Engenharia de Reações Químicas e Cinética
Núcleo conceitual
A cinética descreve velocidade de reação; o projeto de reatores combina cinética com balanços. Para reator batelada: −dC_A/dt = r_A. Para CSTR: V = F_A0 X / (−r_A). Para PFR: V = F_A0 ∫ dX/(−r_A). A ordem de reação determina a dependência com concentração; a energia de ativação (Arrhenius: k = k₀ exp(−E/RT)) determina a sensibilidade térmica.
Conceitos exigidos
- Leis de velocidade, ordem global, molecularidade.
- Conversão, tempo espacial, velocidade espacial.
- Seletividade e rendimento em reações múltiplas.
- Reatores não isotérmicos, balanço de energia acoplado, multiplicidade de estados estacionários.
- Catálise heterogênea: etapas, limitação por difusão, fator de efetividade.
Armadilhas típicas
- Usar lei de velocidade sem verificar mecanismo (ordem ≠ coeficiente estequiométrico).
- Ignorar efeito de diluição em reações de ordem superior.
- Esquecer que CSTR opera no ponto de saída; PFR integra ao longo do volume.
- Desprezar limitação difusional em catalisadores porosos.
- Não acoplar balanço de energia em reações exotérmicas (risco de runaway).
Regra de ouro e exemplo
Regra: compare reatores pela razão de volumes para a mesma conversão; para ordem positiva, PFR exige menor volume que CSTR.
Exemplo: reação de primeira ordem, −r_A = kC_A, A → produtos, k = 0,1 min⁻¹, alimentação 10 mol/L, X = 0,9. CSTR: V/F = X/(k(1−X)) = 0,9/(0,1 × 0,1) = 90 min. PFR: V/F = −ln(1−X)/k = 2,303/0,1 = 23,0 min. A razão V_CSTR/V_PFR ≈ 3,9. Em reações de ordem zero, os volumes seriam iguais; em ordem negativa, o CSTR seria menor.