Simulado P2 Cálculo de Reatores - Engenharia Química - UNISANTA

Página 1 de 12 UNISANTA 7º ENGENHARIA QUÍMICA NOTURNO CÁLCULO DE REATORES PROF Me HERNANDES DE SOUZA BRANDÃO SIMULADO DE P2 DE JUNHO DE 2024 COM GABARITO Material Didático acesse o portal do aluno ou Teams PROVA INDIVIDUAL COM CONSULTA A FORMULÁRIO ANEXO RESOLVER DUAS QUESTÕES DE SUA ESCOLHA DENTRE AS TRÊS APRESENTADAS 1ª QUESTÃO A reação irreversível de 2ª ordem em fase líquida 2 A B R 3 S ocorre isotermicamente Uma corrente de 600 molh contendo apenas A e B em quantidades equimolares é introduzida a 200 Lh em um reator tubular de 500 L de capacidade A corrente efluente desse reator que contém 0315 molL de R entra num reator de mistura de volume 900 L Determinar a a conversão global 15 ponto b O volume individual de três reatores tubulares iguais em série para processar a reação na mesma conversão da associação original e sob as mesmas condições de alimentação 10 ponto c o volume de um reator tubular com reciclo de razão de reciclo igual a 08 para processar a reação nas mesmas condições de alimentação e conversão global 10 ponto 2ª QUESTÃO Dispõese de uma associação de 3 reatores de mistura de 500 litros cada em série processando a reação elementar em fase líquida A 2 B C e velocidade específica igual a 0921 h1 A alimentação ao 1º reator é feita por uma mistura equimolar de A e inertes a 200 molh e concentração de A de 0362molL Desejase substituir a associação por um reator tubular de reciclo para obter a mesma conversão mantendo o tempo espacial do sistema global Determine a A conversão global da associação de reatores de mistura 15 ponto b A razão de reciclo 10 ponto c A composição molar percentual da mistura efluente da associação de reatores de mistura 10 ponto 3ª QUESTÃO Considere a combinação de reatores CSTR e PFR em série Neste sistema dá se uma reação do tipo 2A 3B C em fase líquida de 1ª ordem Alimentase o CSTR com 20 kmolm³ de A não havendo nem B nem C Ambos os reatores operam isotermicamente O volume de cada um deles é de 01 m³ O fluxo de alimentação é de 150 mols a Se a conversão na saída do CSTR for 045 calcule o rendimento global do sistema b Se invertermos a seqüência dos reatores o rendimento global aumentará diminuirá ou não será alterado Justifique por cálculos c Determine a composição molar da mistura efluente do último reator nos dois casos anteriores d Determine o rendimento global do sistema se ambos os reatores forem PFR de mesmo volume BOA PROVA FORMULÁRIO REATOR DE MISTURA OU CSTR Para fase líquida ou gasosa A A A A r X F V C 0 0 onde 0 0 A A o F C V v V Página 2 de 12 Para fase líquida A A f i A r C C REATOR TUBULAR IDEAL OU PFR Para fase líquida ou gasosa A A A X r dX A A F V C 0 0 0 1 Reação A Produtos de ordem zero fase gasosa e líquida A A A A X C F V k C k 0 0 0 2 Reação A Produtos de 1ª ordem fase gasosa A A A A X X k ln1 1 3 Reação A B Produtos de 2ª ordem fase gasosa com CA0 CB0 alimentação equimolar ou 2 A Produtos com A constante A A A A A A A A A X X X X k C 1 1 ln1 1 2 2 2 0 REATORES DESCONTÍNUOS OU DE BATELADA Em fase gasosa A X A A A A A X r dX C t 0 0 1 em fase líquida A X A A A r dX C t 0 0 r m t t N 1 N G V m REATOR TUBULAR COM RECICLO 1ª ordem fase líquida A Produtos 2ª ordem fase líquida A Produtos 1 1 1 ln 1 R R X X R k Af Af 1 1 1 1 1 1 0 R R X X R kC Af AF A EQUAÇÕES DE PROJETO DE REATORES DESCONTÍNUOS ISOTÉRMICOS E ISÓBARICOS DESENVOLVIDAS PARA REAÇÕES HOMOGÊNEAS IRREVERSÍVEIS 1 Reações de ordem zero A P fase líquida k t C C A A 0 EQ 1 ou k t X C A A 0 EQ 2 fase gasosa k t X C A A A A 1 0 ln EQ 3 2 Reações de 1ª ordem A P fase líquida k t C C A A 0 ln EQ 4 Página 3 de 12 ou X A kt ln1 EQ 5 fase gasosa k t C C A A 0 ln EQ 6 ou X A kt ln1 EQ7 3 Reações de 2ª ordem 2 A P ou A B P com CA0 CB0 fase líquida k t C C A A 0 1 1 EQ 8 ou t k C X X A A A 0 1 EQ9 fase gasosa t k C X X X A A A A A A 0 ln 1 1 1 EQ 10 A B P com CA0 CB0 fase líquida k t M C X M X M A A A 1 1 ln 0 com M CB0 CA0 1 EQ11 ou k t C C C C C C A B A B A B ln 0 0 0 0 EQ 12 A 2 B P fase líquida t k M C X M X M A A A 2 1 2 ln 0 M CB0 CA0 2 EQ 13 2A B P fase líquida t k M C X M X M A A A 50 1 50 ln 0 M CB0 CA0 05 EQ 14 FORMULÁRIO DE ALGUMAS INTEGRAIS ENVOLVENDO ax b E px q 1 1 ln b ax a b ax dx 2 2 ln b ax a b a x b ax xdx 3 b ax x b b ax x dx ln 1 4 1 2 b a ax b ax dx 5 a n b ax b dx ax n n 1 1 se n 1 veja item 1 6 b ax q px aq bp q px b ax dx ln 1 7 ln ln 1 q px p q b ax a b aq bp q px b ax xdx Página 4 de 12 8 ln 2 q px p aq bp p ax qdx px b ax Equação de Arrhenius 1 2 2 1 1 1 exp T R T E k k sendo que R 1987 calmolK 8314 JmolK CA0 yA0 P R T sendo que R 00821 atm L mol K 6236 mm Hg L mol K Parâmetros a serem inseridos no gráfico N 1 XAN k N k N i 𝑘 𝑁 𝑉𝑖 𝑣0 𝑘 𝑁 𝑉𝑖𝐶𝐴0 𝐹𝐴0 Eq 1 Página 5 de 12 A resolução analítica pode ser feita pela eq 1 rearranjada 𝑋𝐴𝑁 1 1 1𝑘 𝜏𝑖𝑁 em que 𝜏𝑖 𝑉𝑖 𝑣0 𝑉𝑖𝐶𝐴0 𝐹𝐴0 Parâmetros a serem inseridos no gráfico N 1 XAN k CA0 N k CA0 N i 𝑘 𝐶𝐴0 𝑁 𝑉𝑖 𝑣0 𝑘 𝑁 𝑉𝑖𝐶𝐴0 2 𝐹𝐴0 A resolução analítica pode ser feita pela Eq 2 seguida da equação 𝑋𝐴𝑁 1 𝐶𝐴𝑁 𝐶𝐴0 Eq 2 Página 6 de 12 𝑉𝑖 𝐹𝐴0 𝑑𝑋𝐴 𝑟𝐴 𝑋𝐴𝑁 0 1ªQ 2A B R 3S f líquida 2ª ordem xA0 0 VT 500L FM0 600 molh cR1 0315 mol yA0 yB0 050 L FA0 FB0 050600 300 molh VM 900L cR0 cS0 0 v0 200Lh cA0 FA0 v0 300 200 150 molL BM para R no Reator Tubular cR1 cR0 cRprod Lei de Proust cAcons2 cBcons1 cRprod1 cSprod3 0 cR1 0 12 cAcons cR1 12 cA0 xA1 0315 05 150 xA1 xA1 042 Det k R Tubular Eq14 ln M05 xA1 M 1xA1 cA0 M05 k τ M cB0 cA0 M cB0 cA0 150 150 1 ln 1 05 042 1 1 042 150 1 05 k 500 200 k 01648 L molh Reator de Mistura xA2 VM FA0 xA2 xA1 rA2 rA2 k cA01 cB01 rA2 k cA02 1 xA21 M 05 xA21 VM FA0 xA2 xA1 k cA02 1 xA2 M 05 xA2 900 300 xA2 042 01648 1502 1xA2 1 05 xA2 xA2 0667 a CA CA0 1xA CB CB0 CBcons CB CB0 CAcons 2 CB CB0 CA0 xA 2 CB CA0 M 05 xA sendo M cB0 cA0 b xA0 0 Vi xA1 Vi xA2 Vi xA3 0667 cA0 150 molL FA0 300 molh v0 200Lh xA0 0 V 3 Vi cA0 150 molL FA0 300 molh v0 200Lh Eq14 ln M05 xA M 1xA cA0 M05 k τ M cB0 cA0 1 ln 105 0667 1 10667 150 105 01648 VT 200 VT 1123 L Vi V 3 1123 3 Vi 3743 L a xA0 0 V xAf 0667 cA0150 molL FA0300 molh v0200 Lh R08 A rigor τ cA0 V FA0 R1 RR1xAf d xA rA rA k cA02 1xA M 05 xA V FA0 R1 RR1xAf d xA k cA02 1xA M 05 xA R1 1 1 05 1 M ln M05 xA 1xA xAfRR1 V k cA02 R1 FA0 1 M 05 ln M 05 xAf 1xAf 1R xAf R1 M 05 R xAf R1 V 01648 1502 081 300 1 105 ln 105 0667 10667 1 08 0667 081 1 05 08 0667 081 V 8168 L Usando a eq para 2A produtos k cA0 θ R1 1 1xAf 1 1 R xAf R1 01648 15 V 081 200 1 10667 1 1 08 0667 081 V2303 L 2ªQ A 2B C fase líq elementar 1ª ordem k0921 h¹ xA00 xA1 xA2 xA3 a yA0yB005 FM0200 molh FA005 200 FM0100 molh FS0100 molh cA00362 molL V1 V2 V3 V1V2V3Vi500 L xA00 V xAF xA3 FA0100 molh FS0100 molh cA00362 molL b R para kτreal kτassoc c yi3 a xA3 pelo gráfico da figura 65 N3 1xA3 kTG N k N TG i k N VCAO FAO 0921 3 500 0362 100 5 1xA 1xA3 005 xA3 095 b R k TG R1 ln 1xAf 1 R xAf R1 5 R1 ln 1095 1 R 095 R1 5 R1 ln 005 1 095R R1 Por método numérico R α 05 392 10 470 11 485 12 498 5 R12 c BC FM0 200 molh FA0 FS0 100 molh FA0xy FA0 xA 100095 95 molh A 2B C I em molh entrada 100 0 0 100 reage 95 190 95 sai 5 190 95 100 TOTAL 390 molh yij Fi ΣFi 100 13 487 244 256 1000 Página 11 de 12 3ª QUESTÃO 2 A 3 B C fase líquida 1ª ordem a XA2 1º Reator CSTR 1 1 0 1 0 A A A A X C k X F V 0 45 21 45 0 150 100 k k 0614 s1 2º Reator PFR 0 0 1 2 exp 1 1 A A A A F kV C X X 150 0 6141002 0 45exp 1 1 XA2 076 b XA2 1º Reator PFR 0 0 1 exp 1 A A A F kV C X 150 0 6141002 exp 1 XA1 056 2º Reator CSTR 1 2 0 1 2 0 A A A A A X C k X X F V 61421 0 56 0 150 100 2 2 A A X X XA2 076 o rendimento não será alterado c 2 A 3 B C em mols i Fi mols yi 150 0 0 A 36 136 150076 171 57 B 171 648 36 171 57 C 57 216 264 1000 XA0 0 100 L XA1 045 100 L XA2 100 L XA0 0 XA1 100 L XA2 Página 12 de 12 d XAf XA2 0 0 exp 1 A A Af F kV C X 150 0 6142002 exp 1 XAf 081 BOM ESTUDO XA0 0 XA1 056 XA2 XA0 0 XAf Reator Equivalente