Cálculo de Reatores: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 8 exercícios, com soluções completas no final.

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1Fórmulas e métodos

Cinética química

Primeira ordem
ln(CA/CA0) = −kt
Meia-vida (primeira ordem)
t½ = ln 2/k
Segunda ordem
1/CA = 1/CA0 + kt
Arrhenius
k = A·e−Ea/(RT)
Duas temperaturas
ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)

Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Tempo espacial
τ = V/Q
CSTR, primeira ordem
τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + kτ)
PFR, primeira ordem
τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−kτ
Conversão a partir do volume
CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e−kτ
N CSTRs iguais em série
X = 1 − 1/(1 + kτi)N

Equilíbrio químico

Constante de equilíbrio
Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
Tabela ICE
Inicial, Variação (×coeficiente), Equilíbrio
Equação do segundo grau
x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Método

  1. Escreva Kc com os produtos sobre os reagentes, cada um elevado ao seu coeficiente.
  2. Monte uma tabela ICE: Inicial, Variação (em passos de x vezes os coeficientes), Equilíbrio.
  3. Coloque as expressões de equilíbrio em Kc e resolva para x.
  4. Verifique se x é pequeno o bastante para uma aproximação; caso contrário, resolva a equação do segundo grau.

Balanço de massa

Regime permanente
entrada = saída
Balanço total
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
Balanço por componente
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
Evaporador
F·xF = P·xP, W = F − P

2Exercícios

1.Cinética químicaMédia
t (min)C (mol/L)15 minC = ?

Uma reação com lei de velocidade −rA = k·CA² tem k = 0,25 L/(mol·min) e começa em 2 mol/L. Encontre a concentração CA depois de 15 min.

k = 0,25 L/(mol·min)CA0 = 2 mol/Lt = 15 min
CA = mol/L
2.Cinética químicaDifícil
1/Tln kT = 80 °Cln 0,05ln A = ?Ea​ = 40 kJ/mol

Uma reação de primeira ordem tem constante de velocidade de 0,05 s⁻¹ a 80 °C e energia de ativação de 40 kJ/mol. Encontre o fator pré-exponencial A na equação de Arrhenius.

k = 0,05 s⁻¹T = 80 °CEa = 40 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
A = s⁻¹
3.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
Q = 100 L/minCA0​ = 2 mol/LCA​ = ?V = 200 L, k = 0,4 min⁻¹

Uma reação de primeira ordem em fase líquida A → B (k = 0,4 min⁻¹) ocorre em um reator de escoamento tubular (PFR) de 200 L. A alimentação entra a 100 L/min com CA0 = 2 mol/L. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre a concentração de saída CA.

V = 200 LQ = 100 L/mink = 0,4 min⁻¹CA0 = 2 mol/L
CA = mol/L
4.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil
V = 1500 LQ = 40 L/minX = ?

Uma reação de primeira ordem em fase líquida (k = 0,25 min⁻¹) ocorre em um CSTR de 1500 L alimentado a 40 L/min. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre a conversão X em porcentagem.

V = 1500 LQ = 40 L/mink = 0,25 min⁻¹
X = %
5.Equilíbrio químicoMédia
H2​I2​HII110C−x−x+2xE1 − x1 − x2x

1 mol/L de H₂ e 1 mol/L de I₂ são colocados em um recipiente e reagem: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, com Kc = 50. Calcule a concentração no equilíbrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 50
[HI] = mol/L
6.Equilíbrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,400C−x+x+xE0,4 − xxx

O PCl₅ se decompõe: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, com Kc = 0,01 na temperatura da reação. Um recipiente começa apenas com 0,4 mol/L de PCl₅. Calcule a concentração no equilíbrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,4 mol/LKc = 0,01
[PCl5] = mol/L
7.Balanço de massaMédia
MisturadorCorrente 1800 kg/h · 10% açúcarCorrente 2ṁ₂ = ? · 50% açúcarProduto20% açúcar

Quanto da corrente 2 deve ser adicionado por hora à corrente 1 para que o produto da mistura contenha 20% de açúcar? Encontre ṁ2.

ṁ1 = 800 kg/hx1 = 10 %x2 = 50 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
8.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F4200 kg/h · 12% NaOHProduto P30% NaOHVapor W (água pura)W = ? kg/h

Um evaporador concentra uma solução de NaOH evaporando água pura. Encontre a água evaporada W em kg/h.

F = 4200 kg/hxF = 12 %xP = 30 %
W = kg/h

3Soluções

1.Cinética química

Resposta: CA = 0,2353 mol/L

Velocidades de reação: para uma reação de primeira ordem −dC/dt = kC, então C = C₀·e−kt e a meia-vida ln 2/k não depende da concentração. Para uma reação de segunda ordem 1/C = 1/C₀ + kt. A constante de velocidade aumenta com a temperatura segundo Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Lei integrada de segunda ordem

1/CA = 1/CA0 + kt = 0,5 + 0,25·15 = 4,25 L/mol
CA = 1/4,25 = 0,2353 mol/L

Resposta

CA = 0,2353 mol/L
2.Cinética química

Resposta: A = 41268 s⁻¹

Reaction rates: for a first-order reaction −dC/dt = kC, so C = C₀·e−kt and the half-life ln 2/k does not depend on concentration. For a second-order reaction 1/C = 1/C₀ + kt. The rate constant rises with temperature following Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Temperatura absoluta

T = 80 + 273,15 = 353,1 K

Resolva Arrhenius para A

Ea/(RT) = 40000/(8,314·353,1) = 13,62
A = k·e13,62 = 0,05·8,254 × 10⁵ = 41268 s⁻¹

Resposta

A = 41268 s⁻¹
3.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: CA = 0,8987 mol/L

Reatores ideais, reação de primeira ordem (−rA = k·CA) em regime permanente, com tempo espacial τ = V/Q. Um CSTR é perfeitamente misturado, então todo o volume reage na baixa concentração de saída: τ = X/(k·(1 − X)) e CA = CA0/(1 + k·τ). Em um PFR cada fatia de fluido reage como um pequeno reator em batelada: τ = ln(1/(1 − X))/k e CA = CA0·e−k·τ. Para a mesma conversão, um CSTR sempre precisa de mais volume que um PFR.

Tempo espacial

τ = V/Q = 200/100 = 2 min

Concentração de saída

CA = 2·e−0,4·2 = 0,8987 mol/L

Resposta

CA = 0,8987 mol/L

Conversão: X = 55,07%.

4.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: X = 90,36 %

Reatores ideais, reação de primeira ordem (−rA = k·CA) em regime permanente, com tempo espacial τ = V/Q. Um CSTR é perfeitamente misturado, então todo o volume reage na baixa concentração de saída: τ = X/(k·(1 − X)) e CA = CA0/(1 + k·τ). Em um PFR cada fatia de fluido reage como um pequeno reator em batelada: τ = ln(1/(1 − X))/k e CA = CA0·e−k·τ. Para a mesma conversão, um CSTR sempre precisa de mais volume que um PFR.

Tempo espacial

τ = V/Q = 1500/40 = 37,5 min, kτ = 0,25·37,5 = 9,375

Conversão

X = kτ/(1 + kτ) = 9,375/(1 + 9,375) = 90,36%

Resposta

X = 90,36%
5.Equilíbrio químico

Resposta: [HI] = 1,559 mol/L

Equilíbrio químico: para aA + bB ⇌ cC + dD, a constante de equilíbrio é Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), usando as concentrações no equilíbrio. Uma tabela ICE (Inicial, Variação, Equilíbrio) liga as quantidades iniciais às quantidades no equilíbrio por meio de uma única incógnita x, multiplicada pelos coeficientes.

Expressão do equilíbrio

50 = (2x)²/(1 − x)²

Tire a raiz quadrada

7,071 = 2x/(1 − x) → x = 1·7,071/(2 + 7,071) = 0,7795 mol/L

Concentração no equilíbrio

[HI] = 2x = 1,559 mol/L

Resposta

[HI] = 1,559 mol/L
6.Equilíbrio químico

Resposta: [PCl5] = 0,3416 mol/L

Equilíbrio químico: para aA + bB ⇌ cC + dD, a constante de equilíbrio é Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), usando as concentrações no equilíbrio. Uma tabela ICE (Inicial, Variação, Equilíbrio) liga as quantidades iniciais às quantidades no equilíbrio por meio de uma única incógnita x, multiplicada pelos coeficientes.

Expressão do equilíbrio

0,01 = x²/(0,4 − x) → x² + 0,01·x − 0,004 = 0

Resolva a equação do segundo grau

x = (−0,01 + √(0,01² + 4·0,004))/2 = 0,05844 mol/L

Concentração no equilíbrio

[PCl₅] = 0,4 − 0,05844 = 0,3416 mol/L

Resposta

[PCl5] = 0,3416 mol/L
7.Balanço de massa

Resposta: ṁ2 = 266,7 kg/h

Balanço de massa em regime permanente: entrada = saída para o total e para cada componente. Problemas de mistura combinam os dois.

Balanços

Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
açúcar: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Resolva para ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 800·(10 − 20)/(20 − 50) = 266,7 kg/h

Resposta

ṁ2 = 266,7 kg/h
8.Balanço de massa

Resposta: W = 2520 kg/h

Componente de amarração: um componente que passa inalterado em uma só corrente (aqui o soluto) liga as vazões diretamente. Depois o balanço total dá o resto.

Balanço do soluto

F·xF = P·xP → P = 4200·12/30 = 1680 kg/h

Balanço total

W = F − P = 4200 − 1680 = 2520 kg/h

Resposta

W = 2520 kg/h

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