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Enunciado

FenTrans, MecFlu, TransCal e TransMassa - Incropera - Fundamentos de Transferência de Calor e Massa- Ed: 7º - Capítulo 14.Problemas - Ex. 32

Um reator catalítico de platina em um carro é usado para converter monóxido de carbono em dióxido de carbono em uma reação de oxidação com a forma 2 C O   +   O 2   →   2 C O 2 . A transferência de espécies entre a superfície catalítica e os gases de exaustão pode ser suposta ocorrer por difusão em um filme de espessura L   =   10   m m . Considere um gás de exaustão que tem uma pressão de 1,2   b a r , uma temperatura de 500 ° C e uma fração molar de C O de 0,0012 . Sendo a constante da taxa de reação do catalisador de k " 1 =   0,005   m / s e o coeficiente de difusão do C O na mistura de 10 - 4   m 2 / s , qual é a concentração molar do C O na superfície do catalisador? Qual é a taxa de remoção de C O por unidade de área do catalisador? Qual é a taxa de remoção se for ajustada para tornar o processo limitado pela difusão?

Passo 1

Nessa questão nós temos pressão, temperatura e fração molar de CO no escapamento automático. Além do, coeficiente de difusão do CO na mistura gasosa e o coeficiente de espessura de filme e taxa de reação para superfície catalítica.

A partir dessas informações vamos encontrar a fração molar de C O na superfície catalítica, a taxa de remoção de C O e o efeito do coeficiente da taxa de reação na taxa de remoção.

Passo 2

Para resolver essa questão vamos assumir:

(1) Estado estacionário;

(2) Difusão unidimensional de espécies no filme;

(3) Efeito desprezível da advecção no filme (meio estacionário);

(4) Concentração molar total constante e coeficiente de difusão no filme.

A concentração molar de superfície é,

x A 0 = x A , L 1 + L k " 1 D A B = 0,0012 1 + 0,01 m × 0,005 m s 10 - 4 m 2 s = 0,0008

Passo 3

Com,

  C   = p R T =   1,2 b a r 8,314   ×   10 - 2 m 3 ⋅ b a r k m o l ⋅ K   ×   773   K   =   0,0187   k m o l / m 3

Temos um fluxo molar de C O e, portanto, uma taxa de remoção de C O de,

N " A , s = - N " A 0 = k " 1 C x A , L 1 + L k " 1 D A B

Substituindo os valores,

N " A , s = 0,005 m s × 0,0187   k m o l / m 3 × 0,0012 1 + 0,01 m × 0,005 m s 10 - 4 m 2 s = 7,48 × 10 - 8 k m o l s . m 2

Se o processo é limitado por difusão, L k " 1 D A B ≫ 1 ,

N " A , s = C D A B x A , L L = 0,0187 k m o l m 3 × 10 - 4 m 2 s × 0,0012 0,01 m = 2,24 × 10 - 7 k m o l s . m 2

Resposta

x A 0 = 0,0008

N " A , s = 7,48 × 10 - 8 k m o l s . m 2

Se o processo é limitado por difusão, L k " 1 D A B ≫ 1 ,

N " A , s = 2,24 × 10 - 7 k m o l s . m 2

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