UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
INSTITUTO DE TECNOLOGIA INSTITUTO DE TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICAENGENHARIA QUÍMICA ENGENHARIA DAS REAÇÕES QUÍMICAS I
ENGENHARIA DAS REAÇÕES QUÍMICAS I (LISTA EXERCÍCIOS)
(LISTA EXERCÍCIOS) 1.
1. a) Determine a) Determine o volume o volume do reator tubdo reator tubular necesular necessário para sário para produzir produzir 5,55x105,55x1055 moles de moles de etileno por hora. A reação é irreversível e elementar. Pretende-se alcançar 80% de etileno por hora. A reação é irreversível e elementar. Pretende-se alcançar 80% de conversã
conversão do etano operando o o do etano operando o reator isotermicamente a 1100K e 4 reator isotermicamente a 1100K e 4 atm.atm. C
C22HH66→→ C C22HH44 + H + H22
Dados: R = 0,082 L
Dados: R = 0,082 L⋅⋅atm/molatm/mol⋅⋅K K ou ou 1,98 1,98 cal/mol.Kcal/mol.K
k
k (1000K)(1000K)= 0,072 s= 0,072 s-1-1
Energia de ativação =82 kcal/mol Energia de ativação =82 kcal/mol FFBB=F=FA0A0.X.XAA 1polegada = 0,0254m 1polegada = 0,0254m
∫∫
−− = = X X AA A A A A A A r r dX dX F F V V 0 0 0 0∫∫
==−− ++ −− ++ − − + + X X X X X X X X dX dX X X 0 0 )] )] )) 1 1 ln( ln( )) 1 1 [( [( )) 1 1 (( )) 1 1 (( ε ε ε ε ε ε b) se fosseb) se fossem utilizados tubos de m utilizados tubos de 2” de diametro inte2” de diametro interno e 50m de crno e 50m de comprimento, determine oomprimento, determine o número de tubos necessários para o item a).
número de tubos necessários para o item a).
2) Deseja-se produzir 90.720 toneladas de etileno glicol por ano, a partir da hidrólise do óxido 2) Deseja-se produzir 90.720 toneladas de etileno glicol por ano, a partir da hidrólise do óxido de etileno em um reator de mistura operando a 55°C. Um passo fundamental para este projeto é de etileno em um reator de mistura operando a 55°C. Um passo fundamental para este projeto é o conhecimento da equação de velocidade da reação, o que foi feito
o conhecimento da equação de velocidade da reação, o que foi feito através de um experimentoatravés de um experimento em um reator batelada, na mesma tempe
em um reator batelada, na mesma temperatura em que o ratura em que o reator tanque irá operar (55°C). Comoreator tanque irá operar (55°C). Como esta é uma reação de hidrólise, na qual a água está presente em grande excesso, sua esta é uma reação de hidrólise, na qual a água está presente em grande excesso, sua concentração pode ser considerada constante durante a reação. Da literatura sabe-se que esta concentração pode ser considerada constante durante a reação. Da literatura sabe-se que esta reação é de primeira ordem em relação ao óxido de etileno. Este reator batelada, em reação é de primeira ordem em relação ao óxido de etileno. Este reator batelada, em laboratório, foi alimentado por 500 mL de uma solução 2,0 M de óxido de etileno em água laboratório, foi alimentado 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 misturada com 500 mL de água contendo 0,9% em peso de ácido sulfúrico. A temperatura foi mantida a 55°C. Esta reação foi acompanhada ao longo do tempo e a concentração de etileno mantida a 55°C. Esta reação foi acompanhada ao longo do tempo e a concentração de etileno glicol formado foi obtida,
glicol formado foi obtida, conforme apresentada na tabela abaixo:conforme apresentada na tabela abaixo:
t t (min) (min) 0,0 0,0 1,0 1,0 2,0 2,0 3,0 3,0 4,0 4,0 6,06,0 C
Cetileno glicoletileno glicol (mol/L)
(mol/L) 0,000 0,000 0,270 0,270 0,467 0,467 0,610 0,610 0,715 0,715 0,8480,848
a)
a) Calcule aCalcule a constante de velocidade (k) da reação e escreva a equação de velocidade da reação.
constante de velocidade (k) da reação e escreva a equação de velocidade da reação. b) Determine o volume de um
b) Determine o volume de um reator de mistura, a 55°C, para obter convreator de mistura, a 55°C, para obter conversão de 80% do óxido deersão de 80% do óxido de etileno, a partir de vazão de alimentação de 100 m
etileno, a partir de vazão de alimentação de 100 m33/h (óxido de etileno + água). Sabendo que o peso/h (óxido de etileno + água). Sabendo que o peso molecular do etileno glicol é de 62 g.mol
molecular do etileno glicol é de 62 g.mol-1-1.. Dado: Equação estequiométrica da Reação:
Dado: Equação estequiométrica da Reação: A A ++ B B ⎯⎯⎯⎯kk→→ R R; onde A = etileno glicol; onde A = etileno glicol
B = água. B = água.
Fase da reação: Líquida (
3) A saponificação do acetato de etila em solução de hidróxido de sódio ocorre segundo a 3) A saponificação do acetato de etila em solução de hidróxido de sódio ocorre segundo a equação
equação estequiométrica: estequiométrica: CHCH33COOCCOOC22HH55 + NaOH + NaOH →→ CHCH33COONa + CCOONa + C22HH55OH OH e e éé relativamante rápida. Smith e Lorensen estudaram a cinética da reação e propuseram uma relativamante rápida. Smith e Lorensen estudaram a cinética da reação e propuseram uma equação para a constante de velocidade da reação:
equação para a constante de velocidade da reação: loglog == −−17801780 ++00,,0075400754T T ++55,,8383 T
T k
k , onde k é, onde k é dado em L/mol.min. Se a concentração inicial do acetato de etila for de 6g/L e a do hidróxido dado em L/mol.min. Se a concentração inicial do acetato de etila for de 6g/L e a do hidróxido de sódio for de 0,05 mol/L, calcule a vazão molar inicial em um CSTR de 100L a 40
de sódio for de 0,05 mol/L, calcule a vazão molar inicial em um CSTR de 100L a 40ooC paraC para uma conversão de 60%. Considere de ordem igual em relação a A e B. Dado: Massa molecular uma conversão de 60%. Considere de ordem igual em relação a A e B. Dado: Massa molecular do acetato de etila: 88 g/mol.
do acetato de etila: 88 g/mol.
4)
4) A reação decomposição em fase A reação decomposição em fase gasosa do peróxido de di-ter-butilogasosa do peróxido de di-ter-butilo (CH
(CH33))33COOC(CHCOOC(CH33))33 →→ C C22HH66 + 2CH + 2CH33COCHCOCH33
foi realizada no laboratório em um reator descontínuo isotérmico no qual foi registrada a pressão foi realizada no laboratório em um reator descontínuo isotérmico no qual foi registrada a pressão total do sistema em
total do sistema em vários tempos durante a reação, vários tempos durante a reação, obtendo-se os dados mostrados na tabela.obtendo-se os dados mostrados na tabela. t t (min) (min) Pressão Pressão total total (mmHg)(mmHg)
0,0 7,5 0,0 7,5 2,5 10,5 2,5 10,5 5,0 12,5 5,0 12,5 10,0 15,8 10,0 15,8 15,0 17,9 15,0 17,9 20,0 19,4 20,0 19,4
Postule uma lei de velocidade em função da pressão e do tempo. Determine a ordem de reação e a Postule uma lei de velocidade em função da pressão e do tempo. Determine a ordem de reação e a constante de velocidade.
constante de velocidade. Utilize os Utilize os métodos diferencial e integral.métodos diferencial e integral. 5) A reação em fase gasosa A
5) A reação em fase gasosa A →→ B + C ocorre em um reator tubular a 2 atm e 300ºC. A B + C ocorre em um reator tubular a 2 atm e 300ºC. A
constante de velocidade é 0,45 s
constante de velocidade é 0,45 s-1-1 e a uma vazão de 120cm e a uma vazão de 120cm33/s. A alimentaçãoé de 80% de A e/s. A alimentaçãoé de 80% de A e 20% de inerte. Assuma que a reação é
20% de inerte. Assuma que a reação é isotérmica. Qual o volume do isotérmica. Qual o volume do reator necessário para umareator necessário para uma conversão de 95%?
conversão de 95%?
6) A reação de
6) A reação de benzoquinona (B) e ciclopentadieno (C) foi estudada a 25ºC.benzoquinona (B) e ciclopentadieno (C) foi estudada a 25ºC. (-r
(-r B B) = k C) = k CBBCCCC B + C
B + C →→ P P
Despreze a variação de volume. A constante de velocidade da reação é de 9,92x10
Despreze a variação de volume. A constante de velocidade da reação é de 9,92x10 -3-3mm33/kmol.s./kmol.s. Se fosse utlizado um reator batelada para esta reação, determine o tempo necessário para atingir Se fosse utlizado um reator batelada para esta reação, determine o tempo necessário para atingir 95% de conversão de benzoquinona usando uma concentração inicial de 0,1 e de 0,08 kmol/m 95% de conversão de benzoquinona usando uma concentração inicial de 0,1 e de 0,08 kmol/m33 para ciclopen
para ciclopentadieno e benzoqutadieno e benzoquinona, respeinona, respectivamente.ctivamente. 7) A reação elementar em fase gasosa, A
7) A reação elementar em fase gasosa, A33 →→ 3A, é efetuada em um reator de escoamento. A 3A, é efetuada em um reator de escoamento. A taxa específica de reação a 50
taxa específica de reação a 50 ooC é 10C é 10-4-4 minmin-1-1 e a energia de ativação é 85 kJ/mol. A e a energia de ativação é 85 kJ/mol. A33 puro puro entra no reator a 10 atm e 127
entra no reator a 10 atm e 127 ooC e a uma taxa molar de escoamento de 2,5 mol/min.C e a uma taxa molar de escoamento de 2,5 mol/min. Determine o volume de reator para ob
Determine o volume de reator para obter 90 % ter 90 % de conversão se ede conversão se este reator forste reator for
a)
a) CSTRCSTR
b) b) PFRPFR
c)
c) Calcule o tempo necessário para alcançar uma conversão de 90 % em um reator descontínuoCalcule o tempo necessário para alcançar uma conversão de 90 % em um reator descontínuo a volume constante.
8) Metanol é formado pela reação de monóxido de carbono com hidrogênio, com a reação a seguir:
CO+2H2 ↔CH3OH
A condição de equilíbrio é:
Kp =pCH3OH/pCO p2H2 = yCH3OH/yCO y2 H2 p2
Monóxido de carbono e o hidrogênio entram na reação com razão de 1:2 Determine a conversão de equilíbrio quando a pressão é 50 atm e K p= 0,0016.
9) Determine o volume de um reator de tanque agitado e o volume de um reator tubular para processar, em estado estacionário, 30 m3/dia de solução de acetato de etila 0,5 molar a 25oC, de modo a alcançar uma conversão de 75%, adicionando uma quantidade equimolar de hidróxido de sódio, segundo a equação esteqiométrica da reação :
CH3COOC2H5 + NaOH → CH3COONa + C2H5OH A taxa de velocidade de reação é dada pela expressão :
(-r A) = kC AC B
ondek = 110 cm3/(mol s) a 25oC.
10) Determine o volume de um reator de tanque agitado e o volume de um reator tubular para processar, em estado estacionário, 30 m3/dia de solução de acetato de etila 0,5 molar a 25oC, de modo a alcançar uma conversão de 75%, adicionando uma quantidade equimolar de hidróxido de sódio, segundo a equação esteqiométrica da reação :
CH3COOC2H5 + NaOH → CH3COONa + C2H5OH A taxa de velocidade de reação é dada pela expressão :
(-r A) = kC AC B
ondek = 110 cm3/(mol s) a 25oC.
11) Para a reação irreversível em fase gasosa
A→ 2B
a seguinte correlação foi determinada a partir de dados de laboratório. A concentração inicial de A é de 0,2 mol/L.
(
)
Para : Para : X r m s mol X r X m s mol A A A A A ≤ − = ⋅ > − = + − ⋅ 0 5 1 3 0 0 5 1 3 0 10 0 5 3 3 , , , , ,A taxa volumétrica de alimentação é de 5,0 m3/s.
a) Em que intervalo de conversões, os volumes de um reator PFR e de um CSTR são iguais ? b) Que conversão será alcançada em um reator CSTR que tem um volume de 90 litros ?
c) Qual deverá ser o volume de um reator PFR para alcançar uma conversão de 70% ?
d) Qual deverá ser o volume de um reator CSTR para receber o efluente do item c) e elevar a conversão até 90% ?
e) Se a reação for efetuada em um reator descontínuo a pressão constante no qual A puro é alimentado, quanto tempo será gasto para atingir uma conversão de 40% ?
12) A reação irreversível não elementar em fase gasosa A + 2B→ C
deverá ser realizada isotermicamente em um reator descontínuo a pressão constante. A alimentação está a uma temperatura de 227 oC, uma pressão de 1013 kPa e sua composição é 40% A e 60% B. Dados de laboratório obtidos sob as mesmas condições fornecem a tabela abaixo :
-r A (mol/dm3⋅s) ×
103
0,010 0,005 0,002 0,001
XA 0,0 0,2 0,4 0,6
a) Estime o volume necessário de um reator tubular para alcançar uma conversão de 0,4 de A (desde que seja possível), para uma vazão volumétrica de entrada de 2 dm3/min.
