Terceira Lista Reatores II_Efeitos Difusivos

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Departamento de Ciências Exatas e da Terra 
Curso de Engenharia Química 
UC: Reatores Químicos II 
Professor: Sania M. de Lima 
Terceira Lista de Exercícios: 
Efeitos de Difusão sobre Reações Heterogêneas 
 
 
1) A decomposição de ciclohexano (A) a benzeno e hidrogênio (B) é limitada por transferência de massa a 
temperaturas elevadas. A reação é conduzida em um tubo de 5 cm (D.I.) e 20 m de comprimento, recheado 
com partículas cilíndricas de 0,5 cm de diâmetro e 0,5 cm de comprimento. As partículas são recobertas 
com catalisador somente na parte externa. A porosidade do leito é de 40 %. A vazão volumétrica de entrada 
é de 60 dm3/min. Calcule o número de tubos necessários para alcançar 99,9 % de conversão de ciclohexano 
de uma corrente gasosa de entrada contendo 5 % de ciclohexano e 95 % de H2 a 2 atm e 500°C. Dados: 
MA = 84 g/mol; MB = 2 g/mol; VA = 122 cm
3/mol e VB = 7,07 cm
3/mol; DAB = 0,857 cm
2/s. 
 
 
 
2) Uma planta química remove traços de Cl2 de uma corrente de gases residuais passando a mesma sobre um 
adsorvente granular sólido contido num leito de recheio tubular. Atualmente, uma remoção de 63,2 % está 
sendo alcançada, mas acredita-se que uma remoção maior poderia ser obtida se fossem aumentados a vazão 
por um fator de 4 e o comprimento do tubo em 50 %, e diminuído o diâmetro da partícula por um fator de 3. 
Que porcentagem de cloro seria removida no esquema proposto? (O cloro transferido ao adsorvente é 
removido completamente por uma reação química virtualmente instantânea). 
 
 
 
3) Em certa planta química, uma isomerização reversível em fase fluida A ↔ B é conduzida sobre um 
catalisador sólido num reator tubular de leito de recheio. Se a reação é tão rápida que a transferência de 
massa entre a superfície catalítica e o interior da fase fluida limita a velocidade da reação global, mostre que 
a cinética pode ser descrita em termos das concentrações do interior da fase fluida, CA e CB, dada por: 
 
A
B
BAB
A
k
k
K
C
K
Ck
r
+











−
=−
1
.
1
.
"
 
 
Onde: -rA
”
 = moles de A que reagem por unidade de área catalítica por unidade de tempo; 
 kA, kB = coeficientes de transferência de massa para A e B; 
 K = constante de equilíbrio de reação. 
 
 
 
4) Uma reação de primeira ordem heterogênea irreversível, A → B, está ocorrendo no interior de uma 
partícula esférica de catalisador que é impregnada de platina por toda a superfície. A concentração do 
reagente a meio caminho entre a superfície externa e o centro da partícula (isto é, r = R/2) é igual a um 
décimo da concentração da superfície externa da partícula. A concentração na superfície externa é 
0,001 mol/dm
3
, o diâmetro (2R) é 2,0 x 10
-3
 cm e o coeficiente de difusão é 0,1 cm
2
/s. 
(a) Qual é a concentração do reagente a uma distância de 3,0 x 10
-4
 cm a partir da superfície externa da 
partícula? 
(b) A que diâmetro a partícula deve ser reduzida para que o fator de efetividade interno seja 0,8? 
 
 
 
 
 
 
Departamento de Ciências Exatas e da Terra 
Curso de Engenharia Química 
UC: Reatores Químicos II 
Professor: Sania M. de Lima 
Terceira Lista de Exercícios: 
Efeitos de Difusão sobre Reações Heterogêneas 
 
5) Uma reação de primeira ordem está ocorrendo no interior de um catalisador poroso. Assuma que as 
concentrações são diluídas e despreze quaisquer variações na direção axial. Deduza uma equação para 
ambos os fatores de efetividade interno e global para a placa porosa retangular mostrada na Figura abaixo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6) A reação irreversível A → B está ocorrendo no disco catalítico poroso mostrado na Figura do exercício 5. 
A reação é de ordem zero em A. 
(a) mostre que o perfil de concentração é: 
 








−




Φ+= 1
2
1
22
0
L
z
C
C
AS
A , onde 
ASe CD
Lk
.
. 22
0 =Φ 
 
(b) Para um módulo de Thiele de 1,414, em que ponto do disco a concentração será zero? E para módulo de 
Thiele de 4,0? 
(c) Repita a parte (a) para uma partícula esférica. 
 
 
7) A reação de decomposição de segunda ordem A → B + 2C é conduzida em um reator tubular recheado 
com partículas de 0,4 cm de diâmetro. A reação é limitada por difusão interna. O reagente A puro entra no 
reator a uma velocidade superficial de 3 m/s, uma temperatura de 250°C, e uma pressão de 500 kPa. 
Experimentos conduzidos com partículas menores, nas quais a reação na superfície controla, produziram 
uma velocidade específica de reação de 50 m
4
/gmol.s. Calcule o comprimento do leito necessário para se 
alcançar 80 % de conversão. 
Informação adicional: De = 2,66 x 10
-8
 m
2
/s; φ = 0,4; Sa = 400 m
2
/g; ρc = 2,0 x 10
6
 g/m
3
. 
 
 
8) A Tabela seguinte foi gerada a partir de dados obtidos em um reator de leito de lama para a hidrogenação do 
linoleato de metila para formar oleato de metila, L + H2 → O. Onde: S = solubilidade de H2 na mistura 
líquida, mol/dm
3
; m = carga de catalisador, g/dm
3
; -r’L = velocidade de reação do linoleato mol/dm
3
.min. 
 
Tamanho do Catalisador S/-r’L (min) 1/m (dm
3
/g) 
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 
 
(a) Qual o tamanho da partícula de catalisador que possui o menor fator de efetividade interno? 
(b) Se o tamanho da partícula A tivesse que ser utilizado no reator para uma concentração de 50 g/dm
3
, 
haveria um aumento significativo da reação se um dispersor de gás mais eficiente fosse utilizado? 
• 
2L 
CAs 
CA0 
z 
x