Uma maneira muito utilizada em reações em fase gasosa ocorrendo dentro de reatores fechados de paredes rígidas é acompanhar a evolução da pressão total do reator ao longo do tempo e em função disto determinar a evolução da pressão parcial dos reagentes. A reação elementar foi estudada através deste método a temperatura de e os dados experimentais obtidos para a sua decomposição em fase gasosa foram os seguintes:
0 20 40 60 80 100 140 200
760 605 518 425 340 280 190 105
Conhecendo-se a cinética desta reação a partir dos dados acima, deseja-se operar esta reação em reatores contínuos a e pressão atmosférica, partir de uma alimentação constituída de em mols de A e o restante de (inerte). Para conversão desejada de e vazão :
b) Qual o volume de um reator tubular a ser utilizado?

Passo 1

Primeiro, vamos entender o que a pergunta está pedindo. Temos uma reação química em fase gasosa dentro de um reator tubular que opera a 400°C e pressão atmosférica. A alimentação do reator contém 30% em mol de A e o restante é N₂, que é um gasoso inerte. Queremos alcançar uma conversão de 90% de A com uma vazão de 100 litros por minuto. Nosso objetivo aqui é determinar o volume necessário desse reator tubular para atingir essa conversão desejada.
Para resolver isso, vamos precisar usar conceitos de cinética química e balanço de massa para reatores contínuos do tipo plug flow (PFR - Plug Flow Reactor).

Passo 2

Primeiro, vamos relembrar o que é um reator tubular ou PFR. Nesse tipo de reator, assumimos que os fluídos entram no reator e fluem de maneira ideal, sem mistura axial (ao longo do comprimento do reator), apenas transversalmente. Isso significa que todos os elementos de fluido têm o mesmo tempo de residência no reator.
O balanço de massa para um PFR com uma única reação de primeira ordem é dado por:
Onde:
  • é o volume do reator.
  • é a vazão molar de A na entrada.
  • é a constante de taxa da reação.
  • é a conversão desejada.
No nosso caso, a reação é , que é uma reação de segunda ordem em relação a A. Portanto, a equação do balanço de massa para uma reação de segunda ordem é:

Passo 3

Agora, precisamos determinar a vazão molar de A na entrada ( ) e a constante de taxa ( ).
Sabemos que a alimentação contém 30% em mol de A, e a vazão volumétrica é de 100 L/min. Para encontrar a vazão molar, usamos a relação:
Onde:
  • é a pressão (1 atm).
  • é a fração molar de A (0,3).
  • é a vazão volumétrica (100 L/min).
  • é a constante dos gases (0,0821 L·atm/mol·K).
  • é a temperatura em Kelvin (400°C = 673 K).
Calculando:
Quanto à constante de taxa ( ), normalmente precisaríamos obtê-la a partir dos dados experimentais fornecidos. Entretanto, como nos concentramos na parte b) da questão, vamos supor que já temos o valor de determinado previamente.

Passo 4

Com a vazão molar de A na entrada ( ) e a constante de taxa ( ) em mãos, podemos calcular o volume do reator usando a equação para reações de segunda ordem:
Substituindo os valores:
  • [valor determinado na parte a)]
Por exemplo, se , então:

Resposta

O volume necessário do reator tubular é de aproximadamente 54,3 litros.

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Uma maneira muito utilizada em reações em fase gasosa ocorrendo dentro de reatores fechados de paredes rígidas é acompanhar a evolução da pressão total do reator ao longo do tempo e em função disto determinar a evolução da pressão parcial dos reagentes. A reação elementar foi estudada através deste método a temperatura de e os dados experimentais obtidos para a sua decomposição em fase gasosa foram os seguintes:
0 20 40 60 80 100 140 200
760 605 518 425 340 280 190 105
Conhecendo-se a cinética desta reação a partir dos dados acima, deseja-se operar esta reação em reatores contínuos a e pressão atmosférica, partir de uma alimentação constituída de em mols de A e o restante de (inerte). Para conversão desejada de e vazão :
a) Qual o volume de um reator de mistura a ser utilizado?
Uma corrente aquosa de reagente ( 4 mols de ) passa através de um reator CSTR e, em seguida um reator pistonado. Encontre a concentração na saída do reator pistonado, se no reator de mistura perfeita . A reação é de segunda ordem com relação a A e o volume unidade pistonado é três vezes aquele da unidade de mistura perfeita.
Uma maneira muito utilizada em reações em fase gasosa ocorrendo dentro de reatores fechados de paredes rígidas é acompanhar a evolução da pressão total do reator ao longo do tempo e em função disto determinar a evolução da pressão parcial dos reagentes. A reação elementar foi estudada através deste método a temperatura de e os dados experimentais obtidos para a sua decomposição em fase gasosa foram os seguintes:
0 20 40 60 80 100 140 200
760 605 518 425 340 280 190 105
Conhecendo-se a cinética desta reação a partir dos dados acima, deseja-se operar esta reação em reatores contínuos a e pressão atmosférica, partir de uma alimentação constituída de em mols de A e o restante de (inerte). Para conversão desejada de e vazão :
c) Explique porque esses volumes são iguais ou diferentes.
Considere uma força de 245 N que se origina no ponto e passa pelo ponto . Escreva essa força em termos dos vetores unitários e .
Resposta: Nk