Cinética Química e Cálculo de Reatores - Fundamentos e Aplicações

Cinética e cálculo de reatores Capítulo 1 Cinética Química Profa Aline Dettmer 1 Definição A cinética é o estudo das taxas e mecanismos das reações químicas A taxa de uma reação química é a medida da rapidez com que se formam os produtos ou se consomem os reagentes 2 Aplicação Reações indesejáveis corrosão deterioração de alimentos Reações desejáveis permite obtenção de um produto útil 3 Tópicos de estudo Mecanismo da reação Coleta e análise de dados experimentais Projeto de reatores Condições operacionais 4 Termos comuns em cinética 41 Mecanismo da reação etapas para a formação dos produtos em nível macromolecular A P A B P 42 Molecularidade número de moléculas envolvidas em uma etapa da reação Podem ser uni bi e raramente trimoleculares Unimolecular CH3CH2CHCH2 CH3CHCH3 Bimolecular H2 I2 2HI Trimolecular H H M H2 M 43 Reações homogêneas ocorrem em uma única fase Ex queima de gases reações catalíticas na fase líquida 44 Reações heterogêneas ocorrem em no mínimo duas fases Ex queima de sólidos carvão decapagem de metais etc 45 Reações elementares ocorrem conforme sua estequiometria 46 Reações simples representadas por uma equação A B R 47 Reações múltiplas representadas por mais de uma equação Série A R P S R Paralelo Competitivas A Laterais A R B S Não ocorrem separadamente 48 Reações irreversíveis e reversíveis Reagente limitante 2A B R Alimentação CA0 1 moll CB0 3 moll O reagente A será o limitante 2 mols de A reagem com 1 mol de B ou 1 mol de A reage com 05 de B Logo sobram 25 mols de B Invertendo a alimentação CA0 3 moll CB0 1 moll O limitante será B 1 mol de B reagirá com 2 de A Sobrará 1 mol de A O reagente limitante é aquele que limita a quantidade de produto que pode ser formada Reações irreversíveis reações que atingem o equilíbrio com altas conversões de reagente limitante praticamente quando este termina A B R Reações reversíveis reações que chegam ao equilíbrio por questões termodinâmicas com quantidades consideráveis de reagente limitante A R Alimentação CA0 3 moll CB0 2 moll 48 Tempo de meiavida t12 é o tempo em que o reagente atinge a metade de sua concentração inicial A B R A B R Início 3 2 0 Consumo 1 1 1 Final 2 1 1 B é o limitante CBt12 metade de CB0 1 5 Taxa de reação A taxa da reação é a medida da rapidez com que se formam os produtos ou consomem os reagentes Definição 𝑟𝐴 1 𝑉 𝑑𝑁𝐴 𝑑𝑡 𝑚𝑜𝑙𝑠 𝐴 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜𝑠𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜𝑠 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜 Consumo rA 0 produtos rA 0 reagentes A velocidade é medida em relação ao reagente limitante A As velocidades para os diversos reagentesprodutos pode ser relacionada pela estequiometria 𝑎𝐴 𝑏𝐵 𝑟𝑅 𝑟𝐴 𝑎 𝑟𝐵 𝑏 𝑟𝑅 𝑟 𝑟𝐴 𝑑𝐶𝐴 𝑑𝑡 É válida para o caso especial de um reator descontínuo batelada a volume constante 𝑟𝐴 𝑑𝐶𝐴 𝑑𝑡 rA é função da T P CA etc As equações da taxa de reação também podem ser escritas em função de outras formas 𝑃𝐴𝑉 𝑛𝐴𝑅𝑇 𝑃𝐴 𝐶𝐴𝑅𝑇 𝑑𝐶𝐴 𝑑𝑡 1 𝑅𝑇 𝑑𝑃𝐴 𝑑𝑡 𝑟𝐴 1 𝑉 𝑑𝑁𝐴 𝑑𝑡 𝑑𝑁𝐴 𝑑𝑡 𝑉 𝑑𝐶𝐴 𝑑𝑡 V𝐶𝐴 𝑁𝐴 𝑟𝐴 𝑑𝐶𝐴 𝑑𝑡 𝑟𝐴 𝑑𝑃𝐴 𝑑𝑡 1 𝑅𝑇 6 Equação da taxa de reação Como visto anteriormente em geral a velocidade da reação depende principalmente da concentração e da temperatura 𝑎𝐴 𝑏𝐵 𝑟𝑅 𝑟𝐴 𝑘𝐶𝐴 𝑎𝐶𝐵𝑏 Onde k velocidade específica da reação É dependente da temperatura a qual pode ser escrita pela Lei de Arrhenius 𝑘 𝑘0𝑒𝐸𝑎 𝑅𝑇 A dependência da concentração pode ser escrita como um produto das concentração dos reagentes k0 fator de frequência Ea energia de ativação kJmol R constante dos gases ideais 8314 JmolK 1987 calmolK T temperatura em K 𝑟𝐴 𝑓𝑇 𝐶 Unidades de k concentração1ntempo1 n ordem da reação Relacionando 2 Temperaturas e 2 Constantes k 𝑘1 𝑘0𝑒 𝐸𝑎 𝑅𝑇1 Lei de Arrhenius 𝑙𝑛𝑘1 𝑙𝑛𝑘0 𝐸𝑎 𝑅 1 𝑇1 1 2 𝑙𝑛𝑘2 𝑙𝑛𝑘0 𝐸𝑎 𝑅 1 𝑇2 Fazendo 12 ln 𝑘1 𝑘2 𝐸𝑎 𝑅 1 𝑇1 1 𝑇2 7 Ordem da reação A velocidade global da reação é governada pela etapa mais lenta e a ordem da reação é um número real utilizado para o ajuste dos dados experimentais Reações elementares os expoentes das concentrações coincidem com os coeficientes estequiométricos da reação 𝑎𝐴 𝑏𝐵 𝑟𝑅 𝑟𝐴 𝑘𝐶𝐴 𝑎𝐶𝐵𝑏 𝑟𝐴 𝑘1𝐶𝐴 𝑎𝐶𝐵𝑏 𝑘2𝐶𝑅 𝑟𝐶𝐵s 𝑎𝐴 𝑏𝐵 𝑘1 𝑟𝑅 𝑠𝑆 k2 Reações não elementares 𝐻2 𝐵𝑟2 𝑘1 2𝐻𝐵𝑟 k2 𝑟𝐴 𝑘1𝐶𝐻2𝐶𝐵𝑟2 𝑘2 𝐶𝐻𝐵𝑟 𝐶𝐵𝑟2 8 Energia de ativação Ea É a energia mínima requerida para que ocorra a reação H produtos H reagentes H produtos H reagentes 9 Efeito do catalisador Diminui a Ea sem ser consumido Não altera o valor de ΔH Não desloca o equilíbrio