Cálculo de Reatores I Módulo 1

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Módulo 1
Reações e Taxa de Reações
Cálculo de Reatores
2018 T2
Turma 2016 
Centro Universitário SENAI CIMATEC
Engenharia Química
Regras do Jogo
Composição de AV1 e AV2:
Lista Exercícios 		1,0 ponto
Testinho 			2,0 ponto
Avaliação Individual 	7,0 pontos
Centro Universitário SENAI CIMATEC
Engenharia Química
Regras do Jogo
O aluno deverá estar presente em pelo menos 75 % das aulas.
Professor não recebe atestado médico nem qualquer tipo de abono de faltas.
Qualquer abono de faltas deverá ser resolvido através de processo junto à coordenação.
Centro Universitário SENAI CIMATEC
Engenharia Química
Calendário
Segunda
Conteúdo
Sexta
Conteúdo
28/mai
Cancelada
01/jun
Introdução
04/jun
Módulo 1
08/jun
Módulo 1
11/jun
Módulo 1
15/jun
Módulo 1
18/jun
Módulo 2
22/jun
Módulo 2
25/jun
Módulo 2
29/jun
Módulo 2
02/jul
Feriado
06/jul
Módulo 2
09/jul
AV1
13/jul
Módulo 3
16/jul
Módulo 3
20/jul
Módulo 3
23/jul
Módulo 3
27/jul
Módulo 3
30/jul
Módulo 4
03/ago
Módulo 4
06/ago
Módulo 4
10/ago
Módulo 4
13/ago
Módulo 4
17/ago
Módulo 4
20/ago
Módulo 4
24/ago
AV2
27/ago
AVF
31/ago
Centro Universitário SENAI CIMATEC
Engenharia Química
Conceitos Iniciais – Capítulo 1
Reação Química
Fenômeno químico onde os reagentes são transformados em produtos.
A + B  C + D
Reagentes
R
Produtos
P
Cinética Química
É a ciência que estuda a velocidade das reações químicas. 
Conceitos Iniciais – Capítulo 1
Reatores Químicos
Equipamentos onde ocorrem as reações químicas.
Conceitos Iniciais – Capítulo 1
Notação Estequiométrica
Cl2 + C3H6 + 2NaOH  C3H6O + 2NaCl + H2O
Processo Cloridrina para a produção do óxido de propileno
Processo de produção responsável por cerca de metade o óxido de propileno a nível mundial.
Matéria – prima importante na fabricação de poliésteres insaturados
Conceitos Iniciais – Capítulo 1
Notação Estequiométrica
Cl2 + C3H6 + 2NaOH  C3H6O + 2NaCl + H2O
Resina Bisfenólica  óxido de propileno + Bisfenil A
Resinas próprias para fazer peças que sofrem ataques químicos, por possuírem a estrutura mais fechada, conferindo maior estabilidade térmica e química pela alta dureza do material.
Conceitos Iniciais – Capítulo 1
Notação Estequiométrica
Cl2 + C3H6 + 2NaOH  C3H6O + 2NaCl + H2O
Cada reação é regida por uma estequiometria
Equação estequiométrica Balanceada
Número de mols de um dado elemento antes da reação é igual a depois da reação
Conceitos Iniciais – Capítulo 1
Notação Estequiométrica
Cl2 + C3H6 + 2NaOH  C3H6O + 2NaCl + H2O
Coeficientes estequiométricos
Conceitos Iniciais – Capítulo 1
Notação Estequiométrica
Cl2 + C3H6 + 2NaOH  C3H6O + 2NaCl + H2O
Coeficientes estequiométricos
Número de mols aumenta ao longo da reação
Número de mols diminui ao longo da reação
Número de mols não se altera com a reação
Conceitos Iniciais – Capítulo 1
Extensão da reação e Lei das Proporções Definidas
Sistema em que a reação química é o único acontecimento que é responsável pela variação do número de mols
Extensão da reação
ou
Grau de Avanço da reação
Conceitos Iniciais – Capítulo 1
Extensão da reação e Lei das Proporções Definidas
Medida de quanto a reação progrediu.
Extensão da reação
ou
Grau de Avanço da reação
A extensão da reação é máxima, quando todo o reagente limitante for consumido ou o equilíbrio termodinâmico for atingido.
Conceitos Iniciais – Capítulo 1
Extensão da reação e Lei das Proporções Definidas
Lei das Proporções definidas para um sistema fechado
Lei das Proporções definidas para um sistema aberto com escoamento em Estado Estacionário – uma reação
Conceitos Iniciais – Capítulo 1
Extensão da reação e Lei das Proporções Definidas
Reações Múltiplas
k – refere-se a reação de um sistema de R reações
Lei das Proporções definidas para um sistema fechado – múltiplas reações
Lei das Proporções definidas para um sistema aberto, escoamento estacionário – múltiplas reações
Conceitos Iniciais – Capítulo 1
Extensão da reação e Lei das Proporções Definidas
Exemplo 1-1
Reação de hidrogenólise do tiofeno
C4H4S + 4H2  C4H10 + H2S
Conceitos Iniciais – Capítulo 1
Extensão da reação e Lei das Proporções Definidas
Exemplo 1-1
Reação de hidrogenólise do tiofeno
C4H4S + 4H2  C4H10 + H2S
Conceitos Iniciais – Capítulo 1
Extensão da reação e Lei das Proporções Definidas
Exemplo 1-1
Dadas as duas reações a seguir, os dados da planta piloto do exemplo anterior são consistentes para este sistemas de reações?
C4H4S + 3H2  C4H8 + H2S
C4H8 + H2  C4H10
Conceitos Iniciais – Capítulo 1
Definição Dependente da Espécie
Sistema com uma reação estequiometricamente simples
Unidade de alguma coisa – depende de onde ocorre a reação
Conceitos Iniciais – Capítulo 1
Definição Dependente da Espécie
Uma fase fluida
Taxa de reação – reação homogênea
Conceitos Iniciais – Capítulo 1
Definição Dependente da Espécie
Múltiplas fases
Taxa de reação – reação heterogênea
Conceitos Iniciais – Capítulo 1
Relação entre taxas de reação de diferentes espécies
Para a mesma reação:
Reações Múltiplas:
k – refere-se a reação de um sistema de R reações
Conceitos Iniciais – Capítulo 1
Definição Independente da espécie
Problema 1-8
Taxa de Reação – Capítulo 2
Cinética Química
Fenômenos Moleculares: 
Teoria das Colisões (TC) 
Teoria do Estado de Transição (TET)
Termodinâmica
Taxa de Reação – Capítulo 2
Importância da Cinética Química
Analisar a performance de um reator já existente
Desenvolver o projeto de um novo reator em escala piloto
Realizar scale-up de um reator para a escala industrial
Taxa de Reação – Capítulo 2
Equação da Taxa de Reação
A  B
Determinadas a partir de dados experimentais
Previsão por meio de equações fenomenológicas existe para reações elementares em fase gasosa
Expoentes das concentrações: ordem de reação
Unidade da taxa de reação rA: concentração por unidade de tempo
Unidade da velocidade específica de reação kA: varia com a ordem da reação.
-rA= kA . CA . CB
Taxa de Reação – Capítulo 2
Generalizações
Generalização I
Em reações irreversíveis, a taxa de desaparecimento do reagente pode ser expressa como:
-rA= f(T) . f(Ci)
T : Temperatura da reação
Ci : Concentração do composto i
É possível escrever a taxa de uma reação elementar irreversível como produtório da parcela da função com a temperatura e da parcela da função das concentrações.
Taxa de Reação – Capítulo 2
Generalizações
Generalização II
A constante da taxa pode ser escrita com base na Equação de Arrhenius:
Em que
K : constante da taxa de reação (velocidade específica da reação)
T : temperatura da reação
E : energia de ativação da reação
R : constante universal dos gases
A : fator pré-exponencial ou fator de frequência
Taxa de Reação – Capítulo 2
Generalizações
Generalização II
A taxa ou velocidade da reação k(T) aumenta com a temperatura
O fator pré-exponencial A não depende da temperatura
A energia de ativação E é constante para uma vasta faixa de temperatura (variação de E com T indica mudança de mecanismo de reação)
Taxa de Reação – Capítulo 2
Generalizações
Generalização II
Para uma reação ocorrer os reagentes devem ter energia suficiente para ultrapassar a barreira de energia que separa os R dos P.
A altura desta barreira é a energia de ativação da reação.
Taxa de Reação – Capítulo 2
Generalizações
Generalização III
O termo f(Ci) diminui a medida que as concentrações dos reagentes diminuem.
Taxa de Reação – Capítulo 2
Generalizações
Generalização IV
O termo f(Ci) pode ser escrito na forma:
Taxa de Reação – Capítulo 2
Generalizações
Generalização IV
O termo f(Ci) pode ser escrito na forma:
Ordem global de reação – somatório das ordens de reação individuais
Lei de Potências: a taxa de reação é dada por este produtório
Taxa de Reação – Capítulo 2
Generalizações
Generalização IV
Dada a reação:
A ordem de reaçãode cada componente é encontrada de forma experimental
Apenas para reações elementares a ordem de reação de determinado componente é igual ao negativo de seu coeficiente estequimétrico (para os reagentes) e a zero para os produtos.
Taxa de Reação – Capítulo 2
Generalizações
Generalização V
Se a reação é reversível, a taxa líquida é:
Taxa de Reação – Capítulo 2
Generalizações
Generalização V
Quando a reação atinge o equilíbrio, a taxa líquida é zero.
Taxa de Reação – Capítulo 2
Generalizações
Generalização V
Pensemos na Termodinâmica
A Termodinâmica não pode prever a taxa de uma reação, entretanto, pode nos dizer até onde se consegue chegar até atingir o equilíbrio.
A conversão de equilíbrio termodinâmico é a máxima conversão que pode ser atingida para uma reação nas mesmas condições reacionais (T, p e Ci) independentemente da configuração do equipamento (tipo de reator) ou do processo (batelada, contínuo, etc.).
Taxa de Reação – Capítulo 2
Considerações importantes
As reações nem sempre são representadas por Leis de Potências
Exceções comuns são:
Catálise heterogênea  Langmuir-Hinshelwood
Taxas que descrevem o mecanismo de reação de adsorção dos compostos no catalisador 
Reações Bioquímicas  Michaelis-Menten
Taxas que descrevem o mecanismo de ligação enzima-substrato
Exercícios – Módulo 1
Livro “Reações Químicas e Reatores Químicos” de George Roberts
Lista 1 – 1.1; 1.2; 1.5; 1.6; 1.8; 1.11
Lista 2 – 2.1; 2.2; 2.5; 2.7; 2.9 
Capítulo equivalente do FOGGLER:
http://www.umich.edu/~essen/html/03chap/frames.htm