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8/18/2019 Lista Cstr

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Lista de exercícios

Cinética e Cálculo de Reatores

01) Uma reação A→2R se dá em fase líquida num reator CSTR de 5 litros. Alimenta-se 1 mol/L

de reagente A. Foram feitas medidas de concentração do produto em diferentes temperaturas,

conforme tabela abaixo. Calcule a conversão na saída do reator, sabendo que o fluxo de

alimentação é de 0,5 L/min a 50˚C.

v0 (L/min) T (˚C) CR (mol/L)

0,12 13 1,8

0,90 13 1,5

0,90 84 1,8

02) A reação elementar em fase líquida A + 2B R, com equação de taxa - (mol/L.min), deve ocorrer em um reator de mistura perfeita de 6 litros. Duas correntes dealimentação, uma contendo 2,8 mol de A/L e outra contendo 1,6 mol de B/L são introduzidas no

reator a iguais vazões volumétricas. Deseja-se uma conversão de 75% do componente em menor

proporção. Qual deve ser a vazão volumétrica de cada corrente?

03) A reação A + B → 2R ocorre em fase líquida e sua equação de velocidade a 20ºC é -r A =

0,756.C A.CB (mol/L.min). A reação ocorrerá em um reator de mistura perfeita e a conversão

desejada é de 80% do reagente limitante. A alimentação é realizada conforme esquema abaixo.

Determine o volume do reator.

Dados:

I II III

CA (mol/L) - 4 2

CB (mol/L) 2 - 4

Vazão (L/min) 5 2 10

I II III

Reator

CSTR


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04) Um reator de mistura precisa ser projetado para produzir etileno glicol a partir da hidrólise do

óxido de etileno a 55°C. A produção desejada é de 90720 toneladas por ano, com uma conversão

de 80%, sendo a vazão de alimentação (de óxido de etileno e água) de 100 m3/h. O reator poderá

operar em regime permanente durante 2000 horas por ano.

Sabe-se da literatura que esta reação é de primeira ordem em relação ao óxido de etileno.

Um experimento em um reator batelada na mesma temperatura de operação do reator de mistura

foi realizado. A alimentação deste reator foi preparada por 500 mL de uma solução 2,0 M de óxido

de etileno em água misturada com 500 mL de água contendo 0,9 % em peso de ácido sulfúrico. A

temperatura foi mantida constante. Esta reação foi acompanhada em função do tempo e os dados

obtidos estão apresentados a seguir:

Tempo (minutos) 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 6,0

Concentração de etilenoglicol (mol/L) 0 0,270 0,467 0,610 0,715 0,848

Determine qual o volume do reator de mistura necessário para as condições descritas e qual

deverá ser a concentração molar e vazão molar do óxido de etileno na alimentação.

05) Hidrodealquilação é uma reação que pode ser usada para converter tolueno (C7H8) em

benzeno (C6H6). A reação é: C7H8 + H2 → C6H6 + CH4. Zimmerman e York estudaram esta reação

entre 700 e 950ºC na ausência de catalisador. Eles encontraram que a taxa de desaparecimento

do tolueno estava bem representada por:

A reação é essencialmente irreversível nas condições estudadas, e a lei dos gases ideais é

válida. Considere uma corrente de alimentação consistindo de 1 mol de H2 por mol de tolueno. O

reator deverá operar em pressão atmosférica e na temperatura de 850ºC. Qual volume de reator

de mistura perfeita é requerido para se obter uma conversão de 50% de tolueno, com uma taxa

de alimentação de tolueno de 1000mol/h? Resp .: 227L


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06) A reação em fase líquida homogênea A+B→C+2D ocorre em um reator CSTR ideal. A reação

obedece a equação de taxa:

Para 200ºC,

A alimentação do reator é uma mistura equimolar de A e B, com C A0 = CB0 = 2,0mol/L. O reator

opera a 200ºC. A vazão molar de A é 20 mol/s. Qual tamanho de reator é necessário se a

conversão final de A deve ser maior que 90%? Resp.: 5400L

07) A reação de decomposição A→B+C+2D em fase líquida é realizada em um reator ideal CSTR

(Continuous Stirred Tank Reactors), operando em estado estacionário. A reação obedece à

seguinte equação de taxa:

O valor de k é 8,6 h-1

e o valor de k A é 0,5 L/mol de A. A alimentação é uma mistura de A einertes. A concentração de A na alimentação é 0,75 mol/L. Não há B, C ou D na alimentação. O

fluxo volumétrico na alimentação é 1000l/h. Qual o volume do reator necessário para produzir

uma taxa de 1200 mol/h de D? Quais as concentrações de A, B, C e D no efluente? Resp.: 500L

08) Uma enzima E catalisa a transformação do substrato A (reagente) no produto R. Encontre a

capacidade necessária do reator de mistura perfeita, para converter 95% do reagente,

considerando uma corrente de alimentação (25L/min) de reagente A e (C A0 = 2 mol/L) e de

enzima. A cinética enzimática nesta concentração específica da enzima é dada por:

A R

Enzima


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09) Uma solução aquosa reage em um reator de mistura perfeita até uma conversão de 50%. O

reator atual será substituído por outro 4 vezes maior, mas a composição e a velocidade de

alimentação serão mantidas inalteradas. Qual será a nova conversão a ser obtida se:

a) A reação for de primeira ordem (Resp.: 80% )

b) A re4ação for de segunda ordem (Resp.: 70%)

10) Sabe-se que para pasteurização em batelada de leite, são necessários 5 minutos a 65ºC e

0,5 minutos a 75 ºC. Sabendo que para C A0 =105 microrganismos/ml, C A =1

microrganismos/ml e

que a inativação dos microrganismos segue cinética de primeira ordem, calcular o volume do

reator de mistura perfeita, necessário para processar 1000L/hora para cada uma das

temperaturas. Resp .: 724776L e 72478L

11) Para a reação em fase líquida A+B →produtos a 20ºC, 40 % de A são convertidos em um

reator de mistura. A reação é de primeira ordem em A, com k A=0,0257h-1 a 20ºC. O fluxo

volumétrico total é 1,8m3/h , e a alimentação molar de A e B são F A0 e FB0 mol/h,

respectivamente. Determine o volume do tanque necessário, se, por questão de segurança,

somente 75% da capacidade poderá ser ocupada. Resp .: 62,25m 3

12) Uma corrente aquosa contendo A e B é alimentada num reator CSTR, para ser convertida no

produto C. A taxa de reação é dada por (-r A) = 0,07C ACB (mol /L.s). Para uma alimentação de 400

cm3/min, com 12 mols de A/L, 35 mols de B/L qual deverá ser o volume do reator para que 90 %

de A seja convertido? Resp .: 35,4 cm 3


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13) Deseja-se produzir 3 kmol/min de etileno glicol. O reator deve ser operado isotermicamente.

Uma solução de 14 kmol/m3 de óxido de etileno em água é alimentada a um reator, juntamente

com uma vazão volumétrica igual de uma solução aquosa contendo um catalisador (H 2SO4).

Considerando uma conversão de 80%, determine o volume de um reator CSTR necessário.

Resp .: 6,89m 3

Reação:

óxido de etileno + água etileno glicol

Dados:

-r A= k C A

K = 0,311 min-1

14) Dispõe-se dos reatores apresentados no quadro abaixo para produzir álcool terc-butílico a

partir da hidrólise do brometo de terc-butila. A alimentação será de 1 m3/h contendo 9 g/s de

brometo de terc-butila, a 25°C.

A cinética desta reação foi estudada a 25°C e constatou-se que é uma reação de primeira ordem

irreversível. Os dados deste experimento em batelada estão apresentados abaixo:

Tempo ( minutos) 0 18 40 72

[terc-C4H9Br] (mol/L) 0,1056 0,0856 0,0645 0,0432

Qual a produção diária de cada reator em Kg/h? Considerando como parâmetro de escolha a

produção máxima de produto final, qual seria o reator escolhido?

Quadro: Reatores disponíveis para a produção do álcool terc-butílico.

Reator Agitação Diâmetro (cm) Altura

01 sim 120 6

02 sim 160 3,8

03 não 50 25

04 não 33 50

H2SO4

(catalisador)


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15) A reação em fase gasosa A→B possui uma constante de velocidade de reação unimolecular

de 0,0015 min-1 a 80ºF. Esta reação deve ser conduzida em tubos paralelos de 10 pés de

comprimento e 1 polegada de diâmetro interno a uma pressão de 132 psig a 260 ºF. Pretende-se

produzir 1000 lb/h de B. Considerando uma energia de ativação de 25000 cal/mol, quantos tubos

serão necessários para que a conversão de A seja de 90%. Assuma comportamento de gás ideal.

Ambas espécies possuem a mesma massa molecular igual a 58.

16) Considere a reação: A→B

a) Calcule a conversão de um reator tubular ideal (volume constante, temperatura constante) de 1

m3 alimentado com 5000 L de A/h numa concentração de 2 mol/L , sendo a constante cinética da

reação igual a 0,2 min-1;Resp .: 0,9093

b) Qual seria o volume de um reator CSTR (volume constante, temperatura constante) para

atingir a mesma conversão? Resp .: 4,17 m 3

17) A reação em fase gasosa abaixo é conduzida a 600ºC e 101 kPa em um reator PFR, A

reação é de primeira ordem com relação aos dois reagentes, com K B =12 m3/mol.h. Os fluxos

molares de alimentação do CH4 e S2 são 23,8 e 47,6 mol/h, respectivamente. Determine o volume

necessário para uma conversão de 18% de metano. Reação: CH4 + 2S

2→CS

2 + 2H

2S.

Resp .: 0,020m 3

18) Deseja-se conduzir a reação A→B em fase gasosa em um reator tubular que está disponível,

consistindo em 50 tubos paralelos 40 pés de comprimento com um diâmetro interno de 0,75in.

Experimentos em escala de bancada forneceram a velocidade específica de reação para esta

reação de primeira ordem como 0,00152 s-1 a 200ºF e 0,0740 s-1 a 300ºF. A que temperatura

deveria operar o reator para produzir uma conversão de A de 80% com uma alimentação de

500lb/h de A puro e uma pressão de operação de 100 psig? O reagente A possui massa molar

igual a 73. Desvios do comportamento de gás ideal podem ser desprezados e a reação inversa é

insignificante nestas condições. Resp .: 278 ºF


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19) O seguinte e-mail está em sua caixa de entrada, às 08h00min (AM) na segunda feira:

To: U.R. Loehmann

From: I.M. Debosse

Subject: Sizing of LP Ractor

A cinética da reação em fase líquida,

R.M. →L.P. + W.P.

foi estudada (por questão de segurança não podemos especificar mais nada sobre as espécies

químicas envolvidas. L.P. é o produto desejado desta reação) . A taxa de desaparecimento de

R.M. é adequadamente descrita por uma reação de ordem zero (-r A = k) O valor de k=0,035lbmol

de A/ galão.minuto para uma certa temperatura T.

Um plug-flow reactor (PFR) para converter R.M. e, L.P. foi dimensionado por umadeterminada empresa, porém há contestações sobre o resultado. Gostaríamos de sua ajuda na

análise da situação.

O reator será operado isotermicamente na temperatura T. de acordo com a empresa

contratada o reator terá um volume de 120 galões, a alimentação será de 2 galões/min e a

concentração de A na alimentação do reator será 1,0 lbmol/ galão. Qual será a concentração de A

na saída do reator?

Por favor, envie sua resposta, juntamente com um anexo demonstrando seus cálculos,

para nossa conclusão. Resp.: O vo lum e do reato r está acim a do nec essário .

20) Uma enzima específica atua como catalisador na fermentação do reagente A. Para uma dada

concentração de enzima na corrente aquosa de entrada (25L/min), encontre o volume necessário

do reator pistonado, para converter 95% do reagente A (C A0 = 2 mol/L). A cinética enzimática

nesta concentração específica da enzima, é dada por: Resp.: 986 L

A R

Enzima


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21) A reação A + B →2R ocorre em fase líquida e sua equação de velocidade é a seguinte: -

r A=10C ACB (mol/L.min) a 20ºC. Esta reação ocorrerá em um reator tubular de 100 litros e a

conversão desejada é de 70%. As concentrações iniciais de A e B são iguais: 0,5M. O reator será

alimentado conforme esquema apresentado abaixo. Determine as vazões de cada tanque nestas

condições. Resp .: 38,3L/min , 76,53L/min e 99,49 L/m in.

TANQUE 01 TANQUE 02 TANQUE 03

REATOR

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