Analise de Seletividade em Reatores PFR e CSTR - Quimica

Avaliação 2 2023 Questão 1 Análise da seletividade A B 1 P A 2B 2 S rp k1 CB rs k2 CA CB2 SpS rp rs SpS k1 CB k2 CA CB2 SpS k1 k2 CA CB Assim para maximizar a produção de P CA e CB a Para o PFR Cálculo do rendimento ØpA Fp FAO FA ØpA 327 85 922 ØpA 00432 b Cálculo da conversão XA FAO FA FAO XA 85 922 85 XA 08915 c Cálculo da seletividade SpS Fp Fs SpS 327 7351 SpS 00451 d O PFR não é o reator mais indicado para maximizar a produção de P Pela análise da se letividade instantânea as concentrações dos reagentes CA CB devem ser mantidas baixas durante a reação e para se obter concentrações baixas o reator mais indicado é o CSTR e com CA e CB deve ser adotado um único CSTR para se obter a máxima produção de P e Para se obter a seletividade no CSTR de 15 m³ devese resolver o BNM para cada espécie química presente no sistema reacional Como para CSTR Fbo Fi riV Temse que FAO FA rAV FBO FB rBV Fp rp V Fs rs V Para a reação 1 A B P rA rB rp1 k1 CA CB Para a reação 2 A 2B S rA2 rB2 rs2 k2 CA CB2 Para o reagente A rA rA1 rA2 k1 CA k2 CA CB2 Para o reagente B rB rB1 rB2 k1 CB 2 k2 CA CB2 Para o reagente P rp k1 CB Para o reagente S rs k2 CA CB2 Substituindo no modelo FAO FA k1 CB k2 CA CB2 V FBO FB k1 CB 2 k2 CA CB2 V Fp k1 CB V Fs k2 CA CB2 V Como para reações em fase líquida Ci Fi temse que FAO FA k1 FB v0 k2 FA FB2 v0³ V 1 FBO FB k1 FB v0 2 k2 FA FB2 v0³ V 2 Fp k1 FB v0 V 3 e Fs k2 FA FB2 v0³ V 4 Como a conversão é conhecida XA 08915 sabese que FA F A0 1XA e as condições iniciais são as mesmas do PFR então FA0 85 molh temse que FA 85 108915 FA 922 mol Contendo FA pela EQUAÇÃO 2 é possível obter FB FBO FB k1FB 2k2FA FB2vo3 2k2FAvo3 FB2 1 k1vvo FB FBO 0 a b Portoado resolvido por Bháscara o valor de FB será obtido a 2 k2 v FA 2 x 274 x 15 x 922 633 b 1 k1vvo 1 131 x 15 23 799 c 125 Assim 633 FB2 799 FB 125 0 FB 0914 molh Pela EQUAÇÃO 3 é possível obter Fp Fp k1 FB v vo 131 x 0914 x 15 23 Fp 731 molh E pela EQUAÇÃO 4 obtémse FS FS k2 v FA FB3 vo3 v FS 374 x 922 x 0914 233 15 FS 173 molh Portanto a seletividade de P para o CSTR é SpS Fp FS SpS 731 173 SpS 4160 Questão 2 nbutano isobutano CSTR isotérmico T 550 K XA mas condição de equilíbrio XA XA EQ Tmax 650 K a Como o reator opera nas condições de equilíbrio a conversão pode ser obtida pelo gráfico enviado portanto para a temperatura de 550 K a XA eq 053 Assum a conversão na saída do reator é de 53 A produção do isobutano pode ser obtida por Fp FA0 10p XA ou Fp FA0 XA O valor do FA0 pode ser obtido pela informa ção do item b ou seja mão 1218 th como MMButano 58 kgkmol FA0 1218000 58 FA0 21000 kmolh Assim temse que Fp 21000 x 053 Fp 11130 kmolh b Para obter o volume do reator usase a equação de projeto VFA0 XA rA Lo a taxa da reação a 550 K e 053 da conversão é obtida pelo gráfico rA 384 x 103 kmolm3h Substituindo os valores na equação de projeto V 21000 x 053 384 x 103 V 29 m3 c Para calcular a carga térmica para um CSTR isotérmico podese usar a equação Q FA0 V ΔH ΔĠp TTR xa ΔH 6900 kJ Δcp cpiso cpRn 145 141 Δcp 4 kJkmolK Assim Q 2100029 6900 4 550 298 053 Q 429 107 kJhm3 que em Watts é Q 344 104 kW a Para aumentar a conversão devese associar o 2º Reator em série e o mesmo deve ser operado a 400 K para se obter 65 de conversão Como a reação é endotérmica e reversível o que pode ser ilustrado pelo gráfico fornecido o aumento da T no 2º Reator irá diminuir a conversão e a manutenção da temperatura de 550 K não irá aumentar a conversão pois o reator já está operando em condição de equilíbrio Desta forma a associação do 2º reator deve ser conforme o esquema abaixo Obs os reatores não possuem o mesmo volume e O volume do 2º reator é calculado por V2FA0 XA XAi rA Considerando que FA1 FA0 e obtendo rA pelo gráfico a 440 K e 065 ou seja rA 8 101 kmolm3h Assim V2 21000 065 053 8 101 Portanto V2 315 m3 f Para estimar o aumento da produção é necessário utilizar o gráfico de Levenspiel Considerando somente V2 e V3 para a análise temse que Situação 1 N 1 V2 XA 065 vo1 FA0CA0 2100093 vo1 2258 m³h pelo gráfico 1 XA 035 Da 2 Situação 2 N 2 V3 V2 XA 065 vo2 pelo gráfico Da 15 Relacionando Da1Da2 215 133 Como Da k to k01k02 133 como os reatores operam a 400 K Da1Da2 133 δ Vvo Assim vo1vo2 133 na situação 1 V1 V2 na situação 2 V2 V3 2V2 vo22vo1 133 vo2 267 vo1 como na situação 1 vo1 2258 m³h temos que v a associação do 3º reator em série é possível obter FP pois Ci Fivo ou seja FP Cpvo Cp CA0 1 XA CA0XA Cp 93 065 Cp 6045 kmolm³ e portanto FP 604560215 FP 36400 kmolh