Difusão com reação química
Por: Maria Luisa Ramalho • 15/9/2015 • Trabalho acadêmico • 2.378 Palavras (10 Páginas) • 608 Visualizações
[pic 1]
UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA[pic 2]
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
Curso: ENGENHARIA QUÍMICA
Disciplina: FENÔMENOS DE TRANSPORTE III
Turma: 2014.2
DIFUSÃO COM REAÇÃO QUÍMICA
Aluno: Marcos José Parente Miranda
Matrícula: 11111930
João Pessoa, Fevereiro/2015
INTRODUÇÃO
Entende-se por transferência de massa o transporte de um componente de uma região de alta concentração para outra de baixa concentração.
O fenômeno de transferência de massa está presenta em diversas atividades nas rotinas das indústrias, como por exemplo:
- Remoção de substâncias voláteis poluentes por adsorção;
- Remoção de gases à partir de águas residuárias;
- Difusão de partículas adsorvidas no interior dos poros de carvão ativado;
- Produção de álcool;
- Secagem de madeira;
O mecanismo de transferência de massa vai depender da dinâmica da mistura no qual ocorre. Dessa forma, pode-se dividir o fenômeno em duas formas:
- Transferência de massa molecular: a qual está associada com um transporte difusivo, onde a transferência ocorre através de um fluido estagnado ou de um sólido.
- Transferência de massa convectiva: a qual está associada com um transporte convectivo, onde a transferência ocorre através de um fluido em movimento.
No seguinte trabalho será abordado o fenômeno de transporte de massa por difusão com reação química em estado estacionário. O transporte por difusão com reação química possui diversas aplicações na indústria química, como a absorção química (como a de SO2 em ácido sulfúrico), em reações catalisadas por sólidos (como a síntese da amônia utilizando-se pellets de ferro-alumina como catalisador) e na combustão do carvão, a fim de gerar energia.
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Várias operações na indústria química envolvem a difusão simultânea da espécie molecular, e o aparecimento ou desaparecimento da espécie, através da reação química, dentro ou no limite da fase de interesse. Dessa forma, três tipos de reações podem ocorrer numa difusão com reação química:
- Reação heterogênea: reação na qual atinge uma região restrita dentro ou no limite da fase considerada. Ocorre na superfície das partículas.
- Reação pseudo-homogênea: difusão de uma espécie química dentro dos poros de um sólido, acompanhada de reação química nos sítios ativos de um dado catalisador.
- Reação homogênea: reação ocorre uniformemente através de uma determinada fase. Ocorre em todos os pontos do volume de controle.
As reações heterogênea e pseudo-homogênea em regime de transporte permanente e com fluxo unidirecional serão deduzidas a seguir
Difusão com reação química heterogênea na superfície de uma partícula catalítica não-porosa em regime permanente
Considerando a situação de um catalisador envolto por uma camada gasosa, na qual existe fluxo de matéria, havendo reação química na interface gás-sólido. O fenômeno da difusão, bem como a reação na superfície do sólido não-poroso são estipulados pelos seguintes estágios:
- Difusão do soluto A através da camada gasosa até a superfície catalítica.
- Contato do soluto A com a superfície catalítica acompanhada de reação química.
- Difusão dos produtos de reação da reação da superfície de contorno através da camada gasosa.
Figura 2 – Esquema da difusão do soluto A na interface gás-sólido, envolvendo um catalisador.
[pic 3]
Neste caso, pode ser feita a seguinte observação, sendo a partícula um sólido não-poroso, o soluto não vai ser absorvido pela partícula e a reação vai ocorrer na sua superfície, dessa forma, a reação não vai ocorrer uniformemente em todos os pontos do volume de controle, sendo, portanto, uma reação heterogênea. Nesse caso, o termo de reação química irá aparecer nas condições de contorno.
A equação do perfil de concentração e do fluxo matéria pode ser deduzida da seguinte forma:
Considerando a reação reversível e de pseudoprimeira ordem, onde:[pic 4]
(1)
Sendo A o soluto-reagente, este apresenta fluxo global molar unidirecional dado pela equação:[pic 5]
(2)
Considerando a reação irreversível, a relação entre os fluxos é:[pic 6]
(3)
Substituindo a equação (3) na equação (2), tem-se:[pic 7]
[pic 8] (4)
Prosseguindo com o desenvolvimento matemático e fazendo , obtém-se a equação (5):[pic 10][pic 9]
(5)
O balanço de massa é feito a partir dos dados e das considerações feitas a partir do processo a fim de se chegar na equação da continuidade a ser usada na dedução. O balanço de massa é o seguinte:
[pic 11]
Utiliza-se a consideração que o transporte de massa ocorre em regime permanente, sendo então, o termo de acúmulo nulo e o termo de reação química aparecendo nas condições de contorno (reação heterogênea), tem-se:
[pic 12]
Prosseguindo com o desenvolvimento matemático, chega-se a equação da continuidade descrita na fórmula (6):[pic 13]
(6)
Substituindo (5) em (6) tem-se:[pic 14]
(7)
Integrando a equação (7) tem-se:[pic 15]
(8)
A fim de encontrar as constantes C1 e C2, aplicam-se as condições de contorno analisadas no equacionamento do problema.
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