P2 - Transferência de Massa D 2021 2

EQE 476 - Transferência de Massa - Segunda Prova - 31 de janeiro de 2022 Prof. Cristiano Borges ________________________________________________________________________________ NOME: ________________________________________________________________________________ Observações: • A avaliação deve ser devolvida digitalizada, aceitando-se os formatos PDF, Word ou Imagens; • Os arquivos com a solução dos exercícios deve ser nomeado como “seu nome - 2a prova”. No caso de arquivos múltiplos, esses deve ser nomeados como "seu nome - 2a prova - parte1", etc. 1) No reator catalítico, abaixo esquematizado, ocorre uma reação de isomerização, onde A se transforma em B segundo uma reação catalítica de primeira ordem em relação a concentração molar de A, ou seja, a taxa de consumo de A por unidade de área de catalisador é expressa por: k”CA. Embora a reação seja catalítica, ela é lenta o suficiente para que a resistência a transferência de massa, devido a etapa de difusão nas proximidades da partícula de catalisador, possa ser desprezada. Deste modo, em qualquer posição do reator, a concentração de A na superfície do catalisador pode ser considerada como sendo a concentração de A na corrente livre de escoamento. Admitindo-se que o escoamento da mistura reacional seja do tipo empistonado (“plug flow”), com velocidade média U, que a concentração de A na entrada do reator é CA0 e que a área de catalisador por unidade de volume do reator é igual a “a”, pede-se: a) Determinar, através de um balanço de massa em um elemento de volume do reator, a expressão que fornece o perfil de concentração de A no seu interior. Esboçar o perfil ao longo do reator. b) Determinar o comprimento L do reator para que a concentração molar de A na saída seja 5% de sua concentração na entrada, para as seguintes condições: k” = 1,5 x 10-9 [ 1/s (m2/m3 de cat.)] a = 2,0 x 108 m2 de catalisador/ m3 de reator U = 0,1 m/s Suponha agora que o reator tubular do problema anterior não seja catalítico (reator vazio, sem as esferas de catalisador) e que a transformação de A em B ocorra espontaneamente, durante a passagem da mistura gasosa, em escoamento laminar, pelo reator. A reação continua sendo de primeira ordem em relação a concentração de A e a constante de reação, neste caso, é k"'. Pede-se: c) Esboçar o perfil de concentração de A ao longo do reator, justificando com base em uma discussão física do problema. Obter a equação diferencial e as respectivas condições de contorno, para esta nova situação. EQE 476 - Transferência de Massa - Segunda Prova - 31 de janeiro de 2022 Prof. Cristiano Borges 2) Considere a demonstração representada na figura a seguir. Considere a reação instantânea na fase gasosa e ocorrendo na presença de um componente gasoso inerte (I) e que as duas extremidades contem algodão embebido por soluções contendo os componentes volateis representados na figura. O processo ocorre em regime estabelecido, temperatura é constante e a fase gasosa pode ser considerada ideal. a) Esquematize os perfis de concentração para a fase gasosa. b) Escreva as equações para a transferência de massa admitindo que os coeficientes de difusão sejam conhecidos e constantes. O comprimento do tubo pode ser considerado como L. c) Escreva as condições de amarração e contorno necessárias para o cálculo do fluxo dos componentes. d) Caso a reação não seja considerada instantânea, descreva quais considerações anteriores não se mantêm e como deveria proceder para equacionar e resolver o problema.