Cinética e Cálculo de Reatores Hêda Míriam

O que é um reator ? 1 -É um vaso de pressão de aço inox com capacidade de suportar altas temperaturas e pressões dentro dos limites pré – estabelecidos através de estudos. 2 -É um tanque no qual pode ser aberto para realizar misturas ou fechado para suportar reação e pressão gerada durante o processo de fabricação de um determinado produto.

Conforme Fogler : “ A cinética e o projeto de reatores químicos estão no âmago da produção de quase todos os produtos químicos industriais.” “ A seleção de um sistema de reação que opere da forma mais segura e eficiente pode ser a chave para o sucesso ou o fracasso de uma instalação química.”

Conforme Levenspiel: “ As matérias – primas são submetidas a um determinado número de etapas de tratamento físico de modo a torná-las aptas a reagir quimicamente no interior do reator. Os produtos da reação devem então ser submetidos a tratamentos físicos subseqüentes – separações, purificações etc. – de modo a se obter o produto final desejado.”

OPERAÇÕES UNITÁRIAS Etapas de tratamento químico Etapas de tratamento físico Etapas de tratamento físico REATOR

Objetivo s Familiarizar estudantes com a terminologia e conceitos das Engenharias das Reações Químicas. Desenvolver o uso da Cinética Química no projeto de reatores químicos. Desenvolver e reforçar habilidades matemáticas necessárias para o projeto de reatores químicos.

Estrutura: Balanço de massa Adsorção Engenharia das reações químicas Leis de velocidade Adsorção Difusão Balanço de energia Estequiometria

EQUAÇÃO DE DESEMPENHO Esta equação relaciona a entrada e saída do reator. ALIMENTAÇÃO Reator SAÍDA Modos de contato: como o material interage e escoa no reator quando se mistura, sua aglomeração ou estado de agregação. Cinética: de que forma as coisas acontecem

Cinética Química É a parte da química que estuda a velocidade ou o grau de velocidade das reações químicas. Há reações que se completam em frações de segundos ( reações explosivas) e outras que levam até milhões de anos , como as de formação do diamante e outros minerais na crosta terrestre.

Através do estudo cinético, pode-se ter : a rapidez com que um medicamento é capaz de agir; se a formação e a depreciação do ozônio na atmosfera superior estão em equilíbrio; o desenvolvimento de catalisadores para melhorar a eficiência de processos industriais ou para a síntese de novos materiais.

Fatores que afetam na velocidade de reação As velocidades de todas as reações químicas estão sujeitas aos mesmos princípios básicos. Estados físico dos reagentes : os reagentes devem entrar em contato para que reajam. Quanto mais rapidamente as moléculas se chocam, mais rapidamente elas reagem. A maioria das reações ocorrem com os reagentes numa única fase como aquelas envolvendo gases ou em solução líquida.

Fatores que interferem na velocidade de reação ( cont.) Quando as reações envolvem reagentes em fases diferentes ( sistema heterogêneo), a reação está limitada à superfície de contato entre eles. 2. Concentração dos reagentes : a maioria das reações químicas ocorrem mais rapidamente quanto maior for a concentração dos reagentes. Na queima de um combustível em presença de ar, quanto maior a concentração de oxigênio no ar, maior será a velocidade de queima.

Fatores que interferem na velocidade de reação ( cont.) À medida que a concentração aumenta, aumenta a frequência com a qual as moléculas se chocam, levando a uma maior probabilidade de quebra de ligações e, portanto, maior velocidade de reação.

Fatores que interferem na velocidade de reação ( cont.) 3. Temperatura na qual ocorre a reação: o aumento de temperatura sempre gera um aumento na velocidade de reação. Esse aumento de temperatura leva a um aumento na energia cinética das substâncias , com isso aumenta o número de choques com energia suficiente à quebra de ligações( choque efetivo),conseqüentemente, aumenta a velocidade de reação. Esse foi o princípio norteador na construção da geladeira.

Fatores que interferem na velocidade de reação ( cont.) 4. Presença de um catalisador: considerando catalisador aquele agente que aumenta a velocidade de reação sem dela participar; eles afetam nos tipos de colisão que levam à reação, dando superfície de contato ou alterando o mecanismo, de forma a aumentar o número de choques efetivos o que leva a uma maior velocidade de reação.

Velocidade de reação Velocidade de reação, ou taxa de reação, é a variação da concentração molar de reagentes ou produtos, por unidade de tempo. É geralmente expressa em mol/L.s. Considerando a reação hipotética: A B representada nas figuras seguintes:

Velocidade de reação V média = ∆ conc./∆ t t(s) 20 40 A B 20 40 A (mol) 1,0 0,54 0,30 B ( mol) 0,46 0,70 Fonte: Brown; LeMay; Bursten Química - A ciência central Supondo o volume de 1 L, determine a taxa média de aparecimento de B no intervalo de 0 a 20 segundos e a taxa média de desaparecimento de A no intervalo de0 a 20sege de 20 a 40 segundos.

Variação da velocidade com o tempo Considerando uma reação química real: C4H9Cl (aq ) + H2O( L ) C4H9OH( aq) + HCl ( aq) A tabela abaixo apresenta dados experimentais dessa reação Fonte: Brown; LeMay; Bursten Química - A ciência central

Velocidade média e velocidade instantânea

Velocidade média e velocidade instantânea Concentração molar

Variação da velocidade com o tempo Qual a velocidade instantânea a 600s? Qual a velocidade instantânea em t=0 ( velocidade inicial) ?

Velocidade de reação e estequiometria O que ocorre quando as relações estequiométricas não são de 1: 1 ? Na reação : 2 HI( g ) H2 ( g ) + I2 ( g ) Para cada 2 mol de HI que desaparecem, são originados 1 mol de H2 ( g ) e 1 mol I2 ( g ), o que podemos concluir que a velocidade de HI, é o dobro da velocidade de iodo e da do hidrogênio. A velocidade média da reação pode ser expressa por: Vda reação = VHI/2 = VH2 /1 = VCl2/1

Velocidade de reação e estequiometria Generalizando : a A + b B c C + d D Vreação = VA / a = VB / b = VC/c = VD / d Como a velocidade de desaparecimento do ozônio relaciona-se com a velocidade de aparecimento do oxigênio ? Se a velocidade de aparecimento de gás oxigênio , em determinado instante é 6,0 .10-5 mol/L.s , qual será a velocidade de desaparecimento do ozônio e a velocidade da reação?

Lei de velocidade Com base na equação genérica, a A + b B c C + d D , a lei de velocidade geralmente é expressa por : V= K [A]a[B]b . A constante K é chamada constante de velocidade e está diretamente relacionada com a temperatura.Os expoentes a e b são geralmente números inteiros e nas reações elementares, coincidem com os coeficientes estequiométricos. A soma dos expoentes na equação de velocidade é chamada de ordem de reação.

Lei de velocidade Com esses dados pode-se calcular a constante cinética da reação. K= 2,7 x 10-4 mol-1 L s-1

Lei de velocidade A unidade da constante cinética depende da lei de velocidade.