Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
Cálculo de reatores I Tabela estequiométrica e sistemas reacionais Prof.: Magmir Metzker Soares Cinética química: tabela estequiométrica 2 Relembrando, se a lei de velocidade depende de mais de uma espécie, deve- se relacionar as concentrações das diferentes espécies entre si. Essa relação é mais facilmente estabelecida com a ajuda de uma tabela estequiométrica. Inicial Modificação Restante Espécie (Inerte) Total Sistemas reacionais Cinética química: tabela estequiométrica 3 Para calcular o número de moles da espécie B remanescente no tempo t, deve-se recordar que no tempo t o número de moles de A que têm reagido é NA0.X. Para cada mol de A que reage, b/a mol de B devem reagir e, portanto, o número total de mols de B que reagiram é: 𝑚𝑜𝑙𝑠 𝑑𝑒 𝐵 𝑟𝑒𝑎𝑔𝑖𝑑𝑜𝑠 = 𝑚𝑜𝑙𝑠 𝑑𝑒 𝐵 𝑟𝑒𝑎𝑔𝑖𝑑𝑜𝑠 𝑚𝑜𝑙𝑠 𝑑𝑒 𝐴 𝑟𝑒𝑎𝑔𝑖𝑑𝑜𝑠 .𝑚𝑜𝑙𝑠 𝑑𝑒 𝐴 𝑟𝑒𝑎𝑔𝑖𝑑𝑜𝑠 Sistemas reacionais Cinética química: tabela estequiométrica 4 Como B está desaparecendo do sistema, o sinal é negativo. NB0 é o número de mols inicialmente no sistema. Portanto, o número de moles de B remanescentes do sistema,NB, é: Conforme visto, o somatório de todas as espécies da reação é representado por: Sistemas reacionais Cinética química: tabela estequiométrica 5 O coeficiente estequiométrico delimitado pelo parênteses (d/a + c/a – b/a – 1) representa o aumento no número total de mols por mol de A reagido. Contudo, este termo é escrito geralmente como o símbolo δ: Este símbolo informa a mudança no número total de mols por unidade de A reagido. Assim, o número total de mols podem ser reescritos em uma equação da seguinte forma: δ = (d/a + c/a – b/a – 1) Sistemas reacionais Cinética química: tabela estequiométrica 6 Deve-se recordar que a lei de velocidade cinética (por exemplo, -rA = KCA 2) é uma função unicamente das propriedades intensivas dos reagentes (por exemplo, temperatura, pressão, concentração e catalisadores, se houver). A taxa de reação, -rA , geralmente depende da concentração das espécies reagentes elevada a alguma potência. Assim, para determinar a velocidade de reação como uma função da conversão X, é necessário conhecer as concentrações das espécies reagentes em função do conversão. Sistemas reacionais Cinética química: tabela estequiométrica 7 A concentração de A é o número de mols de A por unidade de volume: Depois de escrever as equações semelhantes para B, C e D, usa-se a tabela estequiométrica para expressar a concentração de cada componente em termos da conversão. Sistemas reacionais Cinética química: tabela estequiométrica 8 Apenas para simplificar essas equações, define-se o parâmetro θi para cada uma das expressões, por concentração: Sistemas reacionais Cinética química: tabela estequiométrica 9 Precisa-se determinar o volume como uma função da conversão para obter as concentrações das espécies como uma função da conversão. Sistemas reacionais Sistemas com volume constante 10 Algumas simplificações significativas nas equações de projeto de reatores são possíveis quando o sistema reacional não sofre alteração no volume com o progresso da reação. Estes sistemas são chamados de volume constante, ou densidade constante por causa da invariância de volume ou densidade durante o processo de reação. Esta situação pode resultar de várias causas. Em sistemas com reações em fase gasosa, o reator é geralmente um recipiente selado com instrumentos apropriados para medir pressão e temperatura dentro do reator. Sistemas reacionais Sistemas com volume constante 11 O volume no interior deste recipiente está fixo e não vai mudar e é, portanto, um sistema de volume constante. O exemplo de uma reação isotérmica em fase gasosa de volume constante ocorre quando o número de mols de produto é igual ao número de mols de reagente. A reação de deslocamento de água e monóxido de carbono, importante na gaseificação de carvão e muitos outros processos, é um destes: Sistemas reacionais Sistemas com volume constante 12 Na reação, 2 mols de reagente geram 2 mols de produto. Quando o número de moléculas de reagentes formam um número igual de moléculas de produto, na mesma temperatura e pressão, o volume da mistura de reação não mudará. Para as reações em fase líquida que ocorrem na solução, normalmente o solvente domina a situação. Como resultado, as variações na densidade do soluto não afetar a densidade global da solução de forma significativa e, desta forma, é essencialmente um processo de reação de volume constante. Sistemas reacionais Sistemas com volume constante 13 A maioria das reações de fase líquida orgânica não altera a densidade durante a reação, e constituem ainda um outro processo para que se aplicam as simplificações de volume constante. Uma exceção importante desta regra geral é um processos de polimerização. Para as reações com volume constante, as equações apresentadas anteriormente podem ser escritas da seguinte forma: Sistemas reacionais Sistemas com volume constante 14 Ainda, a tabela estequiométrica para sistemas de fluxo contínuo são idênticos ao reator batelada, com a diferença que deve-se substituir Nj0 por Fj0 e Nj por Fj. Sistemas reacionais Sistemas com volume constante 15 Sistemas reacionais Sistemas com volume constante 16 Carga alimentada Carga reagida Carga na saída Espécie Sistemas reacionais Sistemas com volume constante 17 Para líquidos, a alteração de volume com a reação é insignificante quando nenhuma mudança de fase está ocorrendo. Consequentemente, pode-se tomar: Assim: Sistemas reacionais Exercício 18 A reação A -> B é processada de forma isotérmica em um reator de fluxo contínuo. Calcule, para um CSTR e um PFR, o volume necessário para alcançar uma conversão de 99% de A para um fluxo alimentado de 5mol/h, assumindo que: a) –rA = K; K = 0,05 mol/h.dm³ b) -rA = K.CA; K = 0,0001 s -1 c) -rA = K.CA²; k = 3 dm³/mol.h O fluxo volumétrico é 10dm³/h. Sistemas reacionais Até a próxima aula! Contato: magmir@ucl.com 19 Sistemas reacionais
Compartilhar