâmetro interno a uma pressão de 132 psig a 260°F. Pretende-se 
produzir 1000 lb/h de B. Considerando uma energia de ativação de 25000 cal/mol, quantos tubos 
serão necessários para que a conversão de A seja de 90%? Assuma comportamento de gás ideal. A e 
B possuam massa molecular igual a 58.
7. A reação elementar irreversível 2A --> B ocorre em fase gasosa em um reator tubular 
isotérmico. O reagente A e um diluente C são alimentados em razão equimolar, e a conversão de A é 
de 80%. Se a vazão molar de A for reduzida à metade, qual será a conversão de A assumindo que a 
vazão de alimentação de C não mude? Considere comportamento de gás ideal e que a temperatura 
do reator permanece inalterada.
8. Um composto A é submetido a uma reação de isomerização reversível. Sob condições 
pertinentes, A e B são líquidos, miscíveis e de massa específica aproximadamente iguais; a 
constante de equilíbrio para a reação (em unidades de concentração) é 5,8. Em um reator de leito 
fixo isotérmico, no qual o grau de mistura é desprezível (i.e., o escoamento é uniforme), uma 
alimentação de A puro é convertida a B em 55%. A reação é elementar. Se um segundo reator 
idêntico ao primeiro e operando à mesma temperatura for colocado a jusanto do primeiro, qual a 
conversão global de você esperariase:
a) Os reatores forem diretamente conectados em série?
b) Os produtos do primeiro reator forem separados por processos apropriados e apenas o A não 
convertido for alimentado no segundo reator?
9. Um total de 2500 gal/h de meta-xileno está sendo isomerizado para uma mistura de orto-
xileno e para-xileno em um reator contendo 1000 ft³ de catalisador. A reação está sendo conduzida a 
750°F e 300 psig. Sob estas condições, 37% do meta-xileno alimentado no reator é isomerizado. A 
uma vazão de 1667 gal/h, 50% do meta-xileno é isomerizado nas mesmas condições de temperatura 
e pressão. As variações de energia são desprezíveis.
Propõe-se agora que uma segunda planta seja construída para processar 5500 gal/h de meta-
xileno nas mesmas condições de temperatura e pressão descritas acima. Que tamanho de reator (i.e., 
volume de catalisador) é necessário se a conversão na nova planta deve ser de 46% em vez de 37%?
10. Deseja-se conduzir a reação A --> B em fase gasosa em um reator tubular que está 
disponível, consistindo em 50 tubos paralelos de 40 pés de comprimento com um diâmetro interno 
de 0,75 in. Experimentos em escala de bancada forneceram a velocidade específica de reação para 
esta reação de primeira ordem como 0,00152 s-1 a uma conversão de A de 80% com uma 
alimentação de 500 lb/h de A puro e uma pressão de operação de 100 psig? Massa molecular de A = 
73. Considerar gás ideal e reação irreversível.
11. Um reator de escoamento contínuo à pressão constante e isotérmico é projetado para 
fornecer uma conversão de 63,2% de A para B para a reação de decomposição em fase gasosa
A --> B
para uma alimentação de A puro a uma vazão de 5 ft³/h. Na temperatura de operação escolhida, a 
constante de velocidade de primeira ordem, k = 5,0 h-1. Contudo, depois de o reator ter sido 
instalado e colocado em operação, encontrou-se que a conversão é de 92,7% da conversão desejada. 
Acredita-se que esta discrepância seja devida a uma perturbação na vazão, que dá origem a uma 
região intensa de mistura no reator. Assumindo que esta região comporta-se como um reator de 
mistura contínuo perfeitamente agitado em série e entre dois reatores de escoamento uniforme, que 
fração do volume total do reator é ocupado por esta região?
12. Uma reação de tratamento de resíduo industrial patenteada, que codificaremos como 
A → B + S deve ser realizada em um reator CSTR de 10 dm³ seguido por um PFR de 10 dm³. A 
reação é elementar, mas A, que entra com uma concentração de 0,001 mol/dm³ e a uma vazão molar 
de 20 mol/min, é de difícil decomposição. A velocidade específica de reação a 42°C (temperatura 
ambiente no deserto de Mojave) é 0,0001 s-1. Contudo, não conhecemos a energia de ativação; 
portanto, não podemos realizar esta reação no inverno de Michigan. Consequentemente, embora 
esta reação seja importante, não vale a pena perdermos tempo estudando-a. Portanto, talvez você 
queira fazer uma pausa e ir assistir um filme como Dança com Lobos (Um dos preferidos do autor 
FOGLER), ou Evita, ou o Paciente Inglês.
13. Há dois reatores de volumes iguais para o seu uso: um CSTR e um PFR. A reação é de 
segunda ordem ( -rA = KCA² = KCA0²(1-X)²), irreversível, sendo conduzida isotermicamente.
A --> B
Há três alternativas para você arranjar seu sistema:
(1) Reatores em série: CSTR seguido do PFR
(2) Reatores em série: PFR seguido do CSTR
(3) Reatores em paralelo, cada um sendo alimentado com metade da corrente de alimentação, e 
sebsequente mistura dos efluentes dos reatores.
a) Se possível, diga qual sistema fornecerá a maior conversão final.
b) Se possível, diga qual sistema fornecerá a menor conversão final.
c) Se em um ou mais casos acima não for possível obter uma resposta, explique por quê.
d) Comente se este é, ou não, um problema razoável para o exame final.
14. a) Que esquemas de reação e condições você usaria para maximizar os parâmetros de 
seletividade S para as seguintes reações paralelas:
A + C --> D rD = 800e(-2000/T)CA0,5CC
A + C --> U1 rU = 10e(-300/T)CACC
onde D é o produto desejado e U1 é o produto indesejado?
b) Diga como sua resposta para a parte (a) mudaria se C reagisse com D para formar um outro 
produto indesejado,
D + C --> U2 rU2 = 106e(-8000/T)CCCD
Em qual temperatura o reator deveria ser operado se as concentrações de A e de D no reator fossem 
de 1 mol/dm³ cada?
c) Para um CSTR de laboratório de 2 dm³ com CC0=CA0= 1 mol/dm³ e v0 = 1 dm³/min, que 
temperatura você recomendaria para maximizar YD?
d) Duas reações em fase gasosa estão ocorrendo em um reator tubular de escoamento uniforme, que 
é operado isotermicamente a uma temperatura de 440°F e a uma pressão de 5 atm. A primeira 
reação é de primeira ordem:
A --> B - rA = k1CA k1 = 10s-1
e a segunda reação é de ordem zero:
C --> D + E -rC = k2 = 0,03 lbmol/ft³.s
A alimentação, que é equimolar em A e C, entra a uma vazão de 10 lbmol/s. Que volume de reator é 
necessário para uma conversão de 50% de A para B?
15. Uma mistura de 50% A e 50% B é carregada num reator batelada de volume constante 
no qual o equilíbrio é rapidamente alcançado. A concentração inicial total é de 3,0 mol/dm³.
a) Calcule as concentrações de equilíbrio e a conversão de A a 330K para a sequência de reações:
Reação 1: A + B <==> C + D KC1(330K) = 4,0 ; KC1(350K) = 2,63
Reação 2: C + B <==> X + Y KC2(330K) = 1,0 ; KC2(350K) = 1,51
b) Suponha agora que a temperatura seja aumentada para 350K. Como resultado, uma terceira 
reação precisa agora ser considerada em adição às reações anteriores:
Reação 3: A + X <==> Z KC3(350K) = 5,0 dm³/mol
Calcule as concentrações de equilíbrio, a conversão de A e as seletividades totais SCX, SDZ, SYZ.
Informação Adicional: ΔHR1 = -20000J/mol A ΔHR2 = 20000 J/mol B ΔHR3 = -40000J/mol A
16. Considere o seguinte sistema de reações em fase gasosa:
A --> X rX=k1 k1 = 0,002 mol/dm³.min
A --> B rB=k2CA k2 = 0,06 min-1
A --> Y ry=k3CA² k3 = 0,3 dm³/mol.min
B é o produto desejado, e X e Y são poluentes nocivos que são de remoção dispendiosa. As 
velocidades específicas de reação são dadas a 27°C. O Sistema reacional deverá ser operado a 27°C 
e a 4 atm. O elemento A puro entra no sistema a uma vazão volumétrica de 10 dm³/min.
a) Faça um esboço das seletividades instantâneas (SBX, SBY e SB/XY = rB/(rX + rY)) em função da 
concentração de A, CA.
b) Considere reatores em série. Qual deveria ser o volume do primeiro reator?
c) Quais são as concentrações de A, B, X e Y no efluente do primeiro reator?
d) Qual é a conversão de A no primeiro reator?
e) Se é desejada uma conversão de 90%, que esquema e tamanho de reatores você deveria usar?
f) Suponha que E1 = 10000 cal/mol, E2 = 20000 cal/mol e E3 = 30000 cal/mol. Que temperatura 
você recomendaria para um CSTR simples com um tempo espacial de 10 min e uma concentração 
de entrada de A de 0,1 mol/dm³?
17. As seguintes reações de desalquilação ocorrem em condições próximas a 800K e 
3500kPa:
(1) H2 + C6H(CH3)5 --> C6H2(CH3)4 + CH4 rC11 = k1CH21/2C11
(2) H2 + C6H2(CH3)4 --> C6H3(CH3)3 + CH4 rC10 = k2CH21/2C10
(3) H2 + C6H3(CH3)3--> C6H4(CH3)2 + CH4 rC9 = k3CH21/2C9
(4) H2 + C6H4(CH3)2 --> C6H5(CH3) + CH4 rC8 = k4CH21/2C8
(5) H2 + C6H5CH3 --> C6H6 + CH4 rC7 = k5CH21/2C7
k5 = 2,1(kmol/m³)-1/2/s
k1/k5 = 17,6 ; k2/k5 = 10 ; k3/k5 = 4,4 ; k4/k5 = 2,7 
A alimentação é equimolar em hidrogênio e pentametilbenzeno.
a) Para uma vazão volumétrica de entrada de 1 m³/s, qual é a razão de hidrogênio por 
parametilbenzeno e qual o volume do reator PFR que você recomendaria para maximizar a 
formação de C6H4(CH3)2?
b) Como sua resposta mudaria se você tivesse que maximizar a seletividade global para C8 em 
relaçãoa C9, isso é, S89? E para C8 em relação a C7?
c) Na sua opinião, qual o objetivo deste problema?
Faça um gráfico da fração de cada componente como uma função da fração de parametilbenzeno. 
Faça um gráfico da fração molar de cada componente como uma função do volume do reator de 
escoamento uniforme. Discuta qualquer otimização que poderia ser feita.