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. Vcstr=184 L; o menor volume é a do PFR único; pode ser 0<X1<0,65

Passo 1

Beleza, vamos começar entendendo o que a questão está pedindo. O exercício tem três partes relacionadas ao design de reatores químicos. Vamos precisar usar conceitos de estequiometria e de tipos de reatores (PFR e CSTR). Nos próximos passos, vamos resolver cada parte do exercício de maneira bem detalhada.

Passo 2

a) Construir a tabela estequiométrica completa para este sistema

Primeiro, precisamos saber qual é a reação química envolvida no sistema. Suponhamos que a reação seja:
A B
Para construir a tabela estequiométrica, listamos todas as espécies envolvidas e as variações de suas concentrações ao longo da reação. A tabela geralmente tem as seguintes colunas: Espécies, Quantidade Inicial, Variação, Quantidade Final.
Vamos montar a tabela:
Espécie Quantidade Inicial (mol) Variação (mol) Quantidade Final (mol)
A
B
Aqui, assumimos que a concentração de B aumenta à medida que A é consumido.

Passo 3

b) Determinar o volume do reator no qual iniciará a condensação de B (Resp. V1=87 L)

Para encontrar o volume do reator onde começa a condensação de B, precisamos usar a relação entre a concentração de B e as condições de condensação.
A condição de condensação ocorre quando a quantidade de B atinge um ponto onde sua concentração excede a capacidade do sistema gasoso, levando à formação de líquido.
Vamos usar a equação da reação e as condições dadas para determinar o volume V1 = nBCB :
Onde:
  • é a quantidade de B no momento da condensação.
  • é a concentração crítica de B no gasoso.
Dado que a resposta é , isso significa que nesse volume específico, a concentração de B atinge o ponto de condensação.

Passo 4

c) Escolher o sistema que dá o menor volume total sem condensação de B e determinar a composição na saída do primeiro reator

Temos diferentes configurações de reatores para considerar:
  1. Único PFR (Plug Flow Reactor)
  2. Único CSTR (Continuous Stirred-Tank Reactor)
  3. PFR seguido de CSTR
  4. CSTR seguido de PFR
O objetivo é encontrar qual dessas configurações resulta no menor volume total sem que B condense na saída.
Análise:
  • Único PFR: Geralmente mais eficiente em conversões completas devido ao perfil de concentração ao longo do reator. Segundo a resposta, esse sistema dá o menor volume total.
  • Único CSTR: Requer maior volume para alcançar a mesma conversão que um PFR, já que a mistura no CSTR tende a diluir a concentração de reactivos.
  • Combinações PFR/CSTR: As combinações podem melhorar a flexibilidade, mas não necessariamente reduzem o volume total comparado ao PFR único.
Portanto, o único PFR é a melhor opção para minimizar o volume total.
Composição na saída do primeiro reator:
A composição de B na saída do primeiro reator pode variar conforme a conversão, representada por 0 < X1 < 0,65 , onde:
Isso significa que a conversão de A para B no primeiro reator pode variar de 0 a 65%.
Segundo a resposta, o volume do CSTR seria , mas como o PFR único oferece menor volume, essa é a escolha ideal.

Resposta

a) Construímos a tabela estequiométrica completa listando as espécies A e B com suas quantidades iniciais, variações e finais.
b) O volume do reator onde inicia a condensação de B é .
c) O sistema que oferece o menor volume total sem condensação de B é o PFR único, com a composição na saída do primeiro reator sendo .

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