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104108 B Cinética e reatores químicos João Batista 1 Conceitos fundamentais Grau de avanço da reação Considere uma sistema fechado: Reator Batelada O reator é carregado com njo moles da espécie j Em um tempo qualquer t, o número de moles da espécie j é nj é o coeficiente estequiométrico da espécie j: positivo para produto negativo para reagente O grau de avanço é j jj nn 0 Variável extensiva Dependente do tempo Unidade: mol 2 j jn jon Grau de avanço 3 Reagente limitante 4 0 0 j jj n nn X Conversão 5 Fração Molar: n n n n y j N j j j j 1 Fração Mássica: m m m m w j N j j j j 1 Concentração Molar: V n c j j 6 Exemplo 1 Suponha que um reator batelada seja carregado com 20 kmol de acetileno, 50 kmol de hidrogênio e 50 kmol de etano. Após um determinado período de reação, o operador constatou que 30 kmol de hidrogênio reagiram. Calcule a quantidade de acetileno, hidrogênio e etano após esse período de reação. Calcule o grau de avanço da reação. C2H2 + 2 H2 → C2H6 7 Exemplo 2 Considere a produção de amônia ( N2 + 3 H2 → 2 NH3) em um reator batelada. O reator é carregado com 100 mols de nitrogênio, 300 mols de hidrogênio e um mol de argônio. Para uma conversão de hidrogênio de 60%, calcule a quantidade de todas as espécies químicas presentes no reator. 8 Reatores contínuos 0 0 0 j jj j jj F FF X FF 9 Fjo é a vazão molar da espécie j na entrada do reator; Fj é a vazão molar da espécie j na saída do reator; Exemplo 3 Acrilonitrila é produzida a partir de propileno, amônia e oxigênio. C3H6 + NH3 + 3/2 O2 → C3H3N + 3 H2O A alimentação consiste em 10 % mol de propileno, 12% de amônia e 78% de ar. O reator opera até que uma conversão de 30% do reagente limitante seja atingido. Considere que a vazão molar total de entrada é de 1000 mols/min. Calcule: a) o reagente limitante; b) a vazão de cada espécie química no final da reação; c) o grau de avanço da reação; 10 11 reator C3H6 + NH3 + 3/2 O2 → C3H3N + 3 H2O A + B + 3/2 C → D + 3 E Reagente limitante? j jF 0max A B C Propileno 12 min 7010 0 0 molsFXFF F FF X AAA A AA 312/311 00000 EEDDCCBBAA FFFFFFFFFF mols FF AA 30 1 10070 1 0 13 min1015 ________________________ min2616 min/909003 min/30300 min8118458163 min9030120 min70 )2( 2 2 3 mols/F FFFFFFF mols/,F molsξFF molsξFF mols/,,ξFF mols/ξFF mols/F T oNEDCBAT )o(N EoE DoD CoC BoB A 14 Fazer um balanço de massa 15 Reações Múltiplas Reator batelada Reatores contínuos 16 Exemplo: O etileno pode ser produzido a partir da desidrogenação do etano, de acordo com as reações abaixo. C2H6 → C2H4 + H2 C2H6 + H2 → 2 CH4 A reação é realizada em um reator contínuo. A alimentação (100 mols/min) consiste em 85% mol de etano e inerte como balanço. A conversão de etano é de 0,50 e o rendimento para etileno é de 0,471. Calcule a composição molar na saída do reator e a seletividade para produção de etileno em relação ao metano. 17 Rendimento (quantidade de produto desejado formado) Y = -------------------------------------------------------------------------------------------- (quantidade de produto desejado formado sem a presença de reações indesejadas e considerando consumo total do reagente limitante) Seletividade ( quantidade de produto desejado formado) S = ------------------------------------------------------------------- (quantidade de produto indesejado formado) 18 A → B + C (reação 1) A + C → 2 D (reação 2) Rendimento Conversão min 5,42 0 0 molsF F FF X A A AA 19 20 Seletividade 21 Resolver os problemas do livro: Chemical Reaction and Chemical Reactors, George W. Roberts. P1.1 P1.2 P1.4 P1.6 P1.11 Os enunciados estão no ambiente AVA.
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