P1 Reatores 2

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Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro
IT-389 - Cálculo de Reatores II
1a Avaliação Data: 04/11/2020
Professor: Lindoval Domiciano Fernandes
Matrícula:
1a Questão) Seja a reação reversível
2 A(g) −−⇀↽−− R(g)
que se passa sobre um catalisador sólido. Sabendo-se que não há resistências significativas à transferência
de massa e de calor, que todas as espécies sofrem adsorção simples e que a etapa determinante é a adsorção
de A, determine a equação da taxa de reação
2a Questão) Seja a reação reversível
A2(g) −−⇀↽−− P(g)
que se passa em fase gasosa sobre um catalisador sólido. Sabendo-se que não há resistências significativas
às transferências de massa e de calor, que A2 adsorve dissociativamente e que a dessorção de P é a etapa
controladora do processo, determine a taxa de reação.
3a Questão) Seja a reação
A2(g) + B(g) −−⇀↽−− R(g)
que se passa entre A na fase gasosa (A se adsorve dissociativamente) e B adsorvido sobre um catalisador
sólido. B e R sofrem adsorção simples. Obtenha a expressão da velocidade de reação, admitindo que a
dessorção de R é a etapa controladora do processo.
4a Questão) Seja a reação
A(g) + B(g) −−⇀↽−− R(g) + S(g)
que se passa em fase gasosa sobre um catalisador sólido. Sabendo-se que as resistências às transferência
de massa e de calor são desprezíveis, que a adsorção de A é a etapa determinante, que todas as especies
sofrem adsorção simples, exceto B que não se adsorve, e que uma das etapas da reação é a reação entre
A adsorvido e B na fase gasosa, determine a expressão para a velocidade de reação.
5a Questão) Ibrahim et al. [Chem. Eng. Sci., 61 (2006) 5912-5918] estudaram a oxidação parcial de
iso-octano para produção de hidrogênio sobre um catalisador de Ni/γ-Al2O3
C8H18 + 4 O2 −−⇀↽−− 8 CO + 9 H2
Nos experimentos, uma mistura de iso-octano e ar na razão molar 1:40 era alimentada em um reator
tubular com diâmetro interno de 2,54 cm, altura de leito de 1,0 cm, porosidade do leito igual a 0,5,
tamanho de partícula de 250 µm e densidade do leito igual a 2,5 g.cm−3 . O iso-octano era alimentado
a uma vazão de 50 g.min−1 e a temperatura de reação foi de 913 K. Nestas condições, a difusividade do
iso-octano era de 0,583 cm2s−1 e a viscosidade do meio era de 2,0 × 10−5g.cm−1s−1. A velocidade de
reação superficial pode ser calculada por:
(−rA) =
(
3, 38× 10−2CAs
)
gmol.s−1g−1cat
O coeficiente de transferência de massa deste sistema pode ser calculado pela correlação:
JD = (0, 4548/�)Re
−0.4069
Estime se, nestas condições, o sistema apresenta resistências significativas à transferência de massa.
6a Questão) O craqueamento do cumeno em benzeno e propileno foi conduzido em um leito fixo de
partículas de zeólita a 362◦C e pressão atmosférica, na presença de um grande excesso de nitrogênio. Em
um ponto do reator onde a pressão parcial do cumeno era de 0,02 atm, a taxa de reação era de 7,53 ×
102 kgmol.kg−1cath−1. Outros dados: Mm = 34,37 kg.kgmol−1, ρg = 0,66 kg.m−3, µ = 0,094 kg.m−1h−1,
λg = 0,037 kcal.m−1h−1 ◦C−1, Pr = 0,846, DAm = 0,096 m2s−1, rhob = 2500 kg.m−3, εb = 0,4, G =
9,4×103 kg.m−2h−1, (−∆H) = 4181 kcal.kgmol−1, o diâmetro do catalisador é 0,002 m e a energia de
ativação da reação é de 100 kcal.kgmol−1.
Nestas condições, mostre se as diferenças de pressão parcial e temperatura entre a superfície catalítica
e o seio do fluido são desprezíveis ou não.
7a Questão) Uma reação irreversível em fase gasosa de primeira ordem,
A(g) −→ B(g)
está sendo realizada sobre um catalisador não poroso, em um reator tubular de leito fixo de raio igual a
1,0 cm e porosidade, εb, igual a 0,4, em condições isotérmicas (temperatura igual a 600◦C e pressão igual
a 2,0 atm). A vazão de alimentação do gás A puro era de 5,0 gmol.s−1, sendo que o peso molecular de A
era de 50 g.gmol−1. O catalisador apresentava diâmetro equivalente igual a 0,25 cm e sua densidade era
igual a 3 g.cm−3. A viscosidade da gás era igual a 1, 7× 10−4 g.cm−1.s−1 e o coeficiente de difusividade
de A em B era de 2, 0 × 10−3 cm2s−1. Nestas condições a velocidade de reação medida foi igual a 4,5
gmolg−1cats−1. Determine se a resistência a transferência de massa externa é significativa utilizando o
critério de Mears.
8a Questão) A decomposição do cicloexano em benzeno e hidrogênio é limitada por transferência de
massa externa a temperaturas elevadas. A reação é realizada em um reator tubular de 5 cm de diâmetro
interno e 20 m de comprimento recheado com pellets cilíndricos (0,5 cm de diâmetro e 0,5 cm de com-
primento). Estes pellets estão cobertos somente na superfície externa com a fase ativa do catalisador. A
porosidade do leito é de 40%. A vazão volumétrica na alimentação é de 60 dm3min−1.
a) Calcule a taxa de consumo do cicloexano, a partir de uma alimentação constituida de 5% de
cicloexano e 95% de hidrogênio a 2 atm e 500◦C. A viscosidade da gás era igual a 1, 7×10−4 g.cm−1.s−1,
a densidade do leito era igual 3 g.cm−3 e o coeficiente de difusividade de cicloexano na mistura era de
2, 0× 10−3 cm2s−1.
9a Questão) As seguintes velocidades de reação eram observadas para uma reação irreversível de primeira
ordem, realizada sobre uma partícula esférica de um catalisador.
para dp = 1,0 cm; robs = 0,149 gmol.g−1cath−1
para dp = 0,5 cm; robs = 0,272 gmol.g−1cath−1
Sabendo-se que em ambos os casos fortes efeitos difusivos internos são observados, determine a ver-
dadeira velocidade de reação. Determine se a resistência à difusão interna ainda será importante para dp
= 0,1 cm, 0,05 cm ou 0,01 cm?
10a Questão) Uma série de experimentos foram realizados utilizando um catalisador partido em vários
tamanhos diferentes para determinar a importância da difusão nos poros. A reação pode ser considerada
como sendo de primeira ordem e irreversível. A concentração superficial de reagente, Cs, era 2×10−4
gmol.cm−3.
Diâmetro da partícula (cm) 0,5 0,25 0,1 0,0075
Taxa observada (gmol.h−1cm−3) 0,22 0,425 0,955 2,40
a) A partir dos dados, determine a constante real da reação e a difusividade efetiva.
b) Prediga o fator de efetividade e a taxa de reação esperada para uma partícula cilíndrica deste
catalisador de dimensões 0,5 cm de diâmetro por 0,5 cm de altura.
11a Questão)Gasóleo é craqueado a 700◦C e 1,0 bar pela passagem da alimentação vaporizada através
de um leito empacotado formado por partículas esféricas de um catalisador de sílica-alumina com raio
igual a 0,04 cm. Para uma alimentação de 60 cm3liquido.cm
−3
reatorh−1, uma conversão de 5% é encontrada.
Assumindo que a reação é de primeira ordem e que o reator pode ser considerado diferencial, calcule
a velocidade média de reação, determine se a difusão interna é ou não importante e ache o fator de
efetividade.
Dados:
Densidade da fase líquida: 0,869 g.cm−3
Peso molecular da alimentação: 255 g.gmol−1
Densidade do leito empacotado: 0,7 gcatcm−3reator
Densidade do catalisador: 0,95 gcatcm−3cat
Difusividade efetiva no catalisador: 8× 10−4 cm2s−1
Concentração média do reagente: 0, 6× 10−5 gmol.cm−3
12a Questão) Barnett et al. [AIChE J., 7 (1961) 211] estudaram a desidrogenação catalítica do benzeno
sobre um catalisador de platina suportada em alumina. Uma razão de hidrogênio para cicloexano de 10:1
foi utilizada para minimizar a formação de coque sobre o catalisador. Este estudo foi feito em condições
isotérmicas em um reator de fluxo contínuo. Os resultados para uma corrida utilizando partículas esféricas
de catalisador de 0,32 cm de diâmetro são dados abaixo.
Temperatura: 750 K
Pressão: 1,480 MPa
Velocidade de alimentação do hidrogênio: 2×10−2 gmol.s−1
Velocidade de alimentação do cicloexano: 2×10−3 gmol.s−1
Conversão de cicloexano: 15,5%
Massa de catalisador: 10,4 g
Propriedades do catalisador:
Volume de poros: 0,48 cm3g−1
Área superficial: 240 m2g−1
Densidade da partícula: 1,332 g.cm−3
Porosidade da partícula: 0,59 cm3vazioscm−3
Sabendo que o fator de efetividade deste catalisador é de 0,42, estime o coeficiente de difusividade
efetivo assumindo que a reação tem cinética de primeira ordem.