(Valor da questão: 20 pontos) Um gás A a 300 K e com uma pressão parcial de 101 kPa , difunde-se de um ponto a uma distância de 2 mm de uma superfície de catalisador sonde sobre uma reação química,
. O componente
produzido difunde-se no sentido contrário. Calcule a concentração de A na superfície do catalisador,
, e o fluxo de A no caso da reação ser instantânea. Efetue os mesmos cálculos para uma situação em que a reação é lenta, com uma velocidade
. Admita que o
e
.
Passo 1
O enunciado descreve um sistema de difusão em regime estacionário de um componente A que parte de um ponto distante
,mm de uma superfície de catalisador onde ocorre a reação
O componente B formado difunde-se no sentido contrário. Precisamos calcular, para duas situações, a fração molar de A na superfície do catalisador e o fluxo molar de A,
. Os dados são: temperatura
,K, pressão total
,kPa, coeficiente de difusão binária
O componente B formado difunde-se no sentido contrário. Precisamos calcular, para duas situações, a fração molar de A na superfície do catalisador
e, para o caso de reação lenta de primeira ordem na superfície, constante cinética
Passo 2
Primeiro determinamos a concentração total do gás pelo comportamento de gás ideal:
onde
,J/(mo
). Substituindo
Passo 3
Caso 1 – reação instantânea na superfície:
Nesse limite toda a A que chega à superfície é consumida instantaneamente, logo
Nesse limite toda a A que chega à superfície é consumida instantaneamente, logo
O fluxo de A, em contronormal difusão equimolar, é dado por
Passo 4
Agora os valores numéricos para o caso instantâneo:
Passo 5
Caso 2 – reação lenta de primeira ordem na superfície:
Aqui a A que chega difunde e reage segundo
Aqui a A que chega difunde e reage segundo
Em regime estacionário o fluxo difusivo de A até a superfície é igual à taxa de reação:
Igualando as expressões:
Passo 6
Calculando
:
Então
e
O fluxo é
Resposta
Para reação instantânea:
,
.
Para reação lenta de primeira ordem:
,
.