Reatores Aula 4 Reator Contínuo Isotérmicos

Prévia do material em texto

U S P – E E L - Esco la de Engenha r i a de Lo rena 
Reatores – Aula 4 – Reatores Contínuos Isotérmicos 
 
__________________________1__________________________ 
Notas de Aula - Reatores – Prof. Dr. Marco Antonio Pereira 
 
 
1 – Introdução 
 Reatores contínuos são os que operam o tempo todo com entrada de alimentação e saída de 
produto. 
 O foco desta aula está nos dois principais tipos de reatores contínuos ideais: 
� Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) 
� Plug Flow Reactor (PFR) 
 
 
2 – Tempo Espacial 
 Tempo espacial (τ) é o tempo necessário para processar um volume de alimentação, 
correspondente a um volume de reator, medido em condições específicas. 
 [ ] ( )tempo
tempo
volume
volume
v
V
 τ
0
=


= 
 
Velocidade espacial (s) é o número de volumes de reator que foram alimentados, em 
condições especificadas e que podem ser tratados na unidade de tempo. 
 
[ ] 1tempo
τ
1
s
−
== 
 
3 – Reator de mistura 
 
 
 
 Este reator possui uma excelente 
agitação e seu interior permanece com 
composição uniforme. 
 
 Seu nome mais comum na literatura é 
CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor), mas 
também é chamado de reator de mistura 
perfeita (mixed reactor ou backmix reator) ou 
MFR (Mixed Flow Reactor). 
 
 
 Sua equação geral conforme já foi visto é: 
 
( ) ( )A
AA
A
AA
r
XF
r
FF
V 00
−
=
−
−
=
 (4.1) 
 
 Aplicando-se o conceito de tempo espacial, tem-se: 
 
( )A
AA
0
r
XF
 v 0
−
=τ
 ⇒ ( )A
AA
r
XC
 τ 0
−
=
 (4.2) 
 
 De uma forma geral, então esta equação pode ser assim escrita: 
 
U S P – E E L - Esco la de Engenha r i a de Lo rena 
Reatores – Aula 4 – Reatores Contínuos Isotérmicos 
 
__________________________2__________________________ 
Notas de Aula - Reatores – Prof. Dr. Marco Antonio Pereira 
 
( )A
A
AA r
X
C
τ
F
V
 
00
−
==
 (4.3) 
 
 Para sistemas a volume constante (ξA = 0), tem-se que ACCXC 00 AAA −= , e então, a 
equação (4.2) passa a ser: 
 
( )A
AA
r
C-C
 τ 0
−
= (4.4) 
 
 Estas equações gerais permitem uma representação gráfica conforme mostrado a seguir: 
 
 
 
 
4 – Reator tubular 
 
 
 Este reator consiste de um tubo vazio 
por onde passa a mistura reacional. 
 Este reator recebe na literatura os 
nomes de reator com escoamento pistonado 
(PFR – Plug Flow Reactor), reator tubular ideal 
(Ideal Tubular Flow) e reator com escoamento 
sem mistura (Unmixed Flow). 
 
 
 Sua equação geral conforme já foi visto é: 
 
( )∫ −= A0 X0 AAA r
dX
 FV
 (4.5) 
 
 Aplicando o conceito e tempo espacial, tem-se, então, que: 
U S P – E E L - Esco la de Engenha r i a de Lo rena 
Reatores – Aula 4 – Reatores Contínuos Isotérmicos 
 
__________________________3__________________________ 
Notas de Aula - Reatores – Prof. Dr. Marco Antonio Pereira 
 
 
( )∫ −= A0 X0 AAA0 r
dX
 F v τ
 ⇒ ( )∫ −= A0 X0 AAA r
dX
 C τ
 (4.6) 
 
 De uma forma geral então esta equação pode ser assim escrita: 
 
( )A
A
AA r
X
C
τ
F
V
 
00
−
==
 (4.7) 
 
 Para sistemas a volume constante (ξA = 0), tem=se que AAAA dXC -CC 00= , que conduz a 
AAA dXC -dC 0= , que substituindo na equação 4.6, conduz a: 
 
( )∫ −= A0ACC AAr
dC
 - τ
 (4.8) 
 
 Estas equações permitem uma representação gráfica conforme mostrado a seguir: 
 
 
 
 
5 – Tempo de Permanência para Sistemas em Escoamento 
 Tempo de permanência (ou tempo médio de residência) é o tempo em que cada elemento 
de fluido permanece dentro do reator. 
 
U S P – E E L - Esco la de Engenha r i a de Lo rena 
Reatores – Aula 4 – Reatores Contínuos Isotérmicos 
 
__________________________4__________________________ 
Notas de Aula - Reatores – Prof. Dr. Marco Antonio Pereira 
 
Exercícios - Reator de Mistura 
 
1 – (Exame 2001) - A reação A + B → 2R ocorre em fase liquida e sua equação de 
velocidade é a seguinte : -rA = 0,756CACB (mol/L.min) a 20oC. A reação ocorrerá em um reator de 
mistura e a conversão desejada é de 80% do reagente critico. A alimentação é introduzida no reator de 
mistura proveniente de 3 tanques de armazenagem conforme esquema abaixo. As condições de operação 
de cada um dos tanques são apresentadas na tabela abaixo: 
 Tanque I Tanque II Tanque III 
CA (M) 4 2 
CB (M) 2 4 
vazão (L/min) 5 2 10 
 
Qual o Volume do reator de mistura utilizado? (R: 126,8 L) 
 
 Tanque 1 Tanque 2 Tanque 3 
 
 
 
 
 
 
 
 Reator 
 
 
 
2 – A reação 2A → C + D deve ser realizada em um reator CSTR a uma vazão de 100 ft3/h. 
A concentração inicial de A é 1,5 lbmol/ft3 Deseja-se obter 80% da conversão de equilíbrio. Qual deve ser o 
volume útil do reator? 
Dados: 


 −=−
c
DC
AA K
CCCkr 2)( onde k = 10 ft3/lbmol.h e Kc = 16 
R: ≈ 62 ft3 
 
 
3 – (P1 – 2002) - Asmus e Houser (J. Phys. Chem., v73, p2555, 1969) estudaram a cinética da 
pirólise da acetonitrila a temperatura de 880°C em um reator contínuo com agitação. Foram realizados 5 
experimentos em laboratório partindo-se de concentrações iniciais diferentes com o objetivo de aumentar a 
confiabilidade dos resultados apurados. Em cada um dos experimentos a reação foi monitorada através da 
análise cromatográfica da acetonitrila onde após determinado tempo espacial era determinada a conversão 
da reação conforme dados da tabela a seguir. 
 
CH3C≡ N → P 
 
Experimento I II III IV V 
Concentração inicial da 
acetonitrila (mol/m3) 0,219 0,206 0,500 0,516 0,822 
Tempo espacial (s) 8,5 13,4 12,9 19,2 24,5 
XA 0,116 0,171 0,182 0,250 0,308 
Determine a ordem e a constante de velocidade da reação. [R : (-rA) = 0,0195 CA1,17 (M/s) ] 
U S P – E E L - Esco la de Engenha r i a de Lo rena 
Reatores – Aula 4 – Reatores Contínuos Isotérmicos 
 
__________________________5__________________________ 
Notas de Aula - Reatores – Prof. Dr. Marco Antonio Pereira 
 
4 – (P1 – 2003) - O gráfico abaixo representa a Concentração (mols/Litro) de três espécies químicas 
(escala vertical) versus tempo em minutos (escala horizontal) de uma reação química em fase liquida 
estudada a temperatura constante (25oC). A partir deste gráfico é possível conhecer a cinética da reação 
química e em seguida aplicar esta cinética no estudo de reatores. 
 
 
A - Qual a estequiometria da 
reação? 
 
B - Qual a equação de velocidade 
desta reação? 
 
C - Qual a vazão molar (L/min) 
necessária para operar esta 
reação química num reator tanque 
de agitação continua de 200 Litros 
a fim de obter uma conversão final 
de 60%? 
 
 
 
 
 
 
 
5 – (P1 – 2007) - A reação química A → R + ½S ocorre em fase liquida e foi realizada 
experimentalmente em um reator de mistura de 200L. Foram realizados seis experimentos, sendo que todos 
eles usaram a mesma concentração inicial de A de 1,6 Molar, e possuíam uma alimentação isenta de 
presença significativa de R ou S. Entretanto, em cada um dos experimentos variou-se a velocidade molar 
entrada e em conseqüência, a velocidade molar de saída obtida foi diferente. 
Os dados obtidos encontram-se na tabela abaixo: 
 
Experimento Mols de A na 
entrada / min 
Mols de A na 
saída / min 
I 17,25 13,00 
II 15,00 10,55 
III 12,00 8,08 
IV 10,00 6,26 
V 9,00 5,80 
VI 8,00 4,50 
 
A) Determine a equação de velocidade desta reação. 
B) Caso esta reação seja realizada em um reator de 10.000L, qual a conversão a ser obtida para as 
seguintescondições de alimentação: 200 mols/min e CAO = 1,6M? (XA = 0,65) 
 
 6 – (P2 – 2007) - Dibutilftalato (DBP), um intermediário na indústria de plásticos, tem um mercado 
potencial de 12 toneladas por ano, e é produzido pela reação de n-butanol com monobutil ftalato (MBP). A 
reação é elementar e catalisada por H2SO4: 
 
MBP + n-C4H9OH → DBP + H2O 
 
A constante de velocidade desta reação na temperatura de 40oC é de 1,25 L/mol.h. 
A direção de sua empresa quer entrar nesse mercado, produzindo 1/3 de todo o consumo potencial 
previsto, ou seja, deseja produzir 4 toneladas por ano de DBP e para isto disponibilizou para você um reator 
de mistura de 4.000 litros para ser usado 24 horas/dia durante 30 dias no ano. 
Estudos técnicos realizados em escala piloto definiram que as concentrações molares de MBP e 
butanol adequadas para o funcionamento desta planta industrial são de 0,2M e 0,6M, respectivamente. 
Qual será a conversão de saída do MBP neste reator? (Peso Molecular do DBP = 278 g/mol) 
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
0 10 20 30 40
A 
S 
R 
U S P – E E L - Esco la de Engenha r i a de Lo rena 
Reatores – Aula 4 – Reatores Contínuos Isotérmicos 
 
__________________________6__________________________ 
Notas de Aula - Reatores – Prof. Dr. Marco Antonio Pereira 
 
7 – (P2 – 2002) - A temperaturas elevadas, o acetaldeíldo (CH3CHO) decompõe-se em fase gasosa 
em metano e monóxido de carbono. A reação é de segunda ordem irreversível e a sua constante velocidade 
é 22,2 L/(mol.min) a uma certa temperatura. Calcule a conversão do acetaldeíldo que pode ser obtida em 
um reator tanque com agitação continua de 3m3 utilizando-se de uma alimentação com 8,8 Kg/min e uma 
vazão de 2.500 L/min. 
Considere que a pressão e a temperatura permanecem inalteradas. 
 R: XA = 0,397 
 
 
8 – (P2 – 2002) - Uma reação gasosa entre etileno (A) e hidrogênio para produzir etano é realizada 
em um reator CSTR. A alimentação, contendo 40% molar de etileno, 40% molar de hidrogênio e 20% de um 
inerte (I), é introduzida no reator a uma velocidade total de 1,5 mol/min e a uma vazão de 2,5 L/min. 
Esta é uma reação é de primeira ordem em relação a cada um dos reagentes e a sua contante de velcidade 
na temperatura na qual o reator é operado é k = 0,30 L/(mol.min) 
Determine o volume deste reator, sabendo-se que a mistura reacional que sai do reator (reagentes 
não convertidos, produto e inerte) possui uma fração molar de 60% de etano. (R: V = 3255 L ) 
Considere que pressão e a temperatura são constantes neste reator. 
 
C2H4 + H2 → C2H6 
 
 
9 - (Levenspiel 5-6) - Uma corrente gasosa (1 litro/min) contendo A (CAo = 0,01 mol/litro) e uma 
segunda corrente gasosa (3 litros/min) contendo B (CBo=0,02 mol/litro) alimentam um reator de mistura de 
volume 1 litro e reagem formando vários produtos R, S, T,... A análise do fluxo que sai a 6 litros/min mostra 
que CA = 0,0005 mol/litro e CR=0,001 mol/litro. Todas as velocidades e concentrações foram medidas na 
temperatura uniforme e pressão do reator. Determinar a velocidade de reação de A e a velocidade de 
formação de R no reator. 
R: a) –rA = 0,007 mols/L.min 
b) –rR = 0,006 mols/L.min 
 
 
 10 - (P2 – 2007) - Deseja-se projetar um reator de mistura para produzir 2.000 toneladas de 
etilenoglicol por ano, a partir da hidrólise do óxido de etileno, a 55oC. 
O primeiro passo foi buscar informações sobre esta reação na literatura técnica, onde se apurou 
que esta é uma reação de primeira ordem em relação ao óxido de etileno e que como a água está presente 
em grande excesso, sua concentração pode ser considerada constante durante a reação. 
O segundo passo foi a determinação da constante de velocidade da reação, na temperatura em que 
o reator de mistura vai operar. Para isto, um experimento em laboratório foi realizado em um reator 
batelada, que foi carregado a partir de duas alimentações distintas: em um becker estava 500 mL de uma 
solução 2 M de óxido de etileno e no outro becker estava 500 mL de água contendo 0,9% em peso de ácido 
sulfúrico, que é utilizado como catalisador da reação. Os dados obtidos da concentração do etilenoglicol 
estão na tabela abaixo: 
 
8 0 1 2 3 4 6 
Cetilenoglicol (mol/L) 0 0,270 0,467 0,610 0,715 0,848 
 
O terceiro passo foi a determinação das condições de operação do reator de mistura em escala 
industrial. Estas condições foram determinadas a partir de simulações feitas em escala piloto e são as 
seguintes: 
 
Temperatura de 
Operação 
Concentração do 
óxido de etileno 
Tempo de operação 
anual do reator Conversão Desejada 
55oC 1,3 M 2.000 horas 70% 
 
 Determine o volume deste reator. 
 
 O 
Reação: CH2----------CH2 + H2O → HO-CH2-CH2-OH 
U S P – E E L - Esco la de Engenha r i a de Lo rena 
Reatores – Aula 4 – Reatores Contínuos Isotérmicos 
 
__________________________7__________________________ 
Notas de Aula - Reatores – Prof. Dr. Marco Antonio Pereira 
 
11 - (Levenspiel 5-16) Uma reação química em fase aquosa está sendo estudada em laboratório, 
num sistema de fluxo continuo. O reator é de 5 litros e seu conteúdo (5 litros de fluído) está sob agitação 
que mantém a composição uniforme. A estequiometria da reação é A → 2R e o reagente A é introduzido na 
concentração de 1 mol/litro. Os resultados dos trabalhos experimentais estão contidos na tabela a seguir. 
Qual é a equação de velocidade desta reação? 
Experiência Vazão (cm3/s) T (ºC) CR no efluente (mol R/litro) 
1 2 13 1,8 
2 15 13 1,5 
3 15 84 1,8 
 R : -rA = 0,036 CA2 (a 13º C) 
 
 
12 – (P1 – 2005) - Uma solução aquosa reage em um reator de mistura até uma conversão de 50%. 
O reator atual será substituído por outro 4 vezes maior, mas a composição e a velocidade de alimentação 
serão mantidas inalteradas. 
Qual será a nova conversão a ser obtida: A) se a reação for de ordem ½ ; B) se a reação for de 
primeira ordem e C) se a reação for de segunda ordem 
 
 
13 - (Levenspiel 5-11) Da tabela seguinte, determinar uma equação de velocidade satisfatória para 
a decomposição em fase gasosa A → R + S que se dá isotermicamente num reator de mistura. 
Número da experiência 1 2 3 4 5 
τ baseado nas condições da alimentação 0,423 5,10 13,5 44,0 192 
XA (para CAo = 0,002 mol/litro) 0,22 0,63 0,75 0,88 0,96 
R : -rA = 8,1 CA1,35 
 
 
14 - (P1 – 2001) - Eldridge e Piret [Chem. Eng. Progr., 46, 290(1950)] estudaram a hidrólise do 
anidrido acético [ (CH3CO)2O + H2O → 2CH3COOH em um reator tanque com agitação continua 
de 1,8 L de volume que opera no intervalo de temperatura entre 10 e 40°C. 
As condições experimentais utilizadas e os dados obtidos foram os seguintes: 
 
Experimento T (oC) Concentração inicial do anidrido (mol/mL) 
Vazão volumétrica 
(mL/min) 
% conversão 
do anidrido 
I 25 1,40 x 10-4 582 33,1 
II 25 1,37 x 10-4 395 40,8 
III 10 1,08 x 10-4 555 15,3 
IV 10 0,52 x 10-4 490 16,4 
V 40 0,95 x 10-4 575 55,0 
VI 40 0,93 x 10-4 540 55,7 
VII 40 1,87 x 10-4 500 58,3 
VIII 40 2,02 x 10-4 88,5 88,2 
 A - Qual a equação de velocidade deste reator nas temperaturas de 10, 25 e 40°C ? 
B - Qual a energia de ativação desta reação ? 
R: A) n = 1 e k40 = 0,381 (min)-1 ; B) E = 11.400 cal/mol 
 
 
15 - (P2 – 2006) - Um hidrocarboneto A de elevada massa molecular alimenta continuamente um 
reator de mistura aquecido a alta temperatura, onde ocorre uma reação homogênea em fase gasosa, na 
qual são formados vários produtos de baixa massa molecular aos quais chamaremos de R, segundo a 
estequiometria A → 8R 
Variando-se a alimentação, diferentes graus de craqueamento foram obtidos, como segue: 
 
FAo (mol/min) 930 1.800 3.4005.900 10.650 
CAf (mol/L) 0,420 0,504 0,590 0,668 0,747 
 
U S P – E E L - Esco la de Engenha r i a de Lo rena 
Reatores – Aula 4 – Reatores Contínuos Isotérmicos 
 
__________________________8__________________________ 
Notas de Aula - Reatores – Prof. Dr. Marco Antonio Pereira 
 
O volume interno do reator utilizado é de 50 Litros e todo os experimentos ocorreram a mesma 
temperatura e com uma concentração da alimentação (CAo) de 1 mol/L. 
A) Determinar a equação de velocidade desta reação. 
B) Se esta reação for realizada em um outro reator de mistura, qual seria o volume deste reator 
para obter uma conversão de 70% a partir de uma alimentação de 100 moles/minutos do reagente A? 
 
 
 
Exercícios - Reator Tubular 
 
1 – (Exame – 2000) - A reação A + B → 2R ocorre em fase liquida e sua equação de 
velocidade é a seguinte : -rA = 10CACB (mol/L.min) a 20oC. Esta reação ocorrerá em um reator tubular 
de 100 litros e a conversão desejada é de 70% . 
As concentrações iniciais de A e B são iguais: CAo = CBo = 0,50 M. 
A reação ocorre em um reator alimentado conforme o esquema apresentado abaixo. 
Determine as vazões v1 , v2 e v3 a serem utilizadas. 
 
 tanque 1 tanque 2 tanque 3 
 CA = 2,8 M CB = 1,4 M H2O 
 
 
 
 
 
 v1 v2 v3 
 v0 vf 
 
 R : v1=38,3 L/min v2=76,5 l/min v3= 99,5 L/min 
 
 
2 – (P1 – 2006) - A reação em fase liquida A + 2B → R + 2 S possui a seguinte 
equação de velocidade : (-rA) = 10CACB (M/min). 
Esta reação será efetuada em um reator tubular, utilizando o esquema experimental mostrado na 
figura abaixo. As concentrações iniciais e A e B encontram-se em proporção estequiométrica na 
alimentação do reator, inexistindo portanto excesso de um dos reagentes. 
Determine o volume de reator tubular necessário para uma produção de 35 mols de S por minuto na 
corrente de saída 5 após o separador. 
Obs.: No separador, a eficiência de separação dos reagentes (corrente 4) e dos produtos (corrente 
5) pode ser considerada como sendo 100%.] 
 
 v4 = v3 
 2 
 CA1 = CB1 = 0,6 M 4 
 FA , FB 
 1 
 100 L/min 
 3 
 
 50 L/min 
 2 
 
 CA2 = 0 , CB2 = ? 5 v5 , FR , FS 
 
Reator Tubular 
U S P – E E L - Esco la de Engenha r i a de Lo rena 
Reatores – Aula 4 – Reatores Contínuos Isotérmicos 
 
__________________________9__________________________ 
Notas de Aula - Reatores – Prof. Dr. Marco Antonio Pereira 
 
3 – (P1 – 2007) - Admitindo que a estequiometria de uma reação de primeira ordem em fase gasosa 
seja A → R, verificou-se que em reator tubular de 100 L ocorria 95% de conversão de A puro. 
Entretanto, constatou-se que fora feito um erro, pois a estequiometria correta da reação é A → 7R. 
 
Com a estequiometria correta 
A) Qual deveria ser a capacidade do reator para a mesma conversão? 
B) Qual deveria ser a conversão do reator para o mesmo volume? (XA = 0,615) 
 
 
4 - (P1 – 2001) - O estudo cinético da decomposição do acetaldeído a 518°C e 1 atm de pressão é 
realizado em um reator de fluxo contínuo. O reator utilizado é um tubo de 3,3 cm de diâmetro interno e 80 
cm de comprimento. Foram realizados quatro experimentos, onde em cada um deles utilizou-se fluxo molar 
de alimentação diferente e na saída do tubo determinou-se a conversão do reagente em produto. Qual a 
equação de velocidade desta reação em mols, litros e minutos? (R: -rA = 20 CA2 ) 
 
Dado : CH3CHO → CH4 + CO 
 
experimento I II III IV 
FAo (g/h) 130 50 21 10,8 
XA 0,06 0,13 0,24 0,35 
 
 
5 – (P1 – 2006) - A reação homogênea em fase gasosa A → 4R possui uma cinética de 
segunda ordem e é realizada inicialmente em escala piloto para depois ser ampliada para uma escala 
industrial. 
 
Escala Piloto 
Reator experimental com um tubo de 2,5 cm de diâmetro por 2 m de comprimento. 
Vazão de alimentação = 3.000 L/h 
Condição da Alimentação = Reagente A puro a 5 atm e 200ºC 
Conversão Obtida = 65% 
 
Escala Industrial 
Vazão de Alimentação = 300.000 L/h 
Condição da Alimentação = 50% de A e 50% de inertes, a 25 atm e 200ºC 
Conversão Obtida = 80% 
 
A) Quantos tubos iguais aos usados na escala piloto são necessários na escala industrial? 
B) Estes tubos devem ser colocados em série ou em paralelo? Explique a sua resposta. 
 
 
6 – (P2 – 2004) - A reação química A → 4R é de primeira ordem e ocorre a partir de uma 
alimentação com A puro em um reator tubular onde é obtida uma conversão de 40%. Quantas vezes este 
reator deverá ser maior para que a conversão a ser obtida seja de 80%, se a reação ocorrer: A) em fase 
liquida (3,15 vezes) e B) em fase gasosa (4,79 vezes) 
 
 
7 – (P1 – 2005) - Calcule o comprimento (em metros) de um reator tubular requerido para a produção 
de etileno a partir de etano (A) baseado nas seguintes considerações: 
(1) – o reator é alimentado com uma mistura de etano (400 g/s) e nitrogênio (400g/s). 
(2) – o reator opera a 1000 K e pressão atmosférica. 
(3) - a reação é de primeira ordem irreversível. 
(4) - a constante de velocidade da reação, na temperatura de 1000 K, é 0,254 s-1 
(5) - A conversão do etano na saída do reator é de 25% 
(6) - O diâmetro interno do reator é de 40 cm. 
Resposta: 21,7 metros 
U S P – E E L - Esco la de Engenha r i a de Lo rena 
Reatores – Aula 4 – Reatores Contínuos Isotérmicos 
 
__________________________10__________________________ 
Notas de Aula - Reatores – Prof. Dr. Marco Antonio Pereira 
 
8 – (P1 – 2007) - O óxido nítrico é produzido por oxidação da amônia em fase gasosa, tendo uma 
cinética conhecida, que é de primeira ordem. 
4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O onde Texk
6000
71012,3
−
= (min)-1 
 
Uma alimentação contendo 50% molar de amônia e 50% de ar atmosférico é introduzida em um 
reator contínuo a 2 atm e 27ºC, que opera nesta condição. 
 
A) Monte a Tabela Estequiométrica desta reação 
 
Considerando uma vazão de alimentação de 40 L/min, determine o volume do reator necessário 
para uma conversão de 50% do reagente limitante desta reação, em um: 
B) reator de mistura (Vm = 628,6L) 
C) reator tubular (Vt = 434L) 
 
D) Qual a concentração final de NO em cada um dos reatores? 
 
 
9 – (P2 – 1991) - (Hill 8-5) - Roper [Chem. Eng. Sci., v2, p27, 1953] estudou a reação do cloro (A) 
com 2-etilhexeno-1 (B) em solução de tetracloreto de carbono. Soluções destes materiais foram preparados 
em uma pequena câmara de mistura e introduzidas em um reator tubular onde ocorre a reação. 
Os dados encontrados a 20ºC estão tabelados abaixo: 
ensaio CAO(M) CBO(M) CAf(M) τ (seg.) XA f (XA) 
1 0,091 0,209 0,023 0,600 
2 0,091 0,209 0,032 0,376 
3 0,091 0,209 0,045 0,284 
4 0,110 0,211 0,034 0,525 
5 0,110 0,211 0,046 0,324 
6 0,110 0,211 0,059 0,232 
Acredita-se que esta seja uma reação de segunda ordem do tipo: (-rA) = k CACB . Monte um gráfico 
de τ ver versus f(XA) e verifique se esta expressão é coerente com os dados encontrados. Calcule a 
constante de velocidade desta reação em moles, litros e segundos. [ R : k = 14,23 L/mol.s ] 
 
 
10 – (P1 – 2002) - - A reação reversível em fase gasosa A ⇔ R ocorre a 300°C e 1 atm em 
um reator tubular ideal, cuja alimentação contem 30% molar de A e 70% de inertes.. 
Determine o volume do reator para se obter uma conversão de 75% da conversão de equilíbrio, 
sabendo que inerte e reagente possuem aproximadamente o mesmo peso molecular e que a velocidade 
global de alimentação é 80 mol/h. (V = 604 mL) 
Dado : Eq. de velocidade: ( ) 

 −=−
c
R
AA K
CCkr 1onde CA é dado em mol/L; k1=1,6s-1 e Kc = 2 
 
 
11 – (P2 - 2002) - A planta industrial mostrada abaixo possui um reator tubular de 100 litros 
carregado a partir de três tanques de alimentação e operado com reciclo após a mistura reacional passar 
por um separador. 
A reação química que ocorre no reator é A + B → 2R cuja equação de velocidade a uma 
dada temperatura é: 
 
–rA = 5CACB (M/min) 
 
No tanque 1 existe uma solução A com uma concentração de 5M. 
No tanque 2 existe uma solução B com uma concentração de 4M. 
No tanque 3 existe apenas água. 
A concentração inicial de A e B na entrada do reator é de 1 Molar para ambos os reagentes e a 
conversão final obtida no reator é de 99%. 
No separador a vazão total que sai do reator é dividida em partes iguais, sendo que na parte 
superior do separador sai somente o reagente B, enquanto todo o produto R formado e a quantidade de 
U S P – E E L - Esco la de Engenha r i a de Lo rena 
Reatores – Aula 4 – Reatores Contínuos Isotérmicos 
 
__________________________11__________________________ 
Notas de Aula - Reatores – Prof. Dr. Marco Antonio Pereira 
 
reagente A que não reagiu saem na parte inferior do separador. As concentrações de A e R nesta saída da 
parte inferior do separador são 0,02M e 3,96M, respectivamente. 
Determinar: 
A – a concentração de B na saída superior do separador. 
B – a vazão volumétrica de alimentação (vo) na entrada do reator. 
C – as vazões volumétricas de cada um dos tanques de alimentação (v1 – v2 – v3) 
 
 
 Tanque 1 Tanque 2 Tanque 3 
 v5 
 
 
 v4 
 v1 v2 v3 v0 separador 
 
 Reator 
 
 
 
 v6 
 R: v1 = 1,01L ; v2= 1,25L e v3 = 0,26L 
 
 
12 – (Exame 2.002) - Em um reator tubular de 150L realizou-se uma reação de primeira ordem em 
fase gasosa A → R a partir de uma alimentação contendo A puro e encontrou-se uma conversão final de 
90%. Entretanto, verificou-se, posteriormente, que a estequiometria considerada inicialmente estava errada 
e que a estequiometria correta era de A → 3R. Com a estequiometria correta: 
A) Qual deve ser a capacidade do reator para a mesma conversão? (R: V = 332,7 L) 
B) Qual deve ser a conversão do reator para o mesmo volume (150 L)? (R: XA = 0,711) 
 
 
13 - (P1 – 2000) Walter [J. Chem. Eng. Data 5 (468), 1960] estudou a cinética da pirólise catalítica 
do cloreto de etileno em um reator tubular de 100 cm3 com 59 cm de comprimento. 
 
ClCH2 - CH2Cl ⇒ HCl + CH2 = CH2Cl 
 
 Esta é uma reação gasosa e dados coletados na literatura a respeito de reações químicas similares 
levam a crer que se trata de uma reação química de primeira ordem. 
 
 
 O estudo consistiu em realizar 3 experimentos onde em cada um 
deles variou-se a vazão molar de alimentação, a partir de uma 
alimentação do reagente puro a 600oC e pressão atmosférica. 
 
 
 A – Confirme a ordem da reação e calcule a sua constante de velocidade. 
 B – Se a constante de velocidade da reação a 500oC é 0,141s-1, qual a sua energia de ativação? 
R: a) k = 1,17 (s)–1 b) E = 28.375 cal 
 
 
vazão molar 
(moles/kseg) XA 
0,550 0,86 
0,544 0,85 
0,344 0,94 
U S P – E E L - Esco la de Engenha r i a de Lo rena 
Reatores – Aula 4 – Reatores Contínuos Isotérmicos 
 
__________________________12__________________________ 
Notas de Aula - Reatores – Prof. Dr. Marco Antonio Pereira 
 
14 - (P1 – 2000) - A reação em fase gasosa : A(g) ⇒ R(g) + 2S(g) foi efetuada a 600 K 
em um reator batelada alimentado por A puro. 
Os seguintes resultados experimentais foram obtidos : 
 
Esta reação em seguida foi efetuada em um reator tubular de 42,5 L 
operando a temperatura de 600 K. 
Deseja-se analisar a vazão de alimentação deste reator em função da 
conversão final na saída do reator e na presença ou ausência de inertes. Para 
isto testes devem ser feitos a três conversões diferentes em alimentações com 
razões molares de inerte variando, com o objetivo de se encontrar os melhores 
parâmetros que permitam uma análise completa destas alternativas. 
 
Faça os cálculos necessários e calcule a vazão em L/min para cada uma das situações propostas 
na tabela abaixo: 
 
alimentação molar XA = 40% XA = 50% XA = 60% 
A puro 
80% A – 20% inerte 
60% A – 40% inerte 
40% A – 60% inerte 
20% A – 80 % inerte 
 
A – Qual a equação de velocidade desta reação (-rA = 0,0804 pA ) 
B - Plote um gráfico de vazão da alimentação versus XA para as possíveis alimentações molares. 
alimentação molar XA = 40% XA = 50% XA = 60% 
A puro 4,66 3,17 2,1 
60% A – 40% inerte 5,31 3,69 2,64 
 
 
15 - (P1 – 1998) – (Hill) A dehidrocloração catalítica do tetracloroetano foi estudada por Shvets, 
Lebedev e Averyanov [Kinetics and Catalysis, 10(28), 1969]. 
 
C2H4Cl4 → C2H3Cl3 + HCl 
 
 A reação é de primeira ordem em relação ao tetracloroetano e a constante de velocidade possui o 
seguinte valor: 
k = 1012 e-21940/T (s-1) onde T é expresso em graus Kelvin. 
 
 Ao longo da reação ocorrem reações laterais que formam pequenas quantidades de outros 
produtos, dentre eles o gás cloro, que atua como veneno no meio reacional a concentrações acima de 150 x 
10-6 moles de Cl2 por litro. 
 Diversos estudos foram conduzidos para esta reação e a razão molar entre o gás Cloro (Cl2) e o 
ácido clorídrico (HCl) no meio reacional em função da temperatura foram obtidos e se encontram na tabela 
abaixo : 
T (oC) razão molar (Cl/HCl) 
408 1,7 x 10-4 
440 3,2 x 10-4 
455 4,0 x 10-4 
 Na fase de testes, foi instalada uma planta piloto que consiste em um reator tubular de 150 litros 
operando a 450oC e pressão atmosférica. O fluxo de tetracloroetano foi de 41,7 moles/kilosegundo. 
 Qual a concentração do gás cloro nestas condições? É possível realizar a reação sem que o 
envenamento catalítico ocorra? 
 R: CCl2 = 3 ppm 
 
t (min) p (torr) 
0 7,5 
2,5 10,3 
5 12,5 
10 15,8 
15 17,9 
20 19,4 
U S P – E E L - Esco la de Engenha r i a de Lo rena 
Reatores – Aula 4 – Reatores Contínuos Isotérmicos 
 
__________________________13__________________________ 
Notas de Aula - Reatores – Prof. Dr. Marco Antonio Pereira 
 
16 – (P2 – 2003) - A reação elementar irreversível 2A → R ocorre em fase gasosa em um 
reator tubular isotérmico. Reagente A e um diluente C são introduzidos em relação equimolar entre si e 
conversão de A é de 80%. Se a velocidade molar de A é diminuída para a metade e a velocidade molar do 
diluente é mantida constante, qual será a conversão de A a ser obtida nesta situação? Considere o 
comportamento de gás ideal e que a temperatura do reator permanece inalterada. (California Professional 
Engineers Exam) 
 
Dado: 


−+++−+= )1()1()1ln()1(2
22
2
A
A
AAAAAA
A
A
X
X
XX
kC
F
V
o
o εεεε
 
 
 
 17 – A reação homogênea entre vapor de enxofre (S2) e metano (CH4) foi estudada em um pequeno 
reator tubular de sílica com 35,2mL de volume. Em um dada corrida a 600oC e 1 atm de pressão, a 
quantidade de dissulfeto de carbono (CS2) produzido em 10 minutos foi de 0,10 g. A vazão molar de S2 
utilizada foi de 0,238 gmol/h nesta corrida em regime permanente. 
A) Qual é a velocidade da reação, expressa em gmols de CS2 produzidos por hora e por ml de 
volume do reator? 
B) A taxa a 600oC pode ser expressa pela equação desegunda ordem r = kpCH4pS2 onde p é a 
pressão parcial em atmosferas. Use a taxa determinada no item (a) e esta forma da equação da taxa para 
calcular a velocidade específica de reação em gmols/(mL.atm2.h). A taxa de escoamento do metano foi de 
0,119 gmol/h, e as concentrações de H2S e CS2 nos reagentes foi nula. (Observação: Admita que a 
velocidade da reação é constante e utilize as pressões parciais médias de CH4 e S2 no interior do reator). 
C) Calcule também o valor de k sem fazer a hipótese de que a taxa é constante e que valores 
médios das pressões parciais e a velocidade da reação variam ao longo do reator. Compare o resultado 
obtido com aquele obtido no item (b). 
Dados : Equação estequiométrica : CH4 + 2S2 → CS2 + 2H2S 
Resposta: A) v = 2,24x10-4 gmoles CS2/h.mL 
 B) = C) k = 10,80x10-4 gmoles/h.mL.atm2