LISTA DE FIXAÇÃO I

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 UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO 
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E SUAS TECNOLOGIAS 
 COORDENAÇÃO DE ENGENHARIA QUÍMICA 
DISCIPLINA: COEQ0047 - CÁLCULO DE REATORES QUÍMICOS 
PROF. DR. ANTONIO CARLOS DALTRO DE FREITAS 
MONITOR: DENNYS CORREIA DA SILVA 
 
 
LISTA DE FIXAÇÃO I 
 
 
Para resolver essa lista, você deve ter estudado os seguintes assuntos: 
 Definição e classificação de reatores 
 Reatores Ideais 
 Taxa de reação e lei de Arrhenius 
 Tempo Espacial e Velocidade Espacial 
 Reatores Ideais para Reações Simples 
 
1) O craqueamento catalítico é um processo químico que transforma frações mais 
pesadas em outras mais leves através da quebra de moléculas dos compostos reagentes, 
fazendo o uso de catalisadores. O resultado desta quebra de cadeias carbônicas são 
moléculas leves (3 a 12 átomos de carbono). Como produtos obtidos no processo temos: 
GLP, gasolina, gases leves, gasóleo leve e pesado e coque. 
 
 
Figura 1 - craqueamento catalítico. 
 
O processo original era realizado num reator simples, que utilizava o calor para quebrar 
moléculas de destilados pesados em bateladas, transformando-os em produtos mais leves, 
visando principalmente à produção de gasolinas. Uma modificação decisiva foi a 
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introdução do catalisador no reator de leito fixo, que embora tenha conferido maior 
flexibilidade ao processo dada pelos reatores em paralelo, não possibilitou que o processo 
se tornasse contínuo. 
Os reatores químicos possuem uma vasta aplicação na área da indústria e nos processos 
químicos. Sabendo disso, cite de que modo eles são essenciais nos seguintes processos: 
a) Produção de Tinta; 
b) Produção de Bebidas; 
c) Tratamento de efluentes; 
d) Escolha um processo diferente dos já citados e mostre a importância dos reatores 
nele. 
 
2) O controle de processos químicos é um fator determinante para o bom desempenho de 
toda a planta. No entanto, o seu sucesso vai depender do desenvolvimento de estruturas 
de controle adequadas. Na tese de dissertação de Vandoel Pedro Barbosa Júnior 
(Faculdade de Engenharia Química – Universidade Estadual de Campinas) foram 
propostas e investigadas várias estruturas de controle com o objetivo de obter o controle 
de reatores químicos "off-line" e "on-line". Para tanto foram utilizadas técnicas de 
controle não convencionais. O sistema considerado foi um reator tanque (CSTR) contínuo 
e agitado não isotérmico para reações químicas tipo A B ou A B C (consideradas 
exotérmicas, irreversíveis e com cinéticas de primeira ordem), onde pretende-se 
maximizar o produto B. O estudo deste tipo de sistema tem relevância para muitos 
processos na indústria química e em processos biotecnológicos. Embora o sistema seja de 
parâmetros concentrados, o fato de ser multivariável e ter um modelo matemático 
determinístico não linear, leva-o a ter um comportamento dinâmico complexo. O sistema 
está esquematizado na Figura 2. 
 
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Figura 2 - Modelo de Sistema CSTR utilizado na tese. 
 
O reator CSTR é um reator tanque agitado contínuo utilizado quando se necessita de 
agitação intensa. Levante hipóteses: porque o autor da tese teria escolhido o reator CSTR 
ao invés do Batelada ou do PFR? Enumere em suas explicações as vantagens e 
desvantagens de cada um e tenha em foco o controle de temperatura, os processos 
biotecnológicos, etc. 
 
3) Os modelos de reatores de leito fluidizado são um instrumento relativamente novo 
no campo da engenharia química. O primeiro gás gerador de leito fluidizado foi 
desenvolvido por Fritz Winkler, na Alemanha, em 1920. Um dos primeiros reatores de 
leito fluidizado foi utilizado na indústria do petróleo dos Estados Unidos, sendo aplicado 
na Unidade de Craqueamento Catalítico, criada em Baton Rouge, Los Angeles, em 1942 
pelo Standard Oil Company de Nova Jersey (hoje ExxonMobil). Este reator e muitos a 
seguir foram desenvolvidos para a indústria petrolífera e petroquímica. Nos Estados 
Unidos, alguns modelos de catalisadores foram utilizados para reduzir o petróleo em 
compostos mais simples através de um processo conhecido como craqueamento. 
Escolha um processo industrial que utiliza um dos tipos de reatores discutidos em sala de 
aula, discuta sobre o processo, a importância do reator e levante hipóteses: que tipo de 
mudanças e sugestões, você, como engenheiro, utilizaria nesse processo? Utilize 
esquemas e diagramas para deixar a explicação mais clara. 
 
4) 1,2-Dicloroetano, conhecido antigamente como dicloreto de etileno, abreviado 
como DCE, é um composto químico organoclorado importante como intermediário na 
produção do monômero cloreto de vinila, o principal precursor para a produção 
do polímero PVC. É um líquido incolor com um odor semelhante ao clorofórmio. Walter 
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[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. 
 
 
Figura 3 - cinética da pirólise catalítica do cloreto de etileno. 
 
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. Se as 
constantes de velocidade da reação a 600, 500 e 400°C são, respectivamente, 1,17𝑠−1, 
0,141𝑠−1 e 0,023 𝑠−1 qual a sua energia de ativação? 
 
5) Um professor de reatores químicos apresentou em sala de aula a seguinte figura 
(Figura 4) que mostra como o valor do logaritmo da constante da velocidade (k) da reação 
representada pela equação química varia com o recíproco da 
temperatura. 
O professor pediu que três alunos de Engenharia Química explanassem suas opiniões 
sobre o gráfico da Figura 4. Considere que, em relação às informações mostradas na 
figura, eles fizeram as afirmações seguintes: 
I - O trecho a – b da curva mostra a variação de ln k da reação direta com o 
recíproco da temperatura, enquanto o trecho b – c mostra como varia ln k da reação 
inversa com o recíproco da temperatura. 
II - Para temperaturas menores que 𝑇𝑏 o mecanismo controlador da reação em questão é 
diferente daqueles para temperaturas maiores que 𝑇𝑏. 
III - A energia de ativação da reação no trecho a – b é menor que a do trecho b – c. 
Julgue cada afirmação e diga qual ou quais aluno(s) acertaram e erraram e o porquê. 
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Figura 4 - variação de k com a variação de temperatura da reação. 
 
6) Uma reação em fase gasosa , A → 2B ocorre a temperatura constante de 300K em 
um reator de volume variável operando em batelada equipado por um pistão mantido a 
pressão constante de 150 KPa. Inicialmente, 8 mols de A são introduzidos no reator. A 
reação que ocorre é de segunda ordem em relação a A, com a seguinte lei de velocidade: 
 
 
 
Determine o tempo de reação para uma conversão final de 80%. 
 
7) SARTI A. et al., em seu artigo sobre tratamento de esgoto sanitário utilizando 
reatores anaeróbios operados em bateladas sequenciais (escala piloto) (domestic sewage 
treatment in pilot-scale anaerobic sequencing batch reactors), avaliou o desempenho de 
dois reatores anaeróbios operados em bateladas sequenciais diferenciados pelo tipo de 
imobilização de biomassa, na forma de suporte inerte e de biomassa granular no 
tratamento de esgoto sanitário do Campus da USP de São Carlos. O monitoramento ao 
longo de 70 dias de operação revelou similaridade no comportamento das configurações 
ensaiadas (Eng. sanit. ambient. 73 Vol.11 - Nº 1 - jan/mar 2006, 73-82). Imagine que um 
desses reatores em batelada de volume constante de 200 dm3 é pressurizado à 20 atm com 
uma mistura de 75% de A e 25% de inerte. A reação em fase gasosa ocorreisotermicamente a 227 ºC. 
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a) Assumindo que a lei do gás ideal é válida, quantos mols de A contém no reator 
inicialmente? Qual é a concentração inicial de A? 
b) Se a reação é de primeira ordem, calcule o tempo necessário para consumir 99% 
de A. 
 
- ra = k.Ca  com k= 0,1 min-1 
 
c) Se a reação for de segunda ordem, calcule o tempo necessário para consumir 80% 
de A. Assuma um k = 0,01 L 𝑚𝑜𝑙−1𝑚𝑖𝑛−1. 
 
8) Um reagente gasoso A puro com CAo = 0,1M, alimenta um reator de mistura (V = 
0,1 litro) onde ocorre a seguinte reação química: 2A(g) → R(g) Esta reação foi estudada 
através de 4 experimentos, sendo que em cada um deles foi utilizada uma vazão de 
alimentação diferente. Na saída deste reator foi obtida a concentração do reagente A 
conforme a tabela abaixo. 
 
 
 
Com base nos resultados obtidos, determine a equação de velocidade desta reação 
química. 
 
9) A reação de Diels-Alder é certamente uma das reações mais estudadas em química 
orgânica sintética devido à facilidade com que ligações C-C e anéis de seis membros 
podem ser formados. O artigo de Fernanda Ferraz Camilo e Jonas Gruber (QUÍMICA 
NOVA, 22(3) (1999)), por exemplo, discute os principais resultados publicados na 
literatura entre 1990 e 1997, de reações de Diels-Alder entre ciclopentadieno e compostos 
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carbonílicos α,β-insaturados aquirais, realizadas em diferentes meios reacionais e com o 
emprego de diversos ácidos de Lewis. Vale ressaltar que, apesar de as reações de Diels-
Alder terem sido descobertas no início deste século, essas continuam sendo 
extensivamente estudadas até hoje. Por exemplo, consultando um banco de dados 
disponível pela Internet, que abrange os principais periódicos de química, encontra-se 
mais de seis mil citações que possuem a palavra chave “Diels-Alder” em seu título ou 
abstract, nos últimos sete anos, o que corresponde, em média, a mais de dois artigos novos 
por dia! 
 
 
Figura 5 - Bains et al.24 mostraram a dependência da diastereosseletividade endo 
e exo nas reações de Diels-Alder entre ciclopentadieno (2) e maleato de dimetila (7) 
com a temperatura de ativação da alumina. 
 
O butadieno reage com etileno em fase gasosa em temperaturas elevadas segundo a reação 
de Diels-Alder num reator tubular. Se a alimentação for feita a 450°C e pressão de 1 atm 
em base equimolecular, calcule o tempo de residência médio para uma conversão de 10% 
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em processo isotérmico. Dado: k = 10.exp(-275/RT) dm3.s/mol, onde R é a constante dos 
gases. Despreze o etileno nos cálculos como se o butadieno fosse o único reagente. 
 
 
 
QUESTÃO DESAFIO 
 
 
O PFR (plug flow reactor) e o reator batelada são os modelos de reatores ideais em que 
se admite que todas as moléculas permanecem o mesmo tempo dentro do reator. Em seu 
trabalho, JÚNIOR, A. dos S. V. et al. Propôs a caracterização da fluidodinâmica de um 
reator tubular de polimerização foi realizada através da técnica de resposta a estímulo, 
sendo usada a perturbação com traçador (Flutuações Estocásticas para a Distribuição de 
Tempos de Residência em um Reator Tubular de Polimerização, Polímeros: Ciência e 
Tecnologia, vol. 16, n° 1, p. 19-25, 2006). Uma reação do tipo A → 2R + ½ S em fase 
gás foi realizada num PFR isotérmico, sendo alimentado com 30% de inerte a 10atm e 
800K. A reação é irreversível e de 2a .ordem. Foram feitas as medidas que se encontram 
na tabela abaixo: 
 
 
 
Sendo o fluxo total na entrada igual a 7,2 moles/min. A energia da ativação é igual a 30 
Kcal/mol. Com estes dados calcule as constantes cinéticas k de cada uma das três 
situações e comente suas conclusões.