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:
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0 | 20 | 40 | 60 | 80 | 100 | 140 | 200 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
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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.
c) Explique porque esses volumes são iguais ou diferentes.
Passo 1
Vamos resumir o que a questão está pedindo. Temos uma reação gasosa
estudada a
com dados de pressão parcial de A ao longo do tempo. Queremos operar essa reação em reatores contínuos a pressão atmosférica, com uma alimentação de 30% de A e 70% de
. A conversão desejada é de 90% e a vazão é de 100 L/min. A parte © da questão pede para explicar por que os volumes dos reatores são iguais ou diferentes. Para isso, vamos precisar entender os tipos de reatores contínuos e como calcular seus volumes com base na cinética da reação.
Passo 2
Primeiro, precisamos identificar os tipos de reatores contínuos mais comuns: o Reator de Perturbição Contínua (CSTR) e o Reator de Fluxo em Tubo (PFR). Cada um desses reatores tem características distintas que afetam o volume necessário para alcançar uma determinada conversão.
Passo 3
No CSTR, a mistura é completa e homogênea. A concentração dos reagentes é a mesma em todo o reator. A equação de balanço de massa para um CSTR é dada por:
onde:
-
é o volume do reator, -
é a vazão molar inicial de A, -
é a conversão desejada, -
é a taxa de reação.
Passo 4
Já no PFR, a reação ocorre ao longo do comprimento do reator, e as condições mudam de forma contínua ao longo do fluxo. A taxa de reação varia ao longo do reator, e a equação de balanço de massa integrada para um PFR é:
Neste caso, o volume total depende da variação da taxa de reação com a conversão.
Passo 5
Devido a essas diferenças fundamentais, o volume necessário para um PFR geralmente é menor que o de um CSTR para a mesma conversão e condições de operação. Isso ocorre porque, no PFR, a conversão ocorre de forma mais eficiente ao longo do fluxo, aproveitando melhor a taxa de reação variável.
Passo 6
Além disso, no CSTR, todo o material passa pelo reator com a mesma concentração média, o que pode resultar em necessidade de maior volume para alcançar a mesma conversão que o PFR, onde partes do fluxo já estão mais convertidas conforme avançam no reator.
Resposta
Os volumes dos reatores contínuos são diferentes porque o PFR, com reação ocorrendo ao longo do fluxo, geralmente requer um menor volume comparado ao CSTR, que mistura completamente o conteúdo e precisa de um volume maior para alcançar a mesma conversão. Essa diferença se deve à eficiência na utilização da taxa de reação em cada tipo de reator.