UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
Escola de Engenharia de Lorena – EEL
Exercícios Efeitos de Temperatura em Reatores - Prof. Marco Antonio Pereira
Primeira Parte
Reação Reversivel Exotérmica de Primeira Ordem (∆H = -18.000 cal/mol)
Os exercícios a seguir são para uma reação exotérmica reversível de primeira ordem e devem ser
resolvidos com o auxílio do gráfico de temperatura versus conversão com curvas de velocidade de reação
que segue como Anexo A desta série de exercício.
1 – (P4 –1997) - Determinada fábrica utiliza em seu parque industrial um reator tubular que opera a
reação reversível A ⇔ R (∆H= -18.000 cal/mol), que em função de seus dados termodinâmicos pode ser
estudada graficamente. Sabe-se que neste reator obtém-se uma conversão de 40% de acordo com a
progressão ótima de temperatura a partir de uma temperatura de trabalho inicial de 60ºC. A fábrica deseja
aumentar a sua produção e com tal finalidade possui um reator de mistura disponível que será acoplado a
saída do reator tubular. Com o reator de mistura nas melhores condições possíveis de velocidade de
reação e temperatura a conversão aumenta para 90%. Sabe-se ainda que a capacidade calorífica global do
meio reacional é de cerca de 200 cal/mol A.ºC e que a alimentação e a descarga final do processo
industrial devem estar a 25ºC.
A - Faça um desenho de toda a instalação, mostrando todas as temperaturas e indicando em que
pontos da instalação devem ser colocados trocadores de calor.
B - Desenhe as linhas da evolução da Temperatura no diagrama abaixo
2 – (P2 – 2004) - Em uma planta industrial com um reator de mistura, o reagente é introduzido a
25ºC, e a faixa permissível de operação deste reator situa-se entre 5 e 95 ºC. A concentração molar igual é
de 0,5 moles/L e Cp = 250 cal/mol K. Os produtos após a reação são resfriados para a temperatura de 25
ºC e velocidade molar de alimentação é de 1.000 moles/min.
A) Determine o tempo espacial, deste reator para 80% de conversão. (τ = 8 min)
B) Faça um croqui do reator e mostre a localização dos trocadores de calor e determine a troca de
calor necessária em cada um deles
3 – (P2 – 2005) - Uma reação reversível exotérmica de primeira ordem (A ⇔ R ) é testada em
reatores contínuos nas melhores condições possíveis de velocidade de reação a partir das seguintes
condições globais de operação:
Dado
Capacidade calorífica média da mistura
Velocidade molar de alimentação do reagente A
Temperatura máxima permissível
Concentração Molar Inicial
Cp
FAo
T
CAo
Valor (unidade)
250 cal/molºC
100 moles/min
100oC
5 moles/litro.
DETERMINAR:
A - Qual o volume de um reator tubular para uma conversão de 70%? (V = 18,4L)
B - Se um reator de mistura adiabático for acoplado a esse reator, qual será o seu volume para ter
uma conversão de 80%. Quais serão as temperaturas de entrada e saída desse segundo reator?
C – Qual a conversão de saída para um único reator tubular cujo volume seja o dobro do volume
calculado no item A? (XA = 0,81)
4 - (P2 – 2006) - A reação reversível exotérmica de primeira ordem (A ⇔ R) deve ocorrer em um
reator até uma conversão máxima de 80 % conforme a curva de progressão ótima de temperatura. Para
esta condição de reação, deseja-se saber:
A) Qual o volume de um reator tubular? (V = 105,5l)
B) Qual a temperatura de entrada e de saída deste reator?
C) Quais as conversões parciais no reator tubular para 20%, 40%, 60% e 80% do volume total
encontrado? Esboce uma curva do comprimento do reator versus a conversão.
Dados: T máxima = 60oC;
CAo = 1,20 M e
FAo = 50 moles/min
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5 – Utilizando a curva de progressão ótima de temperatura para uma reação exotérmica reversível
(∆H = -18.000 cal/mol) :
A – Calcular o tempo espacial necessário para uma conversão de 80% (τ = 96 seg)
B – Plotar um gráfico com o perfil da temperatura e Conversão ao longo do comprimento do reator
Admitir CAo = 1M e Temperatura máxima permissível = 95oC
6 – (Exame – 2002) - A reação reversível exotérmica de primeira ordem ( A ⇔ R ) deve ocorrer
em um conjunto de três reatores de mistura operando em série conforme o esquema abaixo.
Este conjunto de reatores possui as seguintes condições globais de operação:
• Capacidade calorífica média da mistura: Cp = 250 cal/mol ºC
• Velocidade molar de alimentação dói reagente A = 2.000 moles/min
• Temperatura máxima permissível: 80ºC
• Concentração Molar Inicial: = 4 moles/litro.
As condições de operação especificas de cada reator são as seguintes:
• Primeiro reator ⇒ opera isotermicamente a temperatura máxima permissível até que a sua
conversão seja de 30%.
• Segundo reator ⇒ opera segundo a progressão ótima de temperatura, até que a sua
conversão atinja 60%.
• Terceiro reator ⇒ opera adiabaticamente até que a sua conversão atinja 80%.
Determinar:
A) O volume de cada um dos reatores;
B) As temperaturas de entrada e de saída em cada um dos reatores
R:
A) V1 = 125 L /
V2 = 375 L / V3 = 1000 L
B) T1 = 80ºC / T2 = 80ºC / T3 = 80ºC / T4 = 76ºC / T5 = 48,6ºC / T6 = 63ºC
7 – (P2-1997) - A reação exotérmica de primeira ordem A ⇔ R é realizada em um conjunto de
reatores de mistura de acordo com o seguinte esquema:
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Reator
1
2
3
4
Condições de Operação
Evolução de Temperatura
Adiabático
Isotérmicamente na T de saída do reator 1
Progressão ótima de Temperatura
Progressão ótima de Temperatura
XA
15
25
50
80
Determine:
A) as temperaturas de entrada e saída (T1 a T8) em cada um dos reatores;
B) o volume de cada um dos reatores (em litros);
C) o fluxo de calor envolvido em cada um dos reatores (cal/mol).
Dados:
1) Cp = 170 cal/mol ºC.
2) Velocidade molar de A puro = 40 moles/min.
3) Temperatura máxima permissível = 100 ºC.
4) Concentração molar inicial de A = 0,30 moles/litro.
R)
A)
T1 = 84ºC / T2 = 100ºC / T3 = 100ºC / T4 = 100ºC / T5 = 95ºC
T6 = 79 ºC / T7 = 79 ºC e
T8 = 61 ºC
B)
V1 = 6,7L / V2 = 7,4L / V3 = 55,5L / V4 = 408L
C)
Q12 = 0 / Q23 = 0 / Q34 = - 1800cal/mol
/ Q45 = - 850cal/mol
Q56 = - 7220 cal/mol / Q67 = 0 / Q78 = - 8460 cal/mol
8 – (P2 - 2004) - Para a reação reversível de primeira ordem (A ⇔ R), tem-se os seguintes dados:
Cp = 200 cal/mol ºC, CA0 = 1,2 moles/litro, FA0 = 240 moles de A/min , T permissível = 80 ºC e T de
entrada dos reagentes = 25 ºC e T saída dos produtos = 25 ºC
Determinar:
A) O volume de um reator tubular para uma conversão de 80% conforme a progressão ótima de
temperatura; (V = 348,3L)
B) A troca de calor envolvida na corrente de alimentação, no reator e na corrente que deixa o reator
tubular acima; (V = 1.600L)
C) O volume de um reator de mistura necessário para alcançar uma conversão de 80%;
D) A troca de calor envolvida na corrente de alimentação, no reator e na corrente que deixa o
reator de mistura acima.
9 – (Exame 2002) - A reação reversível exotérmica de primeira ordem (A ⇔ R) é testada em
reatores contínuos a partir das seguintes condições globais de operação:
• Capacidade calorífica média da mistura: Cp = 250 cal/mol ºC
• Velocidade molar de alimentação do reagente A = 100 moles/min
• Temperatura máxima permissível: 90ºC
• Concentração Molar Inicial: = 5 moles/litro.
Para estas condições de alimentação, determinar o que segue.
A - Qual o volume do reator tubular para uma conversão de 70%;
B - Quais as trocas de calor na alimentação, no reator e no fluxo que deixa o reator (considere que
a alimentação e o produto devem estar a 25 ºC)
C) Se um reator de mistura adiabático for acoplado a esse reator, qual será o seu volume para ter
uma conversão de 80%. Quais serão as temperaturas de entrada e saída desse 2º reator.
R:
A) V = 18,8 L
B) Q1 = 1.625 Kcal/min / Q2 = - 1.725 Kcal/min / Q3 = - 1.100 Kcal/min
C) V = 20 L / TE = 54,8 ºC / TS = 62 ºC
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10 – (P2 – 2006) - A reação reversível exotérmica de primeira ordem ( A ⇔ R ) deve ocorrer em
dois reatores de mistura até que a conversão final do processo atinja 70%, operando ambos os reatores
sempre na melhor condição de velocidade e temperatura permitidas para esta reação a partir de uma
o
temperatura máxima permissível de 95 C
A – Qual deve ser o volume de cada um dos 2 reatores a fim de minimizar o volume total ?
B – Qual a temperatura de operação de cada um destes reatores?
C – Faça um croqui demonstrando de forma simplificada os reatores e os trocadores de calor que
devem ser instalados nesta planta, adotando-se que a temperatura inicial da alimentação e da retirada final
dos produtos deva ser de 25oC. Calcule as taxas de transferência de calor de cada uma das etapas.
Dados :
Cp = 250 cal/mol.oC
FAo = 120 moles/min
CAo = 1,8 moles/L
Resposta: A) V1 = 43,2L; V2 = 71,4L
11 – (P2 – 2003) - A reação reversível exotérmica de primeira ordem (A ⇔ R com ∆H = -18.000
cal/mol) é realizada na seguinte instalação industrial:
As condições de operação destes reatores são as seguintes:
Reator
Tipo de
Reator
CSTR
PFR
CSTR
Perfil de Temperatura
Conversão
Obtida
40%;
60%
80%
1
Isotermicamente na temperatura máxima permissível
2
Progressão ótima de temperatura
3
Adiabaticamente
Dados:
CA0 = 3 moles/litro
Velocidade Molar = 200 moles/minuto;
Cp = 400 cal/mol A ºC.
T máxima permissível = 80oC
Determine:
A) As temperaturas T1 a T6
o
o
T1 ( C)
T2 ( C)
o
o
T3 ( C)
B) O volume de cada um dos reatores
V1 (L)
o
T4 ( C)
V2 (L)
T5 ( C)
o
T6 ( C)
V3 (L)
C) Se o volume do reator tubular dobrar, qual será a nova conversão a ser obtida nele? (XA = 0,70)
D) E no reator de mistura subseqüente, mantido o seu volume constante, conforme já calculado,
qual será a nova conversão a ser obtida nesta nova situação? (R: XA = 0,645)
12 – (Exame – 2001) - Uma instalação industrial opera uma reação exotérmica reversível de
primeira ordem (A ⇔ R com ∆H = -18.000 cal/mol) com uma temperatura máxima permissível de 70oC.
A corrente de alimentação possui uma concentração molar de 1,2 M e uma velocidade molar de
150 moles/min.
Sua fábrica dispõe de 2 reatores sendo um deles um reator tanque com agitação contínua de 800 L
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e o outro um reator tubular de 180 L.
Toda a sua linha de produção será montada em função destes dois reatores dispostos em série,
sendo que o reagente inicialmente e os produtos e reagentes não convertidos ao final do processo devam
estar a Temperatura Ambiente (25oC).
Você deverá testar 2 esquemas diferentes destes reatores operando em série :
A)
com o reator de mistura primeiro e o reator tubular em seguida.
B)
com o reator tubular primeiro e o reator de mistura em seguida.
Uma representação esquemática do funcionamento destes reatores é mostrado abaixo :
T1
T2
T3
T4
T5
T6
Para cada uma das situações acima propostas, calcular:
A) As conversões de entrada e de saída de cada um dos reatores;
B) As temperaturas (T1 a T6)
C) Os fluxos de calor (Kcal/min)
Dados: Cp = 200 cal/mol.oC
O reator de mistura, em qualquer dos dois casos, opera isotermicamente.
O reator tubular, em qualquer dos dois casos, opera na curva de progressão ótima de Temperatura.
Respostas (algumas):
XA2 T3 (oC) T5 (oC) Q23
Q34
Q45
Q56
i
0,88
64
57
-2.106
-480
ii
0,90
67
55
-360
-900
13 – A reação reversível de primeira ordem exotérmica (∆H = -18.000 cal/mol) é realizada a partir
de CAo = 4m e Cp = 250 cal/mol.K. Determinar o volume de um reator tubular:
A) para uma conversão de 90% conforme a curva de progressão ótima de temperatura. (V ≅ 9,4L)
B) que opere adiabaticamente nesta conversão de 90%. (V ≅ 57L)
Dados: T máxima permissível = 95oC e
FAo = 10 moles/min
14 – (P2 – 2001) – A reação reversível exotérmica de primeira ordem (A ⇔ R a com ∆H = -18.000
cal/mol) deve ocorrer em um reator de mistura até uma conversão máxima de 80% na curva de progressão
ótima de temperatura.
A) Qual o volume deste reator ? Quais as temperaturas de entrada e saída desse reator ?
B) Um segundo reator de mistura com o volume igual ao primeiro é colocado em série. Qual a
conversão de saída deste segundo reator? (XA = 0,93)
C) Se um reator tubular de volume igual ao reator de mistura encontrado for utilizado, qual a
conversão deste reator tubular? (XA = 0,96)
Dados :
T máxima = 85oC ,
FAo = 120 moles/h ,
CAo = 0,5 mol/L
15 – (P2 – 2001) - Uma instalação industrial opera uma reação exotérmica reversível de primeira
ordem (A ⇔ R a com ∆H = -18.000 cal/mol) com uma temperatura máxima permissível de 80 °C. A
corrente de alimentação possui 100 moles por minuto e CAo = 0,5 mol/L.
Sua fábrica possui disponível dois reatores, sendo um deles um reator tubular de 250 L e o outro
um reator tanque com agitação contínua de 400 L..
Você dispõe, em princípio de três diferentes arranjos para se expor esses reatores:
i) operar em série, com o reator tubular primeiro e com o reator de mistura em seguida.
ii) operar em série, com o reator de mistura primeiro e com o reator tubular em seguida.
iii) operar ambos os reatores em paralelos com a vazão dividida pela metade entre os reatores.
A) Operando sempre na melhor condição de temperatura possível, respeitada a temperatura
máxima permissível, qual dos três arranjos conduz a melhor conversão final?
B) É possível com a variação da vazão no esquema dos dois reatores em paralelo, otimizar ainda
mais a conversão final encontrada acima ? Como ? Qual será a esta nova conversão final ?
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Segunda Parte
Reação Reversivel Endotérmica de Primeira Ordem (∆H = 25.350 cal/mol)
Os exercícios a seguir são para a reação a reação endotérmica de primeira ordem reversível e devem ser
resolvidos com o auxílio do gráfico de temperatura versus conversão com curvas de velocidade de reação
que segue como Anexo B desta série de exercicio.
1 – (P2 – 2004) - Para a reação endotérmica reversível (A ⇔ R), sabendo-se que a temperatura
máxima permissível de operação é 55ºC e que a alimentação sempre opera com uma vazão molar de 4
moles/min, determine o volume de um reator:
A) de mistura para uma conversão de 50% de uma alimentação com CA0= 2,4 M e a uma
temperatura de 55ºC.
B) de mistura para uma conversão de 80% de uma alimentação onde CA0 = 4,8 M e a uma
temperatura de 50ºC.
C) tubular para uma conversão de 50% de uma alimentação onde CA0 = 1,2 M e que opera
isotermicamente a uma temperatura de 45ºC.
D) tubular para uma conversão de 80% de uma alimentação onde CA0 = 3 M e que opera
isotermicamente a uma temperatura de 40ºC
R:
A) V = 23,8 mL
B) V = 95,2 L
C) V = 214 mL
D) V = 579 mL
2 – (P2 - 2006) – Uma reação endotérmica reversível de primeira ordem, do tipo A ↔ R, cujo
gráfico cinético de conversão versus temperatura é apresentado em anexo, é realizada a partir das
seguintes condições de alimentação:
Concentração Molar Inicial = CA0 = 5 moles/litro e
Velocidade Molar Inicial =
FA0 = 200 mol/min
Sabe-se que esta reação possui um Cp = 600 cal/mol K e que a temperatura máxima permissível
que pode ser utilizada é de 50 ºC.
Se utilizarmos um reator tubular, determine:
A) O volume necessário para uma conversão de 70%.
B) As trocas de calor na corrente de alimentação, no reator e na corrente de saída, admitindo que
a alimentação e o produto devem estar a 25 ºC.
Se utilizarmos um reator de mistura, determine:
C) O volume necessário para uma conversão de 70%.
D) As trocas de calor na corrente de alimentação, no reator e na corrente de saída, admitindo que a
alimentação e o produto devem estar a 25 ºC
3 - (P2 – 2006) - A reação reversível endotérmica de primeira ordem A ⇔ R (gráfico cinético de
conversão versus temperatura em anexo) onde Cp é de 800 cal/molºC e onde a temperatura máxima
permissível é de 55ºC é realizada em um reator de mistura.
Para uma velocidade molar de 200 moles/min e uma concentração molar inicial de 2 M,
determinar:
A) As temperaturas de entrada e de saída, o volume do reator e a quantidade de calor trocada se
a operação ocorrer de acordo com a progressão ótima de temperatura até uma conversão de
50%.
B) As temperaturas de entrada e de saída, o volume do reator e a quantidade de calor trocada se
a operação ocorrer adiabaticamente até uma conversão de 50%.
Caso seja colocado na saída do reator de mistura adiabático um segundo reator de mistura em série
com o objetivo de se atingir uma conversão final de 80%, determinar:
C) As temperaturas de entrada e de saída, o volume deste reator e a quantidade de calor trocada
se a operação neste segundo reator ocorrer na máxima velocidade para se obter o menor
volume.
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4 – (P2 – 2004) - Para a reação endotérmica reversível de primeira ordem com Cp = 1000
cal/molºC, analisar as questões abaixo propostas e resolvê-las:
A) Utilizando um reator tubular com CA = 0,5 moles/L e FAo = 400 moles/min, qual deverá ser o
volume do reator para se obter uma conversão de 70 % ?
B) Considerando que a alimentação e o produto devem estar a 25ºC, quais serão as trocas de
calor na alimentação, no reator e no fluxo que deixa o reator ?
C) Se a operação fosse realizada adiabaticamente, qual seria a conversão máxima a ser obtida ?
Explique como você chega a esta conclusão
D) Se o reator tubular encontrado no item A, fosse utilizado adiabaticamente, qual seria a
conversão do mesmo ?
OBS: A temperatura máxima permissível é 40ºC
R:
A) V = 257,6 L B) QA = 6.000 Kcal/min
QB = 7098 Kcal/min
QC = - 6.000 Kcal/min
C) XA = 0,79
D) XA = 0,29
5 – (P2 – 2005) - Uma determinada reação reversível endotérmica de primeira ordem (gráfico em
anexo) é realizada em um reator de mistura a partir da seguinte condição de alimentação: 30 moles de
reagente por minuto a uma concentração molar de 2,2 mol/L. Para esta reação a temperatura máxima
permissível a ser utilizada deve ser de 40ºC.
Dado: Cp = 600 cal/mol K
Para uma conversão desejada de 50% neste reator de mistura utilizado, CALCULAR a temperatura
de entrada, a temperatura de saída, o volume do reator, a quantidade de calor trocada no reator:
A) se a operação ocorrer de acordo com a progressão ótima de temperatura
B) se a operação ocorrer adiabaticamente
Deseja-se instalar na saída do reator de mistura, um reator tubular para operar em série
isotermicamente na temperatura de saída do reator de mistura até uma conversão de 60%.
C) qual o volume deste reator operando na temperatura de saída referente à curva de progressão
ótima de temperatura (item A);
D) qual o volume deste reator operando na temperatura de saída referente à operação adiabática
(item B).
R:
A) Te = 40oC
Ts = 40oC;
V = 3,41 L;
Q = 380,25 Kcal/min
o
B) Te = 40 C;
Ts = 18,87oC;
V = 757 L;
Q = 380,25 Kcal/min
C) V = 0,816 L;
D) V = 230,1 L
6 – (P1 - 2001) - A reação reversível de primeira ordem endotérmica (A ⇔ R com ∆H = 25.350
cal/mol) é conhecida e o seu gráfico de conversão versus Temperatura já foi determinado e encontra-se em
anexo.
o
Admitindo-se que uma solução de Cp = 800 cal/mol. C com uma velocidade molar de 120
moles/hora e uma concentração inicial de 4 moles/L é introduzida em um reator de mistura, operando na
temperatura máxima permissível de 55°C, determinar
A) as temperaturas de entrada e de saída, o volume do reator e a quantidade de calor trocada se a
operação ocorrer de acordo com a progressão ótima de temperatura até uma conversão de 65%
B) as temperaturas de entrada e de saída, o volume do reator e a quantidade de calor trocada se a
operação ocorrer adiabaticamente até uma conversão de 65%
C) considerando-se que um segundo reator de mistura possa ser colocado em série na saída do
reator que mistura adiabático, e que este reator atingirá uma conversão final de 80% trabalhando na melhor
condição de velocidade possível, determine as temperaturas de entrada e de saída, o volume desse reator
e a quantidade de calor trocada para a estas condições agora apresentadas..
R:
A) Te = 55 ºC
Ts = 55 ºC
V = 0,0108 L
Q = 32,96 Kcal/min
B) Te = 55 ºC
Ts = 34,4ºC
V = 1,015 L
Q=0
C) T1 = 55 ºC
T2= 34,4ºC
T3= 34,4ºC ou 55oC
T4= 55ºC
Q = 40,56 Kcal/min (se T3 = 34,4ºC) ou Q = 7,61 Kcal/min (se T3 = 55ºC)
V = 0,00375 L
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7 - (P2 – 2002) - A reação reversível endotérmica de primeira ordem A ↔ R (∆H = 25350
cal/mol) ocorre na instalação industrial a partir de uma corrente de alimentação com concentração de 4
moles/litro e uma velocidade de 200 moles/minuto; conforme mostrado a seguir:
As condições de operação para cada reator são as seguintes :
Reator
Forma de Operação
A
isotermicamente na temperatura máxima permissível
B
Progressão ótima de temperatura
C
Adiabaticamente
Considere Cp = 400 cal/mol A ºC e Temperatura máxima permissível = 30oC.
XA
30%
50%
70%
Determine:
A) As temperaturas T1 a T6;
B) O volume de cada um dos reatores;
C) Indique no desenho da instalação os pontos em que devem ser instalados trocadores de calor e
calcule todas as trocas de calor necessárias em cada um destes pontos.
R:
A) T1 = 30 ºC / T2 = 30 ºC / T3 = 30 ºC / T4 = 30 ºC / T5 = 30 ºC / T6 = 17,3 ºC
B) VA = 60 L / VB = 46,2 L / Vc = 10.000 L
8 – (P2 – 2000) Uma instalação industrial opera uma reação endotérmica reversível de primeira
ordem ( A ⇔ R com ∆H = 25.350 cal/mol) com uma temperatura máxima permissível de 50oC. A
corrente de alimentação opera com 100 moles de A/min e CAo = 1,2 moles/L.
A ) Um reator de mistura de 200 L é instalado para funcionar adiabaticamente. Qual a conversão
neste reator ? Quais as temperaturas de entrada e de saída deste reator ?
B ) Deseja-se aumentar a conversão final do processo e para tal dispõe-se de um reator tubular de
5 L que é acoplado na saída do reator de mistura. Este reator deverá operar com a progressão ótima de
temperatura.
Qual a conversão neste reator ? Quais as temperaturas de entrada e de saída deste reator ?
o
Dado : Cp = 1200 cal/mol. C
B) XA = 0,96 ; Te = Ts = 50ºC
R)
A) XA = 0,72 ; Te = 50ºC e Ts = 53ºC
9 – (Exame – 2002) - Uma instalação industrial opera uma reação endotérmica reversível de
o
primeira ordem (A ⇔ R com ∆H = 25.350 cal/mol) com uma temperatura máxima permissível de 50 C.
A corrente de alimentação opera com 50 moles de A/min e CAo = 1,35 moles/L.
A ) Um reator de mistura de 5 L é instalado para funcionar adiabaticamente. Qual a conversão
neste reator ? Quais as temperaturas de entrada e de saída deste reator ?
B ) Deseja-se aumentar a conversão final do processo e para tal dispõe-se de um reator tubular de
10 L que é acoplado na saída do reator de mistura. Este reator deverá operar com a progressão ótima de
temperatura. Qual a conversão neste reator ? Quais as temperaturas de entrada e de saída deste reator ?
Dado : Cp = 1200 cal/mol.oC
R: B – XA = 0,995 e Te=Ts = 50oC
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10 – (P2 – 2003) - A reação reversível endotérmica de primeira ordem deve ocorrer em um reator
de mistura até uma conversão máxima de 50% na curva de progressão ótima de temperatura.
A) Qual o volume deste reator ? Quais as temperaturas de entrada e saída desse reator ?
B) Um segundo reator de mistura com o volume igual ao primeiro é colocado em série. Qual a
conversão de saída deste segundo reator?
C) Se um reator tubular com a mesma capacidade do reator de mistura for utilizado em série, qual
a conversão neste reator tubular?
Dados :
A ⇔ R com ∆H = 25.350 cal/mol
T máxima = 40oC
FAo = 120 moles/h
CAo = 0,5 mol/L
R: C) XA2 = 0,80
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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
Escola de Engenharia de Lorena – EEL
Exercícios Efeitos de Temperatura em Reatores - Prof. Marco Antonio Pereira
Terceira Parte
Exercícios Complementares
CO2(g) + H2(g) é exotérmica e libera
1 - (P2 – 1997) - A reação química CO(g) + H20(g) →
cerca de 10.000 cal por mol de reação . Esta reação é feita em um reator tubular a 200oC e a conversão
atingida ao final da reação é de 48,5 %. Para que a reação química seja realizada dispõe-se de uma
alimentação constituída de uma mistura equimolar dos reagentes com uma velocidade de 200 moles/min e
a uma temperatura de 120oC. Deseja-se saber :
A - Qual o fluxo de calor (Q2) necessário para manter a reação isotérmica ?
B - Qual o fluxo de calor (Q1) necessário para aquecer a alimentação disponível de 120oC a 200oC?
o
C - Qual o fluxo de calor (Q3) necessário para resfriar a mistura de saída do reator de 200 C para
o
25 C ? Considere que não ocorre a condensação da água.
Dados : Capacidade calorífica média (cal/mol.oC)
CO(g)
H20(g)
CO2(g)
H2(g)
o
Cp (cal/mol C)
6,5
7,3
6,9
6,4
Obs: É necessário calcular a capacidade calorífica média da mistura na entrada do reator para o
cálculo de Q1 e da mistura na saída do reator para o cálculo de Q3
2 – (P2 – 2000) A obtenção de um produto R, formado a partir da reação exotérmica reversível de
primeira ordem ( A ⇔ R ) foi realizada em uma planta industrial que possuía dois reatores de mistura de
mesma capacidade em série. Toda a planta industrial, inclusive os dois reatores operam a temperatura
ambiente e constante (T = 25oC). A produção obtida foi de 52,50 moles de R por minuto e a conversão final
do processo foi de 70% na saída do segundo reator. Qual é o volume destes reatores ?
Dados :
CAo = 3,2 moles/L
k1 = 2,95x107e-11600/RT (min)-1
e k2 = 1,57x1018e-29600/RT (min)-1
Entretanto, o seu chefe vive lhe dizendo que não se conforma com os resultados obtidos nesta
planta industrial, pois o seu concorrente consegue atingir uma conversão maior e uma produção maior, o
que diminui o custo final do produto obtido. Você como profissional dedicado enxerga nesta planta
industrial a oportunidade de crescer dentro da Empresa e se dedica com afinco a estudar o assunto.
Inicialmente, você estuda a reação química e conclui que é possível realizá-la até 45oC, sem
nenhuma formação de produtos laterais indesejáveis ou decomposição dos reagentes. Além disto, você
descobre que existe uma carta cinética com os dados de Temperatura relacionados com a conversão e a
velocidade da reação.
Quais propostas você faria para melhorar o rendimento desta planta industrial operando com os
mesmos dois reatores ?
Escreva detalhadamente as suas propostas e prove numericamente a sua viabilidade, calculando
de quanto será a nova produção e/ou a conversão e como você chegou a estas conclusões.
Observação :
A - Considere a velocidade molar de alimentação e a concentração molar dos reagentes como
constante.
B - Despreze o eventual custo financeiro oriundo da necessidade do aquecimento desta planta ?
R:
A) XA = 0,453
B) XA1 = 0,72 e XA2 = 0,92
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