Um reator tubular ideal será usado para realizar as seguintes reações irreversíveis em fase gasosa. O reator opera a 1,05 atm e temperatura de 473 K .
  1. 2 A B+2 C(k1 A=2,35 L / Kgcat. h )
  2. 3 A 3 D+E(k2 E=1,5 L / Kgcat. h ).
    A alimentação contem 60 % de A e o restante de inerte. A vazão volumétrica de entrada é de 400 L / h. Deseja-se uma conversão global de A no reator tubular de 55%. Calcule a massa de catalisador necessária e as concentrações de B e E na saída desse reator. O efluente desse primeiro reator irá alimentar um reator de mistura ideal, que opera em série, nas mesmas condições de temperatura e pressão. Se a conversão global de A desejada na saída do reator de mistura é de 80 %, calcule a massa de catalisador e as concentrações de B e E na saída do reator de mistura.

Passo 1

Ok, vamos lá! Temos um exercício que envolve engenharia química, especificamente o design de reatores químicos. Precisamos calcular a massa de catalisador necessária e as concentrações dos produtos na saída de dois tipos de reatores: um reator tubular ideal e um reator de mistura ideal (CSTR) operando nas mesmas condições. Para resolver isso, vamos precisar entender conceitos como conversão global, taxas de reação, balanceamento de massa e equações de projeto de reatores. Vamos passo a passo!

Passo 2

Primeiro, vamos entender os dados fornecidos:
  • Reações:
    1. com taxa de
    2. com taxa de
  • Condições do reator:
    • Pressão:
    • Temperatura:
  • Alimentação:
    • Vazão volumétrica:
    • Composição: de A e de inerte
  • Conversões desejadas:
    • Reator tubular: de A
    • Reator de mistura: de A (após o reator tubular)
Vamos começar calculando a massa de catalisador necessária para o reator tubular.

Passo 3

Primeiro, precisamos determinar a taxa de reação efetiva para a reação que controla a conversão de A. Temos duas reações, então devemos considerar o efeito de ambas sobre a conversão de A.
A conversão global de A ( 1kefetiva = 1k1 A + 1k2 E ) está relacionada às conversões individuais das reações. Mas, para simplificar, vamos assumir que uma das reações é a predominante ou usar uma abordagem que leve em conta ambas as reações.
Vamos calcular a taxa efetiva usando as taxas dadas:
1kefetiva = 12,35 + 11,5
Calculando:
1kefetiva approx 0,4255 + 0,6667 = 1,0922
kefetiva approx 0,916 , L/(Kgcat cdot h)

Passo 4

Agora, vamos usar a equação de projeto para reatores tubulares (reator contínuo em estado estacionário, plug flow reactor - PFR):
dXdW = kefetiva COA1 + X
Onde:
  • W = kefetiva V FA0FA0 (1 - X) é a conversão de A
  • é a massa de catalisador
  • é a concentração de A no fluxo
Mas para simplificar, podemos usar uma forma integrada, considerando uma conversão global e assumindo condições ideais.
A massa de catalisador pode ser estimada usando:
No entanto, precisamos primeiro encontrar a concentração de A na entrada e na saída.

Passo 5

Vamos calcular a concentração de A na alimentação. Sabemos que a vazão volumétrica é PV = nRT e que nA = P VR T = 1,05 times 400 times 0,60,0821 times 473 é A.
Primeiro, calculamos o número de moles de A na alimentação:
Temperatura ( nA approx 25238,83 approx 6,49 , mol/h ) =
Pressão ( ) =
Usamos a equação dos gases ideais para achar a concentração molar:
Onde
Calculando a concentração de A:

Passo 6

Agora, com a conversão nA convertido = X times nA0 = 0,55 times 6,49 approx 3,57 , mol/h , a quantidade de A convertida é:
W = FA0 Xkefetiva
A taxa de consumo de A é então FA0 = 6,49 , mol/h . Para reatores contínuos, usamos a relação:
W = 6,49 times 0,550,916 approx 3,570,916 approx 3,89 , Kgcat
Onde é a taxa de fluxo molar de A na entrada.
Então:

Passo 7

Agora, vamos calcular as concentrações de B e E na saída do reator tubular.
Para a reação nB = nA convertido2 = 3,572 approx 1,785 , mol/h :
A cada 2 moles de A consumidos, 1 mol de B é formado.
Então, a quantidade de B formada é:
nE = nA convertido3 = 3,573 approx 1,19 , mol/h
Para a reação CB = nBV = 1,785400 approx 0,00446 , mol/L :
A cada 3 moles de A consumidos, 1 mol de E é formado.
CE = nEV = 1,19400 approx 0,00298 , mol/L
Agora, para achar as concentrações, usamos a vazão volumétrica de saída, que é aproximadamente igual à de entrada ( ), já que a conversão não altera significativamente o volume.
Então:

Resposta

A massa de catalisador necessária para o reator tubular é aproximadamente 3,89 Kgcat, e as concentrações de B e E na saída são 0,00446 mol/L e 0,00298 mol/L, respectivamente.

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