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)20 minC = ?

Uma reação com lei de velocidade −rA = k·CA² tem k = 0,8 L/(mol·min) e começa em 1 mol/L. Encontre a concentração CA depois de 20 min.

k = 0,8 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/Lt = 20 min
CA = mol/L
2.Cinética químicaDifícil
t (min)X (%)30 minX = ?

Uma reação de primeira ordem tem k = 0,005 min⁻¹ a 30 °C e energia de ativação de 90 kJ/mol. O reator batelada agora opera a 40 °C por 30 min. Encontre a conversão X atingida.

k1 = 0,005 min⁻¹T1 = 30 °CEa = 90 kJ/molT2 = 40 °Ct = 30 minR = 8,314 J/(mol·K)
X = %
3.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Média
Q = 25 L/minX = 85%V = ?, k = 0,05 min⁻¹

Uma reação de primeira ordem em fase líquida A → B com k = 0,05 min⁻¹ é conduzida em um reator de escoamento tubular (PFR) alimentado a 25 L/min. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre o volume do reator V em litros para 85% de conversão de A.

Q = 25 L/mink = 0,05 min⁻¹X = 85%
V = L
4.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)Difícil
V = 500 LQ = 40 L/minX = ?

Uma reação de primeira ordem em fase líquida (k = 0,25 min⁻¹) ocorre em um CSTR de 500 L alimentado a 40 L/min. A densidade é constante e o reator está em regime permanente. Encontre a conversão X em porcentagem.

V = 500 LQ = 40 L/mink = 0,25 min⁻¹
X = %
5.Equilíbrio químicoMédia
H2​I2​HII0,40,40C−x−x+2xE0,4 − x0,4 − x2x

0,4 mol/L de H₂ e 0,4 mol/L de I₂ são colocados em um recipiente e reagem: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, com Kc = 25. Calcule a concentração no equilíbrio [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,4 mol/LKc = 25
[H2] = mol/L
6.Equilíbrio químicoDifícil
PCl5​PCl3​Cl2​I0,800C−x+x+xE0,8 − xxx

O PCl₅ se decompõe: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, com Kc = 0,2 na temperatura da reação. Um recipiente começa apenas com 0,8 mol/L de PCl₅. Calcule a concentração no equilíbrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,8 mol/LKc = 0,2
[PCl5] = mol/L
7.Balanço de massaMédia
MisturadorCorrente 1450 kg/h · 40% açúcarCorrente 2ṁ₂ = ? · 20% açúcarProduto35% açúcar

Quanto da corrente 2 deve ser adicionado por hora à corrente 1 para que o produto da mistura contenha 35% de açúcar? Encontre ṁ2.

ṁ1 = 450 kg/hx1 = 40 %x2 = 20 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
8.Balanço de massaDifícil
EvaporadorAlimentação F1900 kg/h · 8% salProduto PP = ? · 40%Vapor W (água pura)0% sal

Um evaporador concentra uma solução de sal evaporando água pura. Encontre a vazão de produto P em kg/h.

F = 1900 kg/hxF = 8 %xP = 40 %
P = kg/h

3Soluções

1.Cinética química

Resposta: CA = 0,05882 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 = 1 + 0,8·20 = 17 L/mol
CA = 1/17 = 0,05882 mol/L

Resposta

CA = 0,05882 mol/L
2.Cinética química

Resposta: X = 37,45 %

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).

Constante de velocidade na nova temperatura

T1 = 303,1 K, T2 = 313,1 K
k2 = 0,005·e−(90000/8,314)·(1/313,1 − 1/303,1) = 0,01564 min⁻¹

Conversão

X = 1 − e−0,01564·30 = 1 − 0,6255 = 37,45 %

Resposta

X = 37,45 %
3.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: V = 948,6 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 = ln(1/(1 − 0,85))/0,05 = 1,897/0,05 = 37,94 min

Volume

V = Q·τ = 25·37,94 = 948,6 L

Resposta

V = 948,6 L
4.Dimensionamento de reatores (CSTR e PFR)

Resposta: X = 75,76 %

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 = 500/40 = 12,5 min, kτ = 0,25·12,5 = 3,125

Conversão

X = kτ/(1 + kτ) = 3,125/(1 + 3,125) = 75,76%

Resposta

X = 75,76%
5.Equilíbrio químico

Resposta: [H2] = 0,1143 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

25 = (2x)²/(0,4 − x)²

Tire a raiz quadrada

5 = 2x/(0,4 − x) → x = 0,4·5/(2 + 5) = 0,2857 mol/L

Concentração no equilíbrio

[H₂] = 0,4 − x = 0,1143 mol/L

Resposta

[H2] = 0,1143 mol/L
6.Equilíbrio químico

Resposta: [PCl5] = 0,4877 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

0,2 = x²/(0,8 − x) → x² + 0,2·x − 0,16 = 0

Resolva a equação do segundo grau

x = (−0,2 + √(0,2² + 4·0,16))/2 = 0,3123 mol/L

Concentração no equilíbrio

[PCl₅] = 0,8 − 0,3123 = 0,4877 mol/L

Resposta

[PCl5] = 0,4877 mol/L
7.Balanço de massa

Resposta: ṁ2 = 150 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) = 450·(40 − 35)/(35 − 20) = 150 kg/h

Resposta

ṁ2 = 150 kg/h
8.Balanço de massa

Resposta: P = 380 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 = 1900·8/40 = 380 kg/h

Resposta

P = 380 kg/h

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