Slide6-Projetodereatoresisotérmicos

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Projeto de reatores 
isotérmicos
Luz A / UERJ
2
1. Balanço molar
Equação de balanço molar do 
reator: Batelada, PFR, PBR 
(eq. diferenciais), 
CSTR (algébrica)
2. Lei de velocidade
Função das concentrações:
•Equação algébrica ou
•Gráfico
3. Estequiometria
• Fase líquida ou gasosa?
Considerar: Variações de 
volume, vazão volumétrica, 
pressão.
• Reações múltiplas?
Calcular velocidade global
4. Combinar Combine e resolva
Entrada: Condições da alimentação e volume ou conversão desejada
Saída: condições de saída e conversão ou volume calculado
Definições
Conversão, concentração, 
tempo espacial, etc.
5.Avaliar
3
Exemplos
� Formule a equação para calcular o volume de um 
reator PFR para uma reação de primeira ordem 
em fase gasosa
� Formule a equação para calcular o volume de um 
reator CSTR para uma reação de primeira ordem 
em fase gasosa
� Formule a equação para calcular o volume de um 
reator PFR para uma reação de segunda ordem 
em fase gasosa
� Formule a equação para calcular o volume de um 
reator CSTR para uma reação de segunda ordem 
em fase gasosa
4
Exemplo Exemplo 4-2 Fogler 4ª Ed.
� Deseja-se produzir 200 milhões de libras por ano de etileno 
glicol. O reator deve ser operado isotermicamente. Uma 
solução de 1 lbmol/ft3 de óxido de etileno em água é
alimentada a um reator, juntamente com a vazão 
volumétrica igual de uma solução aquosa contendo 0,9% 
em peso de catalisador H2SO4. A reação é:
C2H4O + H2O � C2H6O2
a velocidade específica da reação é 0,311 min-1
a) Se o objetivo é alcançar 80% de conversão de óxido de 
etileno, determine o volume necessário do reator CSTR. 
b) Quantos reatores de 800 galões seriam necessários se 
estes fossem arranjados em paralelo? 
c) Qual é a conversão correspondente? 
d) Se fossem arranjados em série qual seria a conversão 
correspondente?
CA01
v02
X
V
v01
CA
v0
CA01
v02
X
V
v01
CA
v0
5
Resolução
0A A
A
F FV
r
−
=
A Ar kC= −
A
A
FC
v
=
( )0 1A AF F X= −
0v v=
1. Balanço molar
2. Lei de velocidade
3. Estequiometria
4. Combinar
Definições
5.Avaliar
( )XkC
XFV
A
A
−
=
10
0
6
Resolução
( )XkC
XFV
A
A
−
=
10
0 FA0= 7,67 lbmol/min
CA0 = 0,5 lbmol/ft
3
k = 0,311 min-1
X = 0,8
a)
V = 197,3 ft3
V = 1480 gal
b) N = 2
c) FA0,1 = FA0,2, V1 = V2, T1 = T2, v0,1 = v0,2 X1 = X2
( )XkC
XFV
A
A
−
=
10
0
( ) τ=−= Xk
X
v
V
10 k
kX
τ
τ
+
=
1
X = 0,81
d)
τ
τ
k
kX
+
=
11 τ
τ
k
kXX
+
+
=
1
1
2
τττ == 21
X1 = 0,684
X2 = 0,9
n reatores, 
1ª ordem
( )nn kX τ+−= 1
11
7
EQUAÇÕES DE PROJETO
Balanço molar em reatores
� Batelada
� CSTR
� PFR
� PBR
Vr
dt
dN
A
A
=
A
A r
dV
dF
=
'
A
r
dW
dFA
=
A
AA
r
FFV
−
−
=
0
8
EQUAÇÕES DE PROJETO
Balanço molar em reatores em função 
da conversão
� Batelada
� CSTR
� PFR
� PBR
Vr
dt
dXN AA −=0
AA rdV
dXF −=0
'
0 ArdW
dXFA −=
( )
saidaA
A
r
XFV
−
=
0
9
1. Determine o volume do reator com escoamento 
empistonado necessário para produzir 300 
milhões libras de etileno por ano a partir do 
craqueamento de uma corrente de alimentação 
de etano puro. A reação é irreversível e segue 
uma lei elementar de velocidade (k = 0,072 s-1
a 1000 K, E = 82 kcal/gmol). Queremos atingir 
80% de conversão de etano, operando o reator 
isotermicamente a 1100 K e a uma pressão de 6 
atm.
2. Decidiu-se usar um banco de tubos paralelos, 
com diâmetro de 2”, série 80, que têm 40 ft de 
comprimento. Calcule o número necessário de 
tubos
3. Represente graficamente os perfis de 
concentração ao longo de cada um dos tubos
Exemplos Exemplo 4-3 Fogler 4ª Ed.
10
Resolução
A Ar kC= −
A
A
FC
v
=
( )0 1A AF F X= −
( )0 1v v Xε= +
1. Balanço molar
2. Lei de velocidade
3. Estequiometria
4. Combinar
Definições
5.Avaliar
( )0
0
11
1
A
A
FV ln X
kC X
ε ε
 
= + − 
− 
AA rdV
dXF −=0
11
Resolução
1. V = 80,7 ft3
2. N= 98
3.
0 10 20 30 40
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
C
o
n
c
e
n
t
r
a
ç
ã
o
 
x
 
1
0
3
z
 CA
 CB
 CC
0,0018440,0018440,00046140,165430,8
0,0017090,0017090,00073228,360440,7
0,0015560,0015560,00103820,467020,6
0,0013830,0013830,00138314,716920,5
0,0011860,0011860,00177910,322520,4
0,0009580,0009580,0022356,8636750,3
0,0006920,0006920,0027674,0895970,2
0,0003770,0003770,0033951,8385230,1
000,0041500
CCCBCAzx
12
1. Determine a massa de catalisador necessária para atingir 60% de 
conversão quando o óxido de etileno for produzido pela oxidação 
catalítica, em fase vapor, do etileno com ar.
C2H4 + ½O2 � C2H4O
A + ½B � C
Etileno e oxigênio são alimentados em proporções 
estequiométricas em um reator de leito fixo, operado 
isotermicamente a 260 ºC. Etileno é alimentado a uma vazão 
molar de 0,3 lbmol/s, a uma pressão de 10 atm. Propõe-se usar 
10 bancos de tubos de 1½ in de diâmetro, série 40, recheados 
com catalisador; cada banco tem 100 tubos. Consequentemente, a 
vazão molar para cada tubo é 3x10-4 lbmol/s. As propriedades do 
fluido reagente devem ser consideradas idênticas às do ar nessa 
temperatura e pressão. A massa específica das partículas de 
catalisador, de ¼ in de diâmetro, é 120 lb/ft3 e a fração de vazios 
do leito é 0,45. A lei de velocidade é
-rA’= kPA
1/3 PB
2/3 lbmol/lbcat.h com
k = 0,0141 lbmol/atm.lbcat.h a 260 ºC
2. Calcule a massa desprezando a perda de pressão
3. Analise as duas situações
Exemplos Exemplo 4-6 Fogler 4ª Ed.
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Resolução
1 3 2 3/ /
A A Br ' kP P= −
A
A
FC
v
=
( )0 1A AF F X= −
( )0
0
1 Pv v X
P
ε= +
1. Balanço molar
2. Lei de velocidade
3. Estequiometria
4. Combinar
Definições
5.Avaliar( )
2 3
031 11 1 1
2 1
/
AFW ln X
k' X
α
ε ε
α
    = − − + −  
−    
0A A
dXF r '
dW
= −
( )01 12B AF F X= −
( )P f X ,W=
A AP C RT=