Calculo de reatores prova ufrrj

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Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro
IT-389 - Cálculo de Reatores II
4
a
Lista de Exercícios
1) A hidrogenação catalítica do metil-linoleato para metil-oleato foi realizada em um reator de lama em
escala de laboratório, no qual hidrogênio era borbulhado através do líquido contendo pellets esféricos de
catalisador. A densidade do pellet era de 2,0 g.cm
−3
. Os seguintes experimentos foram realizados a 25
◦
C.
Corrida Pressão parcial Solubilidade Velocidade de Carga de Tamanho da partícula
de H2 do H2 consumo do H2 catalisador de catalisador
(atm) (gmol.dm
−3
) (gmol.dm
−3
min
−1
) (g.dm
−3
) (µm)
1 3 0,007 0,014 3,0 12
2 18 0,042 0,014 0,5 50
3 3 0,007 0,007 1,5 50
a) Foi sugerido que a velocidade global da reação pode ser aumentada pelo aumento da agitação,
diminuição do tamanho da partícula e instalação de um dispersor de gás mais eficiente. Com quais
recomendações você concorda? Existem outros modos para aumentar a velocidade global da reação?
b) É possível determinar o fator de efetividade a partir dos dados acima?
c) Por razões econômicas é proposto que se utilize partículas de catalisador uma ordem de magnitude
maior. Foram obtidos os seguintes dados adicionais:
Corrida Pressão parcial Solubilidade Velocidade de Carga de Tamanho da partícula
de H2 do H2 consumo do H2 catalisador de catalisador
(atm) (gmol.dm
−3
) (gmol.dm
−3
min
−1
) (g.dm
−3
) (µm)
4 3 0,007 0,00233 2,0 750
O modulo de Thiele é igual a 9,0 para este tamanho de partícula de catalisador (750 µm) no experi-
mento 4. Determine o coeficiente de transferência de massa externa e a percentagem (em relação a total)
da resistência à transferência de massa externa para a partícula catalítica.
2) A tabela abaixo foi obtida a partir dos dados de experimentos para a reação de hidrogenação de
metil-linoleato em um reator de lama:
L + H2 −−→ O
Tamanho da partícula de catalisador
S(−r′L) (min) 1m (dm3g−1)
A 4,2 0,01
A 7,5 0,02
B 1,5 0,01
B 2,5 0,03
B 3,0 0,04
onde:
S: Solubilidade do hidrogênio na mistura líquida (gmol.dm−3)
m: Carga do catalisador (g.dm−3)(
−r′L
)
: Velocidade de consumo do metil-linoleato (gmol.dm
−3
min
−1
).
a) Qual o tamanho de partícula de catalisador tem o menor fator de efetividade?
b) Se o catalisador com tamanho de partícula A for usado no reator a uma carga de 50 g.dm
−3
, haverá
um aumento significativo da conversão com uma melhor dispersão do gás?
c) Se o catalisador com tamanho de partícula B for usado, qual a carga mínima que deverá ser usada
para que as resistências difusionais combinadas (externa e interna) para o sólido representem menos que
50% da resistência total?
3) A hidrogenação de 2-butino-1,4-diol para butenodiol é realizada em um reator de lama utilizando um
catalisador à base de platina. A reação é de primeira ordem em relação a cada um dos reagentes. A
concentração inicial do 2-butino-1,4-diol é de 2,5 kgmol.m
−3
. Hidrogênio puro é borbulhado através do
reator a uma pressão de 35 atm a 35
◦
C. A solubilidade do hidrogênio na mistura líquida nestas condições
é de 0,01 kgmol.m
−3
e a velocidade específica da reação é de 0,048 m
6
kg
−1
kgmol
−1
s
−1
. A carga de
catalisador é de 0,1 kg.m
−3
com um tamanho de partícula de 0,01 cm e uma densidade da partícula de
1500 kg.m
−3
a) Calcule a contribuição de cada etapa de transporte para a resistência global.
b) Como o tempo de reação poderia ser reduzido?
Dados adicionais:
Difusividade do hidrogênio na mistura: 10−9 m2s−1
kbab: 0, 3 s−1
kc: 0,005 cm.s
−1
(hidrogênio na mistura)
kc: 0,009 cm.s
−1
(2-butino-1,4-diol em butenodiol)
4) A hidrogenação dos aromáticos presentes em um óleo lubrificante é realizada em um reator de lama com
volume igual a 6 m
3
. A solubilidade do hidrogênio no óleo é de 0,068 gmol.m
−3
atm
−1
. A concentração
de aromáticos na alimentação é de 0,07 kgmol.m
−3
. A vazão de alimentação do líquido é de 6,3 kg.s
−1
e a
de hidrogênio é de 10,0 kg.s
−1
. A reação é de primeira ordem em hidrogênio e utiliza partículas esféricas
de catalisador de 0,31 cm de diâmetro. A velocidade especifica de reação (real) é de 2,1×10−3 s−1. A
reação ocorre a 100
◦
C e 50 atm. Calcule a resistência de cada etapa e a conversão obtida para uma carga
de catalisador de 10 kgcatm
−3
.
Dados: Difusividade efetiva do hidrogênio no catalisador: 8×10−9 m2s−1
kbab: 4, 3 s−1
kc: 0,05 m.s
−1
(hidrogênio na mistura)
5) Os dados abaixo foram obtidos Karpenko [citado em C.G. Hill, An Introduction to Chemical Enginee-
ring Kinetics & Reactor Design, 1977]. Nitrobenzeno dissolvido em etanol foi hidrogenado a temperatura
ambiente e 1,0 atm sobre catalisadores de Pd em carbono (5% Pd, em base mássica). Quatro cargas
distintas de catalisador foram utilizadas. Para cada valor de carga, a redução era realizada em dois tipos
diferentes de reator (A e B):
A) Um reator com um sistema de agitação vigorosa.
B) Um reator agitado com uma barra magnética, que resulta em uma agitação fraca
Qual a interpretação dos dados?
Consumo de Hidrogênio (cm
3
s
−1
)
Carga de catalisador (mg) Massa de paládio (mg) Total por mg de Pd
A B A B
52 2,6 0,042 0,042 0,016 0,016
105 5,2 0,72 0,52 0,138 0,100
210 10,5 1,97 0,92 0,187 0,088
420 21,0 2,57 0,92 0,122 0,044