Cinetica-Quimica-e-Bioquimica-Introducao-a-Cinetica-e-Projeto-de-Reatores

31082025 INTRODUÇÃO A CINÉTICA E PROJETO DE REATORES IRN020 Sistemas de Tratamento de Águas Residuárias Industriais UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ INSTITUTO DE RECURSOS NATURAIS Profa Dra Herlane Costa Calheiros OBSERVAÇÕES Estas notas de aula não substituem os livros sobre o tema O aluno deve utilizar as fontes bibliográficas constantes no plano de ensino da disciplina As notas de aula foram elaboradas com base em textos citados no item Bibliografia consultada não se trata de material original Dessa forma as notas de aula não devem ser citadas em artigos dissertações teses monografias ou relatórios As referências devem ser feitas aos textos originais utilizados para a elaboração das notas de aula SUMÁRIO Introdução à cinética Conceitos Velocidade de reação Tipos de reações químicas Equações cinéticas Influência da temperatura na constante de velocidade de reação Introdução ao projeto de reatores Tipos de processos Reatores ideais básicos Equação geral de balanço de massa Equações gerais de reatores ideais Reatores não ideais Reator de mistura completa em série Reator pistonado de fluxo disperso CINÉTICA QUÍMICA E BIOQUÍMICA INTRODUÇÃO INTRODUÇÃO À CINÉTICA QUÍMICA Cinética química estuda a velocidade das reações químicas ou seja a mudanças de composição do meio reacional ao longo da reação Velocidade da reação r é a variação da concentração da espécie química um dos reagentes ou produtos na unidade de tempo Cinética química Estuda o sistema do ponto de vista microscópico do ponto de vista de um Observador Interno Estuda a duração de uma reação química Estuda o comportamento do meio reacional ao longo do tempo 𝒓𝑨 𝒅𝑪𝑨 𝒅𝒕 𝒌𝑪𝑨 𝒏 rA velocidade da reação expressa em função do reagente A CA concentração do reagente A k constante de velocidade a temperatura constante n ordem da reação é a soma dos coeficientes estequiométricos das espécies químicas envolvidas na reação TIPOS DE REAÇÕES QUÍMICAS Reações homogêneas e heterogêneas Reação homogênea acontece em uma única fase ou seja quando todas as espécies químicas participantes estão em uma única fase Reação não homogênea heterogênea quando pelo menos uma das espécies químicas participantes se encontra em uma fase diference das demais Ex reações catalíticas onde o catalizador altera a velocidade da reação mas não é reagente e nem produto Reações irreversíveis e reversíveis Reação irreversível quando pelo menos um dos reagentes é totalmente consumido ao final da reação Reação reversível quando se atinge o equilíbrio químico e a conversão dos reagentes em produtos não é completa 1 2 3 4 5 6 31082025 REFERÊNCIAS CONSULTADAS METCALF EDDY Tratamento de efluentes e recuperação de recursos 5 ed Porto Alegre AMGH 2016 2008 p Tradução Ivanildo Hespanhol José Carlos Mierzwa ISBN 9788580555240 NUNES José Alves Tratamento biológico de águas residuárias 3 ed Aracaju Gráfica Editora J Andrade 2012 277 p NUNES José Alves Tratamento físicoquímico de águas residuárias industriais 3 ed Aracaju Gráfica e Editora Triunfo 2001 298 p FERREIRA FILHO Sidney Seckler Princípios fundamentos e processos em engenharia ambiental Santana de Parnaíba SGerra Design 2021 938 p 31 32 33 Operação ou Processo unitário Aplicações em engenharia Reação heterogênea Absorção dissolução do oxigênio na água Lavadores de gases Aeração em processos biológicos Transferência de massa em sistemas gáslíquido Adsorção Remoção de compostos orgânicos em ETA e ETE Acúmulo de solutos em fase sólida Oxidação por via biológica Degradação de compostos orgânicos em ETE Reações de oxidação Filtração Remoção de colóides em ETA e ETE Acúmulo de partículas em superfícies Desinfecção Inativação de patogênicos em ETA e ETE Diversas TIPOS DE REAÇÕES QUÍMICAS Reações simples e múltiplas Reação simples quando uma reação estequiométrica simples e uma equação de velocidade simples representam o comportamento da reação Reação múltipla quando mais de uma equação estequiométrica ou equação de velocidade são necessárias para representar o andamento da reação Série Paralelo Complexas Reações simples Reações múltiplas TIPOS DE REAÇÕES QUÍMICAS Reações elementares e não elementares Reação elementar as ordens parciais dos termos de concentração na equação da velocidade correspondem aos coeficientes estequiométricos das espécies químicas envolvidas Reação não elementar quando não houver correspondência entre os termos de concentração na equação de velocidade e os coeficientes estequiométricos A obtenção da cinética de uma reação química não elementar é possível tão somente através de ensaios experimentais CINÉTICA DE REAÇÕES ELEMENTARES Equação estequiométrica aA bB cC a coeficiente estequiométrico do reagente A b coeficiente estequiométrico do reagente B c coeficiente estequiométrico do produto C Equações cinéticas de reagentes e produto 1 a dAdt 1 b dBdt 1 c dCdt Equação de velocidade da espécie química A rA dAdt AaBb dAdt kAaBb k constante da velocidade de reação dado experimental a ordem parcial em relação ao reagente A b ordem parcial em relação ao reagente B n a b ordem global da reação EXEMPLO DE REAÇÃO ELEMENTAR Equação estequiométrica Produção de cloramina in loco para a desinfecção HOCl NH3 NH2Cl H2O a b c a 1 coeficiente estequiométrico do ácido hipocloroso b 1 coeficiente estequiométrico da amônia c 1 coeficiente estequiométrico da cloramina Equação de velocidade do ácido hipocloroso dHOCldt k HOClNH3 k 51 x 101 mols 25oC constante da velocidade de reação a 1 ordem parcial em relação ao ácido hipocloroso b 1 ordem parcial em relação à amônia n a b 1 1 2 ordem global da reação CINÉTICA DE REAÇÕES NÃO ELEMENTARES Equação estequiométrica aA bB cC dD a coeficiente estequiométrico do reagente A b coeficiente estequiométrico do reagente B c coeficiente estequiométrico do produto C d coeficiente estequiométrico do produto D Equação de velocidade do reagente A dAdt k Aα Bβ Cγ Dδ k constante da velocidade de reação a ordem parcial da reação em relação a A b ordem parcial da reação em relação a B γ ordem parcial da reação em relação a C δ ordem parcial da reação em relação a D n α β γ δ ordem global da reação Tanto a ordem de reação n parcial ou global quanto a constante cinética k são obtidas a partir de dados experimentais normalmente sem o conhecimento do mecanismo da reação EXEMPLO DE REAÇÃO NÃO ELEMENTAR EM PROCESSO QUÍMICO Equação estequiométrica da decomposição do ozônio em oxigênio 2O3 3O2 Equação de velocidade do ozônio dO3dt k O32OH1055 A reação é de ordem 2 em relação ao ozônio e de ordem 055 em relação ao íon hidróxido A ordem global da reação n 2 055 255 O valor da constante de reação k pode variar entre 104 a 101 Lmol1s1 dependendo da concentração de OH e da temperatura Para se conhecer os aspectos cinéticos de uma reação não elementar precisa ser realizado ensaio experimental PROCESSO BIOQUÍMICO Os poluentes são inicialmente adsorvidos nas superfícies dos aglomerados microbianos por reações físicoquímicas Depois podem sofrer hidrólise ou outras transformações enzimáticas na matriz desses aglomerados flocos filmes ou grânulos Enzimas são proteínas que aceleram reações bioquímicas atuando de forma específica sobre substratos Podem tornar os processos até 108 a 1010 vezes mais rápidos que sem sua presença A atividade enzimática é influenciada por temperatura pH cofatores e inibidores Cofatores podem ser orgânicos como ATP Adenosina Trifosfato que armazena energia ou inorgânicos íons metálicos como Ni2 Zn2 Cu2 Inibidores incluem nutrientes e oxigênio dissolvido Exoenzimas atuam fora da célula bacteriana quebrando matéria complexa em compostos solúveis por hidrólise facilitando sua absorção As endoenzimas agem dentro da célula degradando esses compostos para gerar energia essencial aos processos vitais REAÇÃO NÃO ELEMENTAR EM PROCESSO BIOQUÍMICO A B AB 1 AB C 2 A B C Uma reação não elementar pode ser considerada composta por um conjunto de reações elementares EXEMPLO DE REAÇÃO NÃO ELEMENTAR EM PROCESSO BIOQUÍMICO Contexto uma enzima E que se liga a um substrato S para formar um complexo enzimasubstrato ES que então se transforma em produto P S E ES 1 ES P E 2 S P A cinética de MichaelisMenten descreve como as enzimas catalisam reações químicas e explica a relação entre a velocidade da reação enzimática e a concentração do substrato Monod é uma adaptação da MichaelisMenten para crescimento microbiano EXEMPLO DE REAÇÃO NÃO ELEMENTAR EM PROCESSO BIOQUÍMICO S E k1k2 ES 1 ES k3 P E 2 S P E0 E ES dSdt k1SE k2ES dSdt k1SE0k3k1S k2 k3 dSdt SE0k3S k2 k3k1 dSdt Model aplicável com boa precisão para processos aeróbios mas nos demais processos anaeróbios e anóxicos precisa de ajustes