Lista de Exercicios - Projeto e Dimensionamento de Reatores Homogeneos

1 Universidade de Passo Fundo Curso de Engenharia Química CEQ 163 Reatores homogêneos Lista 42 Projeto de Reatores Dimensionamento de Reatores 1 Uma empresa fabrica um determinado produto utilizado como agente intermediário na fabricação de corantes azuis Sabese que esse produto recebe a codificação industrial de MXA e que o mesmo é obtido a partir de uma reação química irreversível de 1ª ordem em fase líquida reagente MXA com estequiometria de 11 São conhecidas as seguintes características industriais de sua fabricação 1 Utilizase um reator descontínuo de 4 m de diâmetro e 2 m de altura 2 O tempo entre o início da descarga do reator e o término do carregamento de uma carga do reator é de 12 min 3 O reagente utilizado é introduzido puro no reator e sua concentração é igual a 15 molL 4 A conversão obtida é de 68 de reagente em produto 5 A empresa opera 18 h continuamente em 3 turnos de 6 h cada 6 O reator opera isotermicamente a 90C e nesta temperatura a constante cinética é igual a 142104 s1 Com base no exposto determine a O tempo de reação e o tempo total de processo para cada batelada no reator para a conversão desejada na temperatura de trabalho b O número de cargas introduzidas diariamente no reator c A produção diária de MXA 2 A Indústria Química S A tem como um de seus produtos principais o 3vinilhexa15dieno que é processado em um tanque com agitação que funciona com cargas intermitentes regime descontínuo Você é convidado a analisar alguns parâmetros deste reator e as informações que você dispõe para a sua análise são as seguintes 1 A reação que ocorre no interior do reator é a isomerização monomolecular do hepta126trieno em 3vinilhexa15dieno ambos de fórmula química C7H10 2 Esta reação foi estudada em escala piloto e podese verificar que a sua cinética é de primeira ordem entre 170C e 220C 3 Experimentalmente determinouse que a constante de velocidade varia com a temperatura de acordo com a tabela a seguir T C 1722 1877 2026 2181 k s1 0997E4 301E4 780E4 204E4 4 O reator utilizado tem diâmetro de 2 metros e uma altura de 150 metros 5 O tempo entre o início da descarga de uma carga do reator e o término do carregamento de uma carga no reator é de 15 minutos 6 O reagente utilizado hepta126trieno é introduzido puro no reator e a sua concentração é igual a 2 molL A reação ocorre em fase líquida 7 O reator está operando atualmente na temperatura de 180C 8 A conversão a ser obtida é de 70 do reagente em produto 9 A empresa trabalha com 2 turnos de 8 horas continuamente Com base no exposto determine a A energia de ativação desta reação no intervalo de 170C a 220C b A equação de velocidade em função da temperatura no intervalo de 170C a 220C c O tempo da reação para a conversão desejada a 180C d O número de cargas que são introduzidas diariamente no reator a 180C e A produção em kgdia de 3vinilhexa15dieno 3 Calcule a capacidade e o tempo espacial para um reator CSTR para obter 99 de conversão para a reação A R com cinética de primeira ordem rA 0144 CA molLmin para uma alimentação contendo 1 molL de A a uma vazão de 5 Lmin 2 4 Calcule o volume e o tempo espacial para um PFR para realizar a mesma reação que o exercício anterior nas mesmas condições 5 Uma reação irreversível do tipo A P de primeira ordem com k 003 min1 ocorre em um reator CSTR de 500 L sendo alimentado a uma vazão de 160 Lmin Com base nisso calcule a o número de Damköhler para esse sistema Com base nesse resultado qual deve ser o valor da conversão b a conversão de A em P no processo em questão O resultado de acordo com o esperado c caso a vazão seja reduzida para 12 Lmin qual será o novo número de Damköhler e a nova conversão Esses resultados são coerentes d além da redução da vazão volumétrica indique outras possibilidades de aumentar a conversão do referido processo 6 Calcule a capacidade e o tempo espacial para um reator CSTR para obter 50 90 e 99 de conversão para a reação A R com cinética de primeira ordem rA 0144 CA molLmin para uma alimentação contendo 1 molL de A a uma vazão de 5 Lmin 7 A reação A 2R T ocorre isotermicamente em um reator experimental a pressão constante A reação é de primeira ordem e a alimentação é constituída de 40 molar de A Verificase neste reator que o volume aumenta 50 em 22 minutos Pedese a Qual a conversão obtida neste reator experimental batelada b Qual seria o volume de um reator tubular para tratar 5 m³h da alimentação acima e obter a mesma conversão do item a a volume constante c Qual seria o volume de reator de mistura para tratar 5m³h da alimentação acima para se obter a mesma conversão do item a a volume constante 8 Considere a seguinte reação homogênea em fase gasosa A B C D A reação é essencialmente irreversível e sua taxa em um reator batelada de volume constante é dada por 1 𝑉 𝑑𝑁𝐴 𝑑𝑡 𝑘𝐶𝐴𝐶𝐵 Na temperatura de interesse k 100 m3kmols Os componentes A e B estão disponíveis na alimentação nas concentrações de 20 molm3 cada 14 m3s desse fluido está sendo processado ao longo de um reator tubular isotérmico Se o reator é um PFR qual é o volume do tubo necessário para obter 80 de conversão de A Se o diâmetro do tubo é de 1¼ in qual é o comprimento do tubo Quantos tubos de 6 m cada seriam necessários Existe maneira de otimizar esse projeto 9 Uma reação em fase líquida 2A R S de 1ª ordem com k 00096 s1 foi conduzida em um reator CSTR Determine as dimensões de um reator CSTR para decompor 100 mol de Ah com uma conversão de 80 sendo que a altura deve ser o dobro do diâmetro CA0 326102 molL 10 Baciocchi et al estudaram a cloração do diclorotetrametilbenzeno em ácido acético a 30C A reação de interesse tem a seguinte estequiometria C6Me4Cl2 Cl2 HCl C6Me3CH2ClCl2 Sabendo que a reação é de 2ª ordem e que a constante cinética possui valor igual a 145104 m3molks determine o volume do reator PFR necessário para atingir 90 de conversão de cloro usando uma vazão volumétrica da alimentação de 015 m3ks e concentrações iniciais de cloro e de C6Me4Cl2 iguais a 192 molm3 e 347 molm3 respectivamente 3 11 USP Lorena Exame 2001 A reação A B 2R ocorre em fase líquida e sua equação de velocidade é a seguinte rA 0756CACB molLmin a 20C A reação ocorrerá em um reator de mistura e a conversão desejada é de 80 do reagente crítico A alimentação é introduzida no reator de mistura proveniente de 3 tanques de armazenagem conforme esquema abaixo As condições de operação de cada um dos tanques são apresentadas na tabela abaixo Tanque 1 Tanque 2 Tanque 3 CA molL 4 2 CB molL 2 4 υ Lmin 5 2 10 Com base no apresentado determine o volume do reator 12 Aproximadamente 6 bilhões de libras de etileno glicol EG foram produzidas em 2007 o que colocou este produto em vigésimo sexto lugar na classificação dos produtos mais produzidos naquele ano nos Estados Unidos com base na quantidade total produzida em libras Cerca de metade do etileno glicol produzido é utilizado como anticongelante enquanto a outra metade é utilizada na fabricação de poliésteres Na categoria poliéster 88 foram utilizados para fibras e 12 para a fabricação de garrafas e filmes O preço de venda do etileno glicol em 2000 foi de US 069 por libra Desejase produzir 200 milhões de libras por ano de etilenoglicol O reator deve ser operado isotermicamente Uma solução de 161 moldm3 de óxido de etileno em água é misturada a uma corrente de igual vazão volumétrica υA0 υB0 e alimentada a um reator A velocidade específica de reação é 0311 min1 Se o objetivo é alcançar 80 de conversão determine o volume do CSTR necessário Dica obtenha FA0 a partir da produtividade de etilenoglicol calcule FC em gmolmin e da relação estequiométrica 13 A reação homogênea em fase gasosa A 3R segue uma cinética de segunda ordem Para uma velocidade de alimentação de 4m3h de A puro a 5 atm e 350C um reator experimental que consiste num tubo de 25 cm de diâmetro por 2 m de comprimento permite 60 de conversão da alimentação Uma instalação industrial deverá tratar 320 m³h de alimentação com 50 de A 50 de inertes a 25 atm e 350C para obter 80 de conversão Quantos tubos iguais ao reator experimental deverá ter o reator industrial 14 Os dados experimentais da tabela a seguir foram obtidos para a decomposição em fase gasosa do reagente A num reator de volume constante e a 100C A estequiometria da reação é 2A R S Qual a capacidade de um reator tubular em litros que deve operar a 100C e 1 atm para decompor 100molh de A com uma alimentação composta por 20 de inertes e uma conversão de 95 em A t s pAatm 0 1 20 08 40 068 60 056 80 045 100 037 140 025 200 014 260 008 330 004 420 002 4 15 Dois pesquisadores estudaram a reação em fase gasosa M W em um reator tubular contínuo A reação foi realizada a 260C e a pressão de 2 atm A alimentação de 500 gh possuia 70 em peso de inertes e 30 em peso de M A cinética da reação é a seguinte rM 173 CM2 molLmin a 260C Para uma conversão de 80 do reagente desejase saber o volume do reator tubular DADOS Massa molar de M 60 gmol Massa molar do inerte 28 gmol 16 Uma reação reversível de primeira ordem A R rA 004 min1 CA 001min1 CR ocorre em um reator de 2 m3 A alimentação é composta somente por A puro na concentração de 100 mmolL com uma vazão de 100 Lmin Calcule a conversão no equilíbrio e a conversão real para essa reação empregando um reator a CSTR b PFR Dica use a relação 𝐾𝑒 𝑘1 𝑘2 𝐶𝑅 𝐶𝐴 para encontrar a conversão no equilíbrio 17 ENADE 2014 adaptada Óxido de etileno é um importante intermediário químico produzido pela reação em fase gasosa entre etileno e oxigênio catalisada por prata suportada em alumina conforme a equação química a seguir C2H4 A 05O2 B C2H4O C Assumindo que a reação é elementar e exotérmica faça o que se pede nos itens a seguir a Represente graficamente o diagrama de energia da reação com catalisador indicando os níveis energéticos inicial e final e o efeito da energia de ativação Nesse diagrama represente o comportamento esperado para essas variáveis no caso da reação ser conduzida na ausência de catalisador b escreva a equação da velocidade de formação de C para a reação que ocorre com excesso de B c escreva a equação da velocidade de formação de C para a reação que ocorre quando B está presente em proporção estequiométrica d Deduza a expressão para o cálculo do volume de um reator perfeitamente agitado CSTR para a condução dessa reação com excesso de B 18 Eng Processamento Jr Petrobrás 20142 O gráfico acima apresenta o comportamento de duas correntes de nbutano ao longo do volume de um reator PFR operando em fase líquida nas mesmas condições de alimentação porém com temperaturas de operação do reator distintas O reator processa a reação de isomerização do nbutano para formação do ibutano de 5 acordo com a reação nbutano ibutano r k Cnbut e onde r é a taxa de reação Cnbut é a concentração de nbutano e k é constante da reação A constante de reação segue a lei de Arrhenius na forma onde A é o fator préexponencial E é a energia de ativação R é a constante universal dos gases e T é a temperatura O valor de ER em K é dado por ln 𝛽 1 310 1 330 onde β é tal que a 01 β 02 b 15 β 25 c 4 β 5 d 9 β 10 e 19 β 20