Em uma planta petroquímica, técnicos analisam o comportamento de uma máquina térmica experimental que opera em regime permanente sob um ciclo termodinâmico fechado. O relatório técnico indica que o sistema recebe uma carga térmica (\(\dot{Q}_H\)) de 400 kW a partir de uma fonte quente mantida a uma temperatura constante de 800 K, rejeita calor (\(\dot{Q}_C\)) para um corpo refrigerante a 300 K e produz uma potência líquida de trabalho (\(\dot{W}_{Líquido}\)) equivalente a 260 kW. Considerando as leis fundamentais da termodinâmica clássica e os limites de conversão de energia, assinale a alternativa que apresenta a correta avaliação da consistência física desse ciclo.

Um analista avalia o volume necessário para atingir uma conversão intermediária (Xₐ = 5) comparando um Reator de Mistura Perfeita (CSTR) e um Reator de Fluxo Pistão (PFR), ambos operando com a mesma vazão volumétrica e concentração de alimentação. Considere uma reação elementar em fase líquida homogênea do tipo A → Produtos, operando adiabaticamente. Com base no Princípio do Desempenho de Reatores e na análise do Diagrama de Levenspiel, analise as seguintes assertivas a respeito do desempenho, volume e comportamento térmico desses reatores:

I. Se a reação for de primeira ordem (−rₐ = kCₐ) e operada de forma rigorosamente isotérmica, o volume do CSTR será matematicamente superior ao volume do PFR para qualquer conversão maior que zero.

II. Se a reação for autocatalítica (−rₐ = kCₐC_Produtos), existirá uma faixa de conversão inicial onde o volume do CSTR projetado será menor do que o volume do PFR para atingir a mesma conversão.

III. Se a reação for exotérmica e operada adiabaticamente, a taxa de reação pode aumentar com a conversão devido ao efeito da temperatura na constante de Arrhenius; nesse cenário cinético-térmico específico, o volume do CSTR pode resultar inferior ao do PFR.

IV. Para uma reação de ordem zero (−r_ₐ = k), o volume necessário para atingir a conversão de 50% no CSTR será exatamente o dobro do volume necessário no PFR.

Quais estão corretas?

No desenvolvimento do fluxograma de processo (PFD) de uma nova planta petroquímica, um engenheiro químico automatizou uma planilha de balanço global de massa e energia para uma coluna de destilação em estado estacionário. A equação genérica implementada no software para consolidar a saída de dados do balanço térmico do referencial global da coluna foi escrita da seguinte forma:

\( E_{acumulado} = (\dot{m}_F * \widehat{H}_F) - (\dot{n}_D * M_D * \widehat{H}_D) - (\dot{m}_B * \widehat{H}_B) + \dot{Q} - \dot{W} \)

• taxa de acúmulo de energia no sistema [kW];
• vazões mássicas de alimentação e do fundo respectivamente [kg·h⁻¹];
• vazão molar do destilado [kmol·h⁻¹];
• massa molar média do destilado [kg·kmol⁻¹];
• entalpias específicas das correntes de alimentação, destilado e fundo [kJ·kg⁻¹];
• carga térmica trocada nos refervedores e condensadores [kJ·s⁻¹];
• potência mecânica útil consumida por bombas acessórias [W].

Considerando o Princípio da Homogeneidade Dimensional (Teorema de Fourier) e as premissas operacionais de uma destilação convencional de regime permanente, a equação acima apresenta uma inconsistência dimensional explícita entre os seus termos e uma incorreção conceitual do processo. Para corrigir o algoritmo e torná-lo dimensionalmente homogêneo e conceitualmente adequado ao regime permanente, o engenheiro deve, respectivamente: