Considere um reator PFR no qual ocorre a reação . A reação ocorre isotermicamente a 300 K e pressão total constante de 101 kPa , sendo a vazão volumétrica inicial de . A partir de um determinado ponto do reator ocorre a condensação do produto B. A pressão de vapor do produto B é 80 kPa e a constante de velocidade de reação é igual a . Responda:
a) Construa a tabela estequiométrica completa para este sistema;
b) Qual o volume do reator no qual iniciará a condensação de B? Resp. V1=87 L
c) Se tivermos um CSTR disponível, qual dos sistemas (único PFR, único CSTR, PFR seguido de CSTR e CSTR seguido de PFR) nos dará menor volume total sem que ocorra condensação de B na sida do sistema? Qual será a composição na saída do primeiro reator? Considere as mesmas condições de alimentação usado na letra b. Resp. ; o menor volume é a do PFR único; pode ser

Passo 1

Beleza, vamos lá! Temos um exercício sobre reatores químicos, especificamente um Reator de Fluxo Contínuo (PFR). A reação que está rolando é . Isso significa que uma molécula de A se transforma em duas moléculas de B. A reação está acontecendo a uma temperatura constante de 300 K e pressão total de 101 kPa. A vazão volumétrica inicial é de . Além disso, depois de um certo ponto no reator, o produto B começa a condensar, com uma pressão de vapor de 80 kPa. A constante de velocidade da reação é . Vamos resolver as partes a), b) e c) desse exercício.

Passo 2

Parte a: Construir a tabela estequiométrica completa para o sistema.
Primeiro, vamos fazer uma tabela estequiométrica que nos ajuda a visualizar as transformações das espécies químicas durante a reação. A tabela geralmente tem as colunas: Substância, Estado Físico, Coeficiente Estequiométrico Inicial, Variação, e Final.
Para a reação :
Substância Estado Físico Inicial Variação Final
A Gás 1 -x 1 - x
B Gás/Líquido 0 +2x 2x
Explicação:
  • Inicial: Começamos com 1 mol de A e 0 mols de B.
  • Variação: A reação consome x mols de A (daí o -x) e produz 2x mols de B.
  • Final: A quantidade de A fica 1 - x mols e a de B é 2x mols.

Passo 3

Parte b: Determinar o volume do reator no qual iniciará a condensação de B.
Para encontrar o volume onde B começa a condensar, precisamos considerar a pressão de vapor de B e a condição de que, a partir desse volume, parte de B passará do estado gasoso para o líquido.
Passo 3.1: Entender a condição de condensação.
A condensação ocorre quando a pressão parcial do vapor de B atinge a pressão de vapor (80 kPa). Então, quando a pressão parcial de B for igual a 80 kPa, inicia a condensação.
Passo 3.2: Aplicar a Lei de Dalton.
A pressão total é constante (101 kPa), então a pressão parcial de B pode ser calculada pela relação:
Onde é a fração molar de B.
Passo 3.3: Encontrar a fração molar de B no ponto de condensação.
Igualando a pressão parcial de B à pressão de vapor:
Passo 3.4: Relacionar a fração molar com a conversão x.
Da tabela estequiométrica:
Igualando a 0,792:
Resolvendo para x:
Passo 3.5: Calcular o volume do reator (V1).
Usamos a equação de balanço de massa para um PFR:
Onde:
  • é a vazão molar inicial de A.
  • é a constante de velocidade.
  • é o coeficiente estequiométrico de B (2 no caso).
Assumindo condições ideais e usando a conversão x ≈ 0,655:
ã
Após a integração e cálculo, encontramos:

Passo 4

Parte c: Determinar qual sistema dará o menor volume total sem que ocorra condensação de B e a composição na saída do primeiro reator.
Temos algumas opções de sistemas:
  1. Único PFR
  2. Único CSTR
  3. PFR seguido de CSTR
  4. CSTR seguido de PFR
Passo 4.1: Analisar cada sistema em termos de eficiência de conversão e volume.
  • Único PFR: Geralmente mais eficiente para conversões altas com menor volume.
  • Único CSTR: Menos eficiente para altas conversões, requer maior volume.
  • Combinações (PFR+CSTR ou CSTR+PFR): Podem equilibrar eficiência e volume, mas ainda assim tendem a ser maiores que um PFR único.
Passo 4.2: Concluir que o PFR único é o mais eficiente em termos de volume.
Como queremos minimizar o volume total sem condensação de B, o PFR único é a melhor opção.
Passo 4.3: Determinar a composição na saída do primeiro reator (PFR único).
Sabemos que para evitar a condensação, a conversão deve ser menor que 0,655. Assim, a conversão na saída do PFR pode ser qualquer valor entre 0 e 0,65.
Portanto:
  • Menor volume: Único PFR
  • Composição na saída:

Resposta

a) A tabela estequiométrica completa está construída conforme descrito acima.
b) O volume do reator no qual iniciará a condensação de B é .
c) O sistema que nos dá o menor volume total sem que ocorra condensação de B é o único PFR. A composição na saída do primeiro reator pode ter uma conversão . O volume do CSTR necessário seria .

Exercícios relacionados

Considere a reação que acontece em fase gasosa e em dois reatores PFRs em série à temperatura e pressão constantes. A alimentação é equimolar e na saída do primeiro reator, a fração molar de C é igual a 0,18 e a pressão parcial de C é igual a sua pressão de vapor. A vazão molar de alimentação de cada espécie será 15,3 vezes a vazão de líquido produzida na saída do segundo reator. Os valores das conversões calculadas serão aproximados para apenas uma casa decimal.
X 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
0,193 0,170 0,165 0,129 0,122 0,094 0,087 0,071 0,072 0,042
Onde é dado em e se refere ao reagente limitante Determine:
a) A tabela estequiométrica completa considerando vazões molares e concentrações.
b) A conversão na qual se inicia a condensação. Resp.
c) A conversão de saída do segundo reator. Resp.
d) A razão entre os volumes do primeiro e segundo reatores (V1/V2). Resp. V1/V2=3,7
A reação é conduzida em um sistema de reatores no qual existem dois reatores CSTRs em paralelo de volumes iguais (V1 e V2), cuja vazão molar de alimentação de V2 é o tripulo da vazão de V1. As correntes que saem (efluentes) de V1 e V2 se unem formando uma única corrente que alimenta o reator PFR de volume V3 que é cinco vezes maior do que V1. Denominem a conversão de entrada no PFR de X3 e de saída de X 4 . A corrente que sai do reator V 1 possui uma conversão local de igual a (conversão calculada considerando-se a conversão de alimentação deste reator igual a zero). A reação ocorre em fase gasosa, à pressão e temperaturas constantes. Além disto, a alimentação é estequiométrica. A lei de velocidade de reação é de primeira ordem em relação a espécie A, que é a mesma ordem global. Calcule a conversão global X4 da corrente que sai do PFR de volume V3. Resp. X4=0,66
Considere a reação que acontece em dois reatores PFRs em série à temperatura e pressão ( 160 kPa ) constantes. A alimentação é equimolar de 20 , com concentração de A na alimentação de . O volume do segundo reator é maior do que o do primeiro reator. A velocidade de reação é de primeira ordem para a espécie A e sua constante é igual a . A condensação se inicia após a saída do primeiro reator. A pressão de vapor de C é 16 kPa . Determine:
a) A tabela estequiométrica completa considerando apenas as vazões molares.
b) A conversão na qual se inicia a condensação. Resp.
c) O volume do primeiro reator. Resp. V1=2,95 L
d) A conversão de saída do segundo reator. Resp.
e) A vazão molar de líquido na saída do segundo reator. Resp.
Dados:
  • Material = ferro fundido usado ;
  • Vazão
  • Peças especiais:
    1 entrada normal ;
    3 curvas de raio curto ;
    2 curvas de ;
    1 registro de gaveta aberto ;
    1 saída de tubulação ( ).