Cinética e seletividade em reator catalítico: escolha de condição operacional
Um reator tubular de leito fixo converte A em B sobre catalisador sólido, com reação principal de primeira ordem e uma reação paralela indesejada que forma C. Dados de bancada mostram que a seletividade para B aumenta com a concentração de A e diminui com a temperatura. A 350 °C, conversão de 60% e seletividade de 85%; a 400 °C, conversão de 82% e seletividade de 70%. A produção desejada é de 100 kg/h de B, e o cliente exige pureza mínima de 95% em B após separação. A equipe dispõe de um trocador que permite operar até 400 °C e de um sistema de reciclo de A não convertido, mas não há separação eficiente de B e C. O gerente quer maximizar a produção e sugere operar a 400 °C.
1. Compare as duas condições em termos de produção de B e de formação de C, e avalie a sugestão do gerente.
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Tomando base de alimentação de 100 unidades de A e considerando que a conversão se distribui entre B e C conforme a seletividade: a 350 °C, 60 unidades convertidas, 85% para B, resultam 51 unidades de B e 9 de C. A 400 °C, 82 unidades convertidas, 70% para B, resultam 57,4 unidades de B e 24,6 de C. A produção de B cresce cerca de 12,5%, mas a de C quase triplica, e a razão B/C cai de 5,7 para 2,3.
Como não há separação eficiente de B e C, o aumento de C compromete a pureza de 95%. A 400 °C, a fração de B na mistura B+C é 57,4/82 = 70%, muito abaixo do exigido. Mesmo a 350 °C, a fração é 51/60 = 85%, também abaixo de 95%, o que indica que a separação é indispensável ou que a seletividade precisa melhorar. A sugestão de operar a 400 °C maximiza conversão, não produção de B com qualidade.
2. Proponha uma estratégia de operação e de reciclo que aumente a produção de B respeitando a pureza, justificando com a cinética observada.
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A seletividade aumenta com a concentração de A e diminui com a temperatura; logo, operar a temperaturas menores e com A mais concentrado favorece B. A estratégia é operar na menor temperatura viável (por exemplo, 350 °C ou menos, se a atividade do catalisador permitir), manter conversão por passe moderada e reciclar A não convertido após separação de B e C. O reciclo mantém a concentração de A elevada na entrada e evita acúmulo de C no sistema, desde que haja purga para controlar inertes e subprodutos.
Como não há separação eficiente de B e C, a purificação precisa ser resolvida antes de aumentar a conversão. Alternativas: instalar etapa de separação (destilação ou adsorção) ou alterar o catalisador para melhorar a seletividade. A produção de 100 kg/h deve ser calculada com base na vazão de B puro, não na conversão total. A decisão defensável é investir em seletividade e separação, não apenas em temperatura.
3. Estime a vazão de alimentação necessária para 100 kg/h de B na condição de 350 °C e discuta a sensibilidade do cálculo.
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A 350 °C, conversão 60% e seletividade 85%: para cada 100 mol de A alimentados, formam-se 51 mol de B. Assim, o rendimento global de A para B é 0,60 × 0,85 = 0,51 mol B por mol A alimentado. Para produzir 100 kg/h de B, é preciso conhecer a massa molar de B; chamando-a de M_B, a vazão molar de B é 100.000/M_B mol/h, e a vazão de A é (100.000/M_B)/0,51 mol/h.
A sensibilidade é alta: se a seletividade cair para 80%, o rendimento cai para 0,48 e a alimentação necessária aumenta cerca de 6%; se a conversão cair para 50%, o rendimento cai para 0,425 e a alimentação aumenta cerca de 20%. Pequenas variações de seletividade e conversão têm grande impacto no custo de separação e no reciclo. Por isso, o cálculo deve ser refeito com dados de planta e com margem de projeto, e a pureza de 95% deve ser verificada após a etapa de separação, não apenas pela seletividade do reator.