Tópico 4 dos exames profissionais para engenheiros químicos: Engenharia de Reações Químicas
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Este tópico foi editado pela última vez por zhanghp30 em 29/09/2019, às 14:19. 1. Conhecimentos especializados: (1) Taxa de conversão da reação xa, seletividade Sa, rendimento Ya. Xa = Quantidade de um determinado reagente a que se converteu / Quantidade inicial desse mesmo reagente a； Sa = Quantidade do reagente a consumida para a produção do produto desejado P / Quantidade de transformação do reagente a ； Ya = Quantidade do reagente a consumida para gerar o produto desejado P / Quantidade inicial do reagente a. Assim, Ya = Sa * Xa. Vale ressaltar que a unidade de medida do consumo mencionado acima é mol! Para uma reação simples, Sa=1, ya=Xa; para reações compostas, Sa
(7) Catalisadores e seu impacto na velocidade da reação (questão de múltipla escolha): Os catalisadores participam das reações químicas, mas sua massa e propriedades químicas permanecem inalteradas antes e depois da reação. Eles podem alterar a velocidade das reações diretas e reversas, mas não podem alterar o calor liberado durante a reação ou os estados inicial e final do sistema. Eles também não podem alterar o estado de equilíbrio, mas podem acelerar o tempo necessário para se atingir o equilíbrio. A ação catalítica é seletiva.
(8) Algumas conclusões úteis: Para reações de ordem positiva, a velocidade da reação diminui à medida que a taxa de conversão aumenta. Em reações irreversíveis e reações endotérmicas reversíveis, a velocidade da reação aumenta com o aumento da temperatura. Em reações exotérmicas reversíveis, a velocidade da reação é máxima no ponto ótimo de temperatura. Em reações reversíveis, a velocidade da reação é mínima quando se atinge o equilíbrio.
1). Em uma reação autocatalítica, quando a taxa de conversão é zero e não há produtos no sistema, qual é a velocidade da reação? A. Máxima B. Há um valor extremo C. Negativa D. Zero
2). Em um reator de fluxo contínuo, para uma reação de variação de volume, se &a>0, qual é a relação entre o tempo espacial T e o tempo médio de permanência t? A. Igual B. Menor C. Maior D. Próximo de C
3). Um catalisador não pode: A. Alterar os produtos da reação B. Alterar o equilíbrio da reação C. Alterar a velocidade da reação D. Inibir reações secundárias
4). Em uma série de reações A----B----D, com constantes de velocidade K1 e K2, se Ea2 > Ea1, para favorecer a formação de B, em princípio, deve-se: A. Aumentar a temperatura B. Reduzir a temperatura C. Remover rapidamente o produto D. Encurtar o tempo de reação
5). Se a entalpia de uma reação for -150 kJ/mol, qual será a energia de ativação da reação direta? A. Indeterminável B. Maior que 150 C. Menor que 150 D. Igual a 150
6). O vapor de CH3CHO sofre decomposição térmica a 791 K e pressão de 48,3 kPa, com tempo de meia-vida de 410 s. A pressão de 22,5 kPa resulta em tempo de meia-vida de 880 s. Qual é a ordem da reação? A. 0 B. 1 C. 2 D. 3
7). Se a energia de ativação de uma reação for 80 kJ/mol, e a temperatura aumentar de 100°C para 110°C, qual será a velocidade da reação em relação à original? A. 1 vez B. 2 vezes C. 3 vezes D. 4 vezes
8). A reação 2A-----P é de ordem 2. A diferença entre o tempo necessário para que 1/3 do A seja consumido e o tempo necessário para que 2/3 do A seja consumido é de 9 s. Qual é o tempo de meia-vida da reação? A. 6 s B. 8 s C. 12 s D. 16 s
9). Em uma reação de ordem 1 em fase líquida, à temperatura T, a velocidade inicial é r0 = 1×10^-5 mol.dm^-3.s^-1. Após 1 hora, a velocidade é r1 = 3,26×10^-6 mol.dm^-3.s^-1. Qual é a constante de velocidade da reação? A. 3,11×10^-4 s B. 2,11×10^-4 s C. 4×10^-4 s D. Indeterminável
10). Sabe-se que, a 25°C, a constante de velocidade de decomposição do NaOCl é k = 0,0093 s^-1. Aos 30°C, essa constante é k = 0,014 s^-1. Quantos segundos serão necessários para que 99% do NaOCl seja decomposto a 40°C? A 60 B 139 C 270 D 360 B
(8) Algumas conclusões úteis: Para reações de ordem positiva, a velocidade da reação diminui à medida que a taxa de conversão aumenta. Em reações irreversíveis e reações endotérmicas reversíveis, a velocidade da reação aumenta com o aumento da temperatura. Em reações exotérmicas reversíveis, a velocidade da reação é máxima no ponto ótimo de temperatura. Em reações reversíveis, a velocidade da reação é mínima quando se atinge o equilíbrio.
1). Em uma reação autocatalítica, quando a taxa de conversão é zero e não há produtos no sistema, qual é a velocidade da reação? A. Máxima B. Há um valor extremo C. Negativa D. Zero
2). Em um reator de fluxo contínuo, para uma reação de variação de volume, se &a>0, qual é a relação entre o tempo espacial T e o tempo médio de permanência t? A. Igual B. Menor C. Maior D. Próximo de C
3). Um catalisador não pode: A. Alterar os produtos da reação B. Alterar o equilíbrio da reação C. Alterar a velocidade da reação D. Inibir reações secundárias
4). Em uma série de reações A----B----D, com constantes de velocidade K1 e K2, se Ea2 > Ea1, para favorecer a formação de B, em princípio, deve-se: A. Aumentar a temperatura B. Reduzir a temperatura C. Remover rapidamente o produto D. Encurtar o tempo de reação
5). Se a entalpia de uma reação for -150 kJ/mol, qual será a energia de ativação da reação direta? A. Indeterminável B. Maior que 150 C. Menor que 150 D. Igual a 150
6). O vapor de CH3CHO sofre decomposição térmica a 791 K e pressão de 48,3 kPa, com tempo de meia-vida de 410 s. A pressão de 22,5 kPa resulta em tempo de meia-vida de 880 s. Qual é a ordem da reação? A. 0 B. 1 C. 2 D. 3
7). Se a energia de ativação de uma reação for 80 kJ/mol, e a temperatura aumentar de 100°C para 110°C, qual será a velocidade da reação em relação à original? A. 1 vez B. 2 vezes C. 3 vezes D. 4 vezes
8). A reação 2A-----P é de ordem 2. A diferença entre o tempo necessário para que 1/3 do A seja consumido e o tempo necessário para que 2/3 do A seja consumido é de 9 s. Qual é o tempo de meia-vida da reação? A. 6 s B. 8 s C. 12 s D. 16 s
9). Em uma reação de ordem 1 em fase líquida, à temperatura T, a velocidade inicial é r0 = 1×10^-5 mol.dm^-3.s^-1. Após 1 hora, a velocidade é r1 = 3,26×10^-6 mol.dm^-3.s^-1. Qual é a constante de velocidade da reação? A. 3,11×10^-4 s B. 2,11×10^-4 s C. 4×10^-4 s D. Indeterminável
10). Sabe-se que, a 25°C, a constante de velocidade de decomposição do NaOCl é k = 0,0093 s^-1. Aos 30°C, essa constante é k = 0,014 s^-1. Quantos segundos serão necessários para que 99% do NaOCl seja decomposto a 40°C? A 60 B 139 C 270 D 360 B
2. Conhecimentos sobre casos práticos 1). Em um reator de tipo tanque com agitação intermitente, ocorre uma reação homogênea: A + B → P. A cinética da reação é dada por -rA = k * CA * CB, onde k = 10^4 m^3.kmol^-1.h^-1. Quando as concentrações iniciais dos reagentes são ambas de 4 mol.m^-3, e a taxa de conversão de A é de 0,8, o reator consegue processar, em média, 41,04 mol de reagente A por hora. Agora, a reação será realizada em um reator de fluxo contínuo com diâmetro interno de 125 mm. As demais condições operacionais permanecem as mesmas. Determine o comprimento do reator. CA0 = CB0; portanto, -rA = k * CA². O tempo de reação tr é dado por tr = CA0 * f * dXA/(-rA) = XA/KCA0 * (1 - XA) = 0,1 h. O tempo de reação corresponde ao tempo de permanência no reator de fluxo contínuo. Portanto, r0 = FA0/CA0 = 41,04/4 = 10,26 m³/h. V = r0*t = 10,26*0,1 = 1,026 m³. O comprimento do tubo L = V/0,785*d² = 0,1026/0,785/0,125/0,125 = 84 m.
2) Em uma reação líquida irreversível de segundo grau, com concentração inicial de 5 kmol/m³, leva-se 285 s para que a reação atinja uma determinada concentração. Com concentração inicial de 1 kmol/m³, leva-se 283 s para se chegar à mesma concentração. Qual é o tempo necessário para passar da concentração inicial de 5 kmol/m³ para 1 kmol/m³? deta T=285-283=2s; é uma reação reversível em que o volume permanece constante antes e depois da reação. A parte que já reagiu não tem nenhum impacto sobre a reação. A qualquer momento durante o processo de reação, é possível considerá-lo como o momento inicial e o momento final. 3). Um fluido radioativo com meia-vida de 20 h passa a uma taxa de 0,1 m³/h por dois reatores de mistura homogênea de 40 m³ cada, conectados em série. Qual será a redução na radioatividade desse fluido? A radioatividade segue as leis de uma reação de primeiro grau. Assim, k = Ln2/k = 0,693/20 = 0,03465 h^-1. No reator de mistura homogênea, T = CA0 – CAf / -rA; este é o primeiro reator. 40/0,1 = (CA0 – CAf) / kCA0(1 – XA); XA = 0,9327. No segundo reator, a taxa de conversão continua sendo 0,9327. Portanto, a taxa de conversão total é: (CA0 – CA0(1 – XA)*(1 – XB)) / CA0 = 1 – (1 – 0,9327)*(1 – 0,9327) = 0,9955. 4) Reação complexa em fase líquida: A + B → P(1) ； A+P------S(2): A concentração inicial é CA0=2,0 mol/l, CB0=4,0 mol/l, enquanto CP0 e CS0 são 0. A reação ocorre em um reator intermitente. As concentrações medidas são CA=0,3 mol/l e CB=2,4 mol/l. Qual é então a concentração de P e S? Com B como referência, qual é a seletividade do reagente B e qual é a taxa de obtenção do produto? 1. A quantidade de A consumida = (CB0 – CB) = 4 – 2,4 = 1,6 ； Na reação 2, a quantidade de A consumida é igual a (2 – 0,3) – 1,6 = 0,1. Portanto, Cs = 0,1. A concentração do produto P é igual à quantidade de P produzida menos a quantidade de P consumida: Cp = 1,6 – 0,1 = 1,5. Considerando B como referência, a seletividade da reação é dada por B = Cp/(CB0 – CB) = 1,5/4 – 2,4 = 0,9375. A taxa de obtenção do produto P é Cp/CB0 = 1,5/4 = 0,375. 5) Uma reação de decomposição em fase gasosa de primeiro grau: A → 3P ； A reação é realizada em um reator tubular isotérmico. Os materiais de partida contêm 50% do composto a reagir e 50% de material inerte. O tempo de permanência dos reagentes no reator é de 10 minutos. Nesse caso, o fluxo volumétrico na saída do sistema torna-se 1,5 vezes maior que o original. Determine a taxa de conversão do composto A e a constante de velocidade da reação. O fator de expansão SA = 3 – 1/1 = 2. A taxa de expansão EA = SA * yA0 = 2 * 0,5 = 1. V = V0(1 + EA * XA); portanto, V/V0 = 1,5. XA = 0,5. T = CA0 * f * dXA/(-rA) = f * dXA/(k * (1 - XA)/(1 + XA)). Para T = 10 e XA = 0,5, obtém-se k = 0,08863 L/min
2) Em uma reação líquida irreversível de segundo grau, com concentração inicial de 5 kmol/m³, leva-se 285 s para que a reação atinja uma determinada concentração. Com concentração inicial de 1 kmol/m³, leva-se 283 s para se chegar à mesma concentração. Qual é o tempo necessário para passar da concentração inicial de 5 kmol/m³ para 1 kmol/m³? deta T=285-283=2s; é uma reação reversível em que o volume permanece constante antes e depois da reação. A parte que já reagiu não tem nenhum impacto sobre a reação. A qualquer momento durante o processo de reação, é possível considerá-lo como o momento inicial e o momento final. 3). Um fluido radioativo com meia-vida de 20 h passa a uma taxa de 0,1 m³/h por dois reatores de mistura homogênea de 40 m³ cada, conectados em série. Qual será a redução na radioatividade desse fluido? A radioatividade segue as leis de uma reação de primeiro grau. Assim, k = Ln2/k = 0,693/20 = 0,03465 h^-1. No reator de mistura homogênea, T = CA0 – CAf / -rA; este é o primeiro reator. 40/0,1 = (CA0 – CAf) / kCA0(1 – XA); XA = 0,9327. No segundo reator, a taxa de conversão continua sendo 0,9327. Portanto, a taxa de conversão total é: (CA0 – CA0(1 – XA)*(1 – XB)) / CA0 = 1 – (1 – 0,9327)*(1 – 0,9327) = 0,9955. 4) Reação complexa em fase líquida: A + B → P(1) ； A+P------S(2): A concentração inicial é CA0=2,0 mol/l, CB0=4,0 mol/l, enquanto CP0 e CS0 são 0. A reação ocorre em um reator intermitente. As concentrações medidas são CA=0,3 mol/l e CB=2,4 mol/l. Qual é então a concentração de P e S? Com B como referência, qual é a seletividade do reagente B e qual é a taxa de obtenção do produto? 1. A quantidade de A consumida = (CB0 – CB) = 4 – 2,4 = 1,6 ； Na reação 2, a quantidade de A consumida é igual a (2 – 0,3) – 1,6 = 0,1. Portanto, Cs = 0,1. A concentração do produto P é igual à quantidade de P produzida menos a quantidade de P consumida: Cp = 1,6 – 0,1 = 1,5. Considerando B como referência, a seletividade da reação é dada por B = Cp/(CB0 – CB) = 1,5/4 – 2,4 = 0,9375. A taxa de obtenção do produto P é Cp/CB0 = 1,5/4 = 0,375. 5) Uma reação de decomposição em fase gasosa de primeiro grau: A → 3P ； A reação é realizada em um reator tubular isotérmico. Os materiais de partida contêm 50% do composto a reagir e 50% de material inerte. O tempo de permanência dos reagentes no reator é de 10 minutos. Nesse caso, o fluxo volumétrico na saída do sistema torna-se 1,5 vezes maior que o original. Determine a taxa de conversão do composto A e a constante de velocidade da reação. O fator de expansão SA = 3 – 1/1 = 2. A taxa de expansão EA = SA * yA0 = 2 * 0,5 = 1. V = V0(1 + EA * XA); portanto, V/V0 = 1,5. XA = 0,5. T = CA0 * f * dXA/(-rA) = f * dXA/(k * (1 - XA)/(1 + XA)). Para T = 10 e XA = 0,5, obtém-se k = 0,08863 L/min
Este tópico foi editado pela última vez por zhanghp30 em 16/01/2020, às 10:40. Na reação de oxidação e desidrogenação do buteno, realizada em condições isotérmicas de 650°C, obtém-se o butadieno: C4H8(A) → C4H6 + H2. A taxa de reação é dada por -rA = kPA·kmol/m3·h. O gás de entrada é uma mistura de buteno e vapor de água, com uma relação molar de 1. A pressão de operação é de 0,10133 MPa. Aos 650°C, o valor de k é de 106,48 kmol/m3·h·MPa. A taxa de conversão do buteno é de 0,9. Qual deve ser o valor correspondente para o estado vazio? T = CA0 * f * dXA / kPA; PA = CA * RT; SA = 1 + 1 – 1/1 = 1. Portanto, CA = CA0 * (1 – XA) / (1 + 0,5XA). Assim, T = f * (1 + 0,5XA) * dXA / (kRT * (1 – XA)) = 13,2 s. Na reação autocatalítica em fase líquida A + P → P + P, -rA = k * CACP. No reator intermitente isotérmico, a velocidade de reação é determinada como CA0 = 0,95 mol/L e CP0 = 0,05 mol/L. Após 1 hora, a velocidade de reação atinge seu valor máximo. Determine a constante de velocidade nessa temperatura. -rA = kCA*(1-CA); d(-rA)/dCA = 0. Portanto, CA = 0,5 MOL/L. T = -f dCA/k*CA(1-CA). Ao integrar e substituir T = 1, obtém-se que k = 2,944 L/MOL·H. As questões 6 e 7 exigem um bom conhecimento de matemática avançada. Esses tipos de questões têm descrições simples e processos de resolução também simples; são questões frequentemente cobradas, portanto merecem atenção! 8)*. No reator CSTR, ocorre a seguinte reação: 4NH3(A) + 6HCHO(B) → (CH2)6N4(P) + 6H2O(S). O volume do reator é de 490 cm³, e a velocidade de agitação é de 1800 rotações/minuto. A cinética da reação é dada por rA = kCACB², onde K = 1,42*10³*E^-3090/T. As concentrações iniciais de A são de 4,06 mol/L, e as de B são de 6,32 mol/L. A vazão de ambos os reagentes é de 1,5 cm³/s. A temperatura de reação é de 36°C. Determine as concentrações na saída do reator, Caf e Cbf. As concentrações iniciais são CA0 = 4,06/2 = 2,03 mol/L, e CB0 = 6,32/2 = 3,16 mol/L. Temos que CA = CA0(1-XA) e CB = CB0 – 3/2*CA0. Assim, r*(CA0-CA)/rA = VR. Com V = 3 cm³/s, podemos calcular que XA = 0,82. Consequentemente, CA = 0,365 mol/L e CB = 0,663 mol/L.
9)*. Em um reator de mistura total, ocorre uma reação reversível: A + B → R + S. Os valores de k1 e k-1 são respectivamente 7 m³/kmol·min e 3 m³/kmol·min. As vazões volumétricas de A e B são de 0,004 m³/min. As concentrações iniciais de A e B são de 2,8 kmol/m³ e 1,6 kmol/m³, respectivamente. VR = 0,12 m³. Qual é a taxa de conversão de B? r = 0,008 m³/min; CA0 = 2,8/2 = 1,4; CB0 = 1,6/2 = 0,8. Suponha que a taxa de conversão de B seja CB = CB0(1-XB) = 0,8(1-XB). Então, CA = CA0 – CB0XB = 1,4 – 0,8XB. CS = 0,8XB = CR – rB = K1CACB – K – 1*CRCS = 2,56XB² – 12,32XB + 7,84. T = VR/r = 0,12/0,008 = 15 min. XB = CB0XB / (-rB) = 0,75.
10) Reação em série A------P-------S, com K1 = 0,15 MIN⁻¹ e K2 = 0,05 MIN⁻¹. A vazão de entrada é de 0,5 m³/min. CA0 não é zero; CP0 = CS0 = 0. Determine a taxa de obtenção de P em um reator CSTR com volume de 1 m³. T=1/0,5=2 MINUTOS. YP=CP/CA0=K1T/(1+K1T)(1+K2T)=0,21
9)*. Em um reator de mistura total, ocorre uma reação reversível: A + B → R + S. Os valores de k1 e k-1 são respectivamente 7 m³/kmol·min e 3 m³/kmol·min. As vazões volumétricas de A e B são de 0,004 m³/min. As concentrações iniciais de A e B são de 2,8 kmol/m³ e 1,6 kmol/m³, respectivamente. VR = 0,12 m³. Qual é a taxa de conversão de B? r = 0,008 m³/min; CA0 = 2,8/2 = 1,4; CB0 = 1,6/2 = 0,8. Suponha que a taxa de conversão de B seja CB = CB0(1-XB) = 0,8(1-XB). Então, CA = CA0 – CB0XB = 1,4 – 0,8XB. CS = 0,8XB = CR – rB = K1CACB – K – 1*CRCS = 2,56XB² – 12,32XB + 7,84. T = VR/r = 0,12/0,008 = 15 min. XB = CB0XB / (-rB) = 0,75.
10) Reação em série A------P-------S, com K1 = 0,15 MIN⁻¹ e K2 = 0,05 MIN⁻¹. A vazão de entrada é de 0,5 m³/min. CA0 não é zero; CP0 = CS0 = 0. Determine a taxa de obtenção de P em um reator CSTR com volume de 1 m³. T=1/0,5=2 MINUTOS. YP=CP/CA0=K1T/(1+K1T)(1+K2T)=0,21
Esta é a minha área fraca; vou imprimi-la para estudá-la com atenção~~
Parece que o autor não fez nenhuma resumo sobre reações complexas (paralelas, sequenciais).
Existe um tutorial sobre isso. Tenho pouco tempo para trabalhar, então só posso resolver os problemas desse tipo. É bem provável que esse tipo de questão apareça no exame! Se você não entender, vá até um livro e dê uma olhada.
Na última prova, perdi pontos nessa área; desta vez, quero recuperá-los