Avaliação 01

Prévia do material em texto

CINÉTICA QUÍMICA E REATORES 2 
PRIMEIRA AVALIAÇÃO TEÓRICA 
 
Nome: _______________________________________________________________________________ Data: 10/10/2017 
Instruções: 
- Respostas sem unidades (quando necessário) não serão consideradas. 
- Todas as considerações realizadas devem estar escritas. 
 
1) A reação irreversível em fase líquida, catalisada com um ácido, 
𝐴 → 𝐵 
é realizada em um CSTR adiabático. A reação é de segunda ordem em relação a A, e uma alimentação equimolar de A e água (W, contendo o catalisador 
ácido), entra no reator a 52 °C e com uma vazão volumétrica total de 10 dm³/min. A concentração de A na entrada do reator é 4 mol/dm³. 
 
Dados: 
ΔH°RX = - 3000 cal/mol 
CPA = 15 cal/mol °C 
CPB = 15 cal/mol °C 
CPW = 18 cal/mol °C 
k = 0,0005 dm³/mol.min a 25°C 
E = 15 000 cal/mol 
R = 1,987 cal/mol.K 
 
 
a) Qual o volume necessário para alcançar 80% de conversão? 
b) Um outro reator CSTR de 30 dm³ com trocador de calor (UA = 10 000 cal/m³.s.K, Ta = 343 K) está disponível para a reação. Duas temperaturas 
de alimentação foram propostas e as curvas de calor gerado e removido são mostradas abaixo (imagem ampliada). Explique qual temperatura de 
alimentação deveria ser utilizada, e, nessa condição, qual a conversão e temperatura atingidas neste reator. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2) A reforma a vapor de etanol é utilizada para produção de hidrogênio, 
 
𝐶2𝐻5𝑂𝐻 + 3𝐻2𝑂 → 6𝐻2 + 2𝐶𝑂2 
 
e ocorre em fase gasosa, com excesso de água e adição de inerte para redução da desativação do catalisador, além de evitar efeitos de expansão da mistura 
reacional; com isso, uma cinética de primeira ordem em relação a etanol pode ser considerada. Considere uma alimentação composta por 1% de etanol, 
10% em água e o restante de N2 (composição molar), com vazão molar total de 100 mol/min. O esquema abaixo mostra o processo global. 
 
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
320 340 360 380 400 420
G
(T
),
 R
(T
) 
[c
al
/m
o
l 
A
]
Temperatura (K)
G(T) R(T), To = 318 K R(T), To = 450 K
 
a) Qual conversão pode ser obtida para uma operação isotermicamente a 450 °C em um PBR (k = 0,2 min-1) ? Qual o volume do reator nessa 
condição? Considere a temperatura de 450 ºC e alimentação a pressão atmosférica. 
b) Qual carga térmica é adicionada ao reator? 
c) Para as mesmas condições de alimentação e tempo espacial, a conversão para uma operação adiabática seria maior ou menor? Explique sua 
resposta baseado nos balanços molar e de energia e plote um ESQUEMA do perfil de conversão e temperatura ao longo do reator. 
 
Dados: 
𝐻𝑓,𝐶2𝐻5𝑂𝐻(𝑔)
° (298 𝐾) = −235,1 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙 
𝐻𝑓,𝐻2𝑂(𝑔)
° (298 𝐾) = −241,8 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙 
𝐻𝑓,𝐶𝑂2(𝑔)
° (298 𝐾) = −393,3 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙 
𝑐𝑝,𝐶2𝐻5𝑂𝐻 = 111
𝐽
𝑚𝑜𝑙. 𝐾
 
𝑐𝑝,𝐻2 = 28,83
𝐽
𝑚𝑜𝑙. 𝐾
 
𝑐𝑝,𝐶𝑂2 = 37,14
𝐽
𝑚𝑜𝑙. 𝐾
 
𝑐𝑝,𝐻2𝑂 = 4,18
𝐽
𝑚𝑜𝑙. 𝐾
 
𝑐𝑝,𝑁2 = 29,11
𝐽
𝑚𝑜𝑙. 𝐾
 
 
R = 8,314 J/mol.K = 8,314 m³.Pa/mol.K
 
3) A reação de transesterificação em fase líquida, 
 
𝐶𝐻3𝑂𝐻 + 𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂𝐻 ↔ 𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂𝐶𝐻3 + 𝐻2𝑂 
 
ocorre adiabaticamente com alimentação de 1 kmol/s de ácido acético (concentração de 10 mol/dm³) e 50% de excesso de álcool, a 353 K. Considere 
que a reação é elementar. 
a) Um PFR de 15,0 m³ está disponível para ser utilizado nesta reação. É possível atingir uma conversão de 80% neste sistema? Qual fração do 
volume do reator não é utilizado? 
b) Considere que a reação fosse de primeira ordem em relação ao ácido acético devido a presença de um inerte e ocorresse em um reator adiabático. 
Como a conversão variaria em função de θI (fração de inerte na alimentação)? 
c) Se o reator fosse operado com um trocador de calor, a conversão atingida poderia ser superior a 80%? Justifique sua resposta plotando um 
esquema dos perfis de conversão, conversão de equilíbrio e temperatura ao longo do reator. 
Dados: 
∆𝐻𝑅𝑋
° (298 𝐾) = −7500
𝐽
𝑚𝑜𝑙
(𝑖𝑛𝑑𝑒𝑝𝑒𝑛𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎) 
𝑐𝑝,𝐶𝐻3𝑂𝐻 = 24
𝐽
𝑚𝑜𝑙. 𝐾
 
𝑐𝑝,𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂𝐻 = 48
𝐽
𝑚𝑜𝑙. 𝐾
 
𝑘 = 0,102. exp [3500. (
1
300
−
1
𝑇
)] , 𝑘 𝑒𝑚
𝑚3
𝑚𝑜𝑙. 𝑠
 
𝐾𝑐 = 10
543,18
𝑇 , 𝑇 𝑒𝑚 𝐾 
FORMULÁRIO 
Balanço de energia global em estado estacionário: �̇� − �̇� − 𝐹𝐴0 ∑ 𝜃𝑖𝐶𝑝𝑖(𝑇 − 𝑇0) − 𝐹𝐴0𝑋[∆𝐻𝑅𝑋
° + ∆𝐶𝑝(𝑇 − 𝑇𝑅)] = 0 
Integrais numéricas: 
Para N+1 pontos, em que N é par, 
∫ 𝑓(𝑋)𝑑𝑋 = 
ℎ
3
(𝑓0 + 4𝑓1 + 2𝑓2 + 4𝑓3 + 2𝑓4 + ⋯ + 4𝑓𝑁−1 + 𝑓𝑁)
𝑋𝑁
𝑋0
 
100 mol/min