Capítulo 7 Sistemas de Reação II Condições Operacionais

n
a
r 
H
e
n
ri
q
u
e
 
(h
u
m
b
e
rt
o
@
u
fu
.b
r)
 
S
is
te
m
a
s
 d
e
 R
e
a
ç
ã
o
 I
I 
C
o
n
d
iç
õ
e
s
 O
p
e
ra
c
io
n
a
is
Capítulo 7: Sistemas de Reação II – Condições Operacionais
7.6 Efeitos da Concentração sobre Reação
7.6.1 Reações Irreversíveis e Sistema Unirreacional
Excesso de um componente de alimentação pode forçar outro componente para a conversão completa. Como
exemplo, considere a reação entre etileno e cloro para dicloroetano:
Um excesso de etileno é utilizado para garantir a conversão essencialmente completa do cloro, que é assim
eliminado como um problema para o sistema de separação a jusante. Em uma única reação irreversível (onde a
seletividade não é um problema), a escolha usual do excesso de reagente é eliminar o componente que é mais difícil
de separar no sistema de separação a jusante. Alternativamente, se um dos componentes é mais perigoso (como é o
caso do cloro neste exemplo), a conversão completa tem vantagens para a segurança.
7.6.2 Reações Reversíveis e Sistema Unirreacional
A conversão máxima em reações reversíveis é limitada pela conversão de equilíbrio e as condições no reator são
geralmente escolhidas para aumentar a conversão de equilíbrio.
Taxa de alimentação: Se a um sistema em equilíbrio, um excesso de um dos reagentes é adicionado, então o efeito é
deslocar o equilíbrio para diminuir a concentração da alimentação. Em outras palavras, um excesso de alimentação
pode ser usado para aumentar a conversão de equilíbrio. Considere os exemplos a seguir.
55
Exemplo 1: Acetado de etila pode ser produzido pela esterificação do ácido acético com etanol na presença de um
catalisador tal como o ácido sulfúrico ou uma resina de troca iônica de acordo com a seguinte reação:
Estudos de laboratório foram conduzidos a fim de levantar dados sobre a conversão. Uma mistura estequiométrica
de 60g de ácido acético e 46g de etanol foram reagidos à temperatura constante até alcançar o equilíbrio. Os
produtos da reação foram analisados e foi determinado uma quantidade de 63,62g de acetato de etila. Assumindo
que a reação forme uma mistura líquida ideal, pede-se:
a. Calcule a conversão de equilíbrio do ácido acético.
b. Estime o efeito de usar 50% e 100% de excesso de etanol sobre a conversão de ácido acético.
P
ro
f.
 H
u
m
b
e
rt
o
 M
o
li
n
a
r 
H
e
n
ri
q
u
e
 
(h
u
m
b
e
rt
o
@
u
fu
.b
r)
 
S
is
te
m
a
s
 d
e
 R
e
a
ç
ã
o
 I
I 
C
o
n
d
iç
õ
e
s
 O
p
e
ra
c
io
n
a
is
Capítulo 7: Sistemas de Reação II – Condições Operacionais
7.6 Efeitos da Concentração sobre Reação
7.6.2 Reações Reversíveis e Sistema Unirreacional
56
CH3COOH C2H5OH CH3COOC2H5
Massa Inicial (g) 60 46 0
Peso Molecular (g/mol) 60 46 88
Moles iniciais (mol) 1 1 0
Moles no equilíbrio (mol) 1 – 0,723 1 – 0,723 63,62/88 = 0,723
P
ro
f.
 H
u
m
b
e
rt
o
 M
o
li
n
a
r 
H
e
n
ri
q
u
e
 
(h
u
m
b
e
rt
o
@
u
fu
.b
r)
 
S
is
te
m
a
s
 d
e
 R
e
a
ç
ã
o
 I
I 
C
o
n
d
iç
õ
e
s
 O
p
e
ra
c
io
n
a
is
Capítulo 7: Sistemas de Reação II – Condições Operacionais
7.6 Efeitos da Concentração sobre Reação
7.6.2 Reações Reversíveis e Sistema Unirreacional
Solução:
a. Calcule a conversão de equilíbrio do ácido acético.
57
 
K
a
=

S
s
T
t

B
b
C
c
...






x
S
s x
T
t
x
B
bx
C
c
...






= 1 solução ideal
X: é a conversão do ácido acético.
r: é a razão entre etanol e ácido 
acético.
 
K
a
=
X2
1− X( ) r − X( )
 
= K
x
=
x
Acet.Etila
x
H
2
O
x
Ac.Acet.
x
E tanol








P
ro
f.
 H
u
m
b
e
rt
o
 M
o
li
n
a
r 
H
e
n
ri
q
u
e
 
(h
u
m
b
e
rt
o
@
u
fu
.b
r)
 
S
is
te
m
a
s
 d
e
 R
e
a
ç
ã
o
 I
I 
C
o
n
d
iç
õ
e
s
 O
p
e
ra
c
io
n
a
is
Capítulo 7: Sistemas de Reação II – Condições Operacionais
7.6 Efeitos da Concentração sobre Reação
7.6.2 Reações Reversíveis e Sistema Unirreacional
Solução:
b. Estime o efeito de usar 50% e 100% de excesso de etanol sobre a conversão de ácido acético.
➔
58
r X
1,0 0,723
1,5 0,842
2,0 0,894
Dos resultados obtidos de laboratório ➔ r = 1 e X = 0,723.
 
K
a
=
0,7232
1−0,723( )1−0,723( )
= 6,813
 
6,813=
X2
1− X( ) r − X( )
P
ro
f.
 H
u
m
b
e
rt
o
 M
o
li
n
a
r 
H
e
n
ri
q
u
e
 
(h
u
m
b
e
rt
o
@
u
fu
.b
r)
 
S
is
te
m
a
s
 d
e
 R
e
a
ç
ã
o
 I
I 
C
o
n
d
iç
õ
e
s
 O
p
e
ra
c
io
n
a
is
Capítulo 7: Sistemas de Reação II – Condições Operacionais
7.6 Efeitos da Concentração sobre Reação
7.6.2 Reações Reversíveis e Sistema Unirreacional
Solução:
b. Estime o efeito de usar 50% e 100% de excesso de etanol sobre a conversão de ácido acético.
 
K
a
=
X2
1− X( ) r − X( )
➔
➔
59
Assumindo que a reação ocorra a 1100 K e 20 bar, calcule a conversão de equilíbrio para uma razão molar entre
vapor e metano na alimentação de 3, 4, 5 e 6. Assuma comportamento de gás ideal e os dados termodinâmicos
acima.
P
ro
f.
 H
u
m
b
e
rt
o
 M
o
li
n
a
r 
H
e
n
ri
q
u
e
 
(h
u
m
b
e
rt
o
@
u
fu
.b
r)
 
S
is
te
m
a
s
 d
e
 R
e
a
ç
ã
o
 I
I 
C
o
n
d
iç
õ
e
s
 O
p
e
ra
c
io
n
a
is
Capítulo 7: Sistemas de Reação II – Condições Operacionais
7.6 Efeitos da Concentração sobre Reação
7.6.2 Reações Reversíveis e Sistema Unirreacional
Exemplo 2: Hidrogênio pode ser produzido a partir da reação de reforma do metano com vapor de água na presença 
de um catalisador. As duas reações principais são:
60
P
ro
f.
 H
u
m
b
e
rt
o
 M
o
li
n
a
r 
H
e
n
ri
q
u
e
 
(h
u
m
b
e
rt
o
@
u
fu
.b
r)
 
S
is
te
m
a
s
 d
e
 R
e
a
ç
ã
o
 I
I 
C
o
n
d
iç
õ
e
s
 O
p
e
ra
c
io
n
a
is
Capítulo 7: Sistemas de Reação II – Condições Operacionais
7.6 Efeitos da Concentração sobre Reação
7.6.2 Reações Reversíveis e Sistema Unirreacional
Solução: T = 1100 K, P = 20 bar, R = 8,3145 kJ/K.kmol e gás ideal
61
Moles Totais
Seja “r” a razão molar da água para o metano na alimentação, X1 a conversão da primeira reação com relação ao CH4
e X2 a conversão da segunda reação com relação ao CO.
P
ro
f.
 H
u
m
b
e
rt
o
 M
o
li
n
a
r 
H
e
n
ri
q
u
e
 
(h
u
m
b
e
rt
o
@
u
fu
.b
r)
 
S
is
te
m
a
s
 d
e
 R
e
a
ç
ã
o
 I
I 
C
o
n
d
iç
õ
e
s
 O
p
e
ra
c
io
n
a
is
Capítulo 7: Sistemas de Reação II – Condições Operacionais
7.6 Efeitos da Concentração sobre Reação
7.6.2 Reações Reversíveis e Sistema Unirreacional
Solução: T = 1100 K, P = 20 bar, R = 8,3145 kJ/K.kmol e gás ideal
62
P
ro
f.
 H
u
m
b
e
rt
o
 M
o
li
n
a
r 
H
e
n
ri
q
u
e
 
(h
u
m
b
e
rt
o
@
u
fu
.b
r)
 
S
is
te
m
a
s
 d
e
 R
e
a
ç
ã
o
 I
I 
C
o
n
d
iç
õ
e
s
 O
p
e
ra
c
io
n
a
is
Capítulo 7: Sistemas de Reação II – Condições Operacionais
7.6 Efeitos da Concentração sobre