Aula Introdução Projeto de Reatores - Reator Batelada

Reator Batelada (Reator Batelada (Reator Batelada (Reator Batelada (Batch Reactor)Batch Reactor)Batch Reactor)Batch Reactor)

• Mais comum na indústria química;

• É um tanque com agitaçãomecânica no qual todos osreagentes são introduzidos noreator em uma única vez. Emseguida são misturados ereagem entre si. Após umtempo, os produtos obtidos sãodescarregados de única vezdeste reator.

• Principais Características:Não opera em regimeestacionárioE deve-se operar em sistemafechado.

Reator Batelada (Reator Batelada (Reator Batelada (Reator Batelada (Batch Reactor)Batch Reactor)Batch Reactor)Batch Reactor)

• Finalidades:

É usado para operação em pequena escala, para testes de novos processos que aindanão foram consolidados, para fabricação de produtos de alto valor agregado e paraprocessos que são difíceis de converter em operações contínuas.

• Vantagens:

Permite altas conversões deixando o reator por longas horas;

Quando a capacidade de conversão é baixa, o processo em batelada tem menorinvestimento de capital do que o processo continuo, sendo preferível qdo se estátestando um novo produto;

• Desvantagens:

Produção em larga escala;

Alto custo de mão-de-obra por batelada: alimentação, esvaziamento, limpeza. Tempomorto.

Qualidade do produto é mais variável em relação ao processo continuo.

Reator CSTR. (Continuous Stirred Tank Reactor)é um tanque agitado comescoamento contínuo e semacúmulo de reagentes ouprodutos e é operado deacordo com as seguintescaracterísticas:

--- composição uniformedentro do reator--- a composição de saída éigual à composição dointerior do reator--- a taxa da reação é amesma em todo o reator,inclusive na saída.

Reator CSTR. (Continuous Stirred Tank Reactor)• Principais Utilizações:

Quando se necessita de agitação intensa e reações em fase líquida.

• Vantagens:

Quando a capacidade de processamento é grande. Embora os custos deinvestimentos são maiores, os custos operacionais por unidade de produtosão menores em relação ao reator BR.

Pode ser usado tanto isoladamente, quanto em série ou em paralelo oucombinado.

Maior facilidade de controle do produto e dos parâmetros operacionais doreator

• Desvantagens:

A conversão é menor dos reatores com escoamento contínuo.A falta de flexibilidade do reator para operar com outras reações.

https://www.youtube.com/watch?v=HGil3aApf7E

Reator CSTR – Reatores em SérieReatores em SérieReatores em SérieReatores em Série

nível de octanos em pentanos

Reator PFR (Reator PFR (Reator PFR (Reator PFR (Plug Flow Reactor)Plug Flow Reactor)Plug Flow Reactor)Plug Flow Reactor)

• Constituição:

• Um simples tubo contínuo;

• Diversos tubos em paralelo;

• Operação Contínua; Sem Agitação; Composição varia continuamente ao longo do tubo; Regime Permanente; Taxa de reação muito alta na entrada;

• Troca de Calor: Camisa ou Trocador Multitubular.

• Podem ser recheados: Grãos de catalisador; Sólidos inertes.

• Principais Utilizações:

Para processamento de reações em fase gasosa. Larga Escala. ReaçõesRápidas. Reações homogêneas e heterogêneas. Produção continuaAlta temperatura

• Vantagens:

Manutenção relativamente fácil. Baixo custo operacional.Produz conversão mais alta em relação ao CSTR.Boa transferência de calor

• Desvantagens:

Gradientes indesejados de temperatura. Dificuldade de controle da T.Pontos de aquecimento podem ocorrer qdo reações exotérmicas.

Reator PFR (Reator PFR (Reator PFR (Reator PFR (Plug Flow Reactor)Plug Flow Reactor)Plug Flow Reactor)Plug Flow Reactor)

Reator Tubular (PFR)

•Multitubular

Reator de Leito Fixo

Conversão de H2S em SO2,

com Catalisador

Cobalto/Molibdênio

(British Petroleum's Oil Refineries )

Reator de Leito Fluidizado

Craqueamento Catalítico

(British Petroleum's Oil Refineries )

Reatores Nucleares

• Fissão Nuclear

U 235 + nêutron = Ba144 + Kr 89 + 2 nêutrons + ENERGIA

• REATORES IDEAIS: SÃO AQUELES PARA OS QUAIS SE DESENVOLVE UMMODELO MATEMATICO ADEQUADO A PARTIR DE CONDIÇÕES PRÉ-ESTABELECIDAS, ONDE AS CONDIÇÕES REAIS SÃO AJUSTADAS.

• REATORES NÃO-IDEAIS: SÃO AQUELES PARA OS QUAIS SE DESENVOLVEUM MODELO MATEMÁTICO ESPECIFICO EM FUNÇÃO DEPECULIARIDADES DA REAÇÃO E/OU DO REATOR.

Introdução ao Projeto de Reatores

• O objetivo do projeto é determinar o tamanho, o tipo e o método de operação do reator.

O que torna um reator “não-ideal”? Ou melhor, o que torna umreator “ideal”? As condições de mistura e de escoamento do fluidoem seu interior que são definidas com muita precisão. CSTR:mistura perfeita até o nível molecular. PFR: fluxo empistonado,não há mistura na direção do escoamento. Um reator realapresenta um comportamento entre estes dois limites.

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Balanço Geral de Massa para Sistemas com Reação Química

Entra Geração (RQ) Sai Acúmulo

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R

j ij ij

i 1

r rν=

=∑

j

j0 j j

Rj

j0 j ij ij

i 1

taxa de reação homogênea em todo reator: reator ideal:

dNF F r V

dt

dNF F V r

dtν

=

− + =

− + =∑

Equação de projeto de

reatores ideais para R

reações no reator em relação

ao componente j

AA0 A

AA0 A A A

A

1 única reação e equação de projeto para o componente lim

dNF

itati

F

vo A

dNF F r

r Vdt

Vdt

ν

− − =

− + =


Reator Batelada (Batch Reactor)Reator Batelada (Batch Reactor)

Hipóteses:

• Operação em estado transiente; • Não há entrada ou saída de

reagente ou produtos;• Se a mistura é perfeita: Taxa de

reação constante dentro do reator, composição não varia com a posição apenas com o tempo. Idem para a temperatura.

Balanço Geral de Massa para Sistemas com Reação Química Reator Batelada (Batch Reactor)Reator Batelada (Batch Reactor)

A AA A

dN dNr V r V

dt dt− = ⇔ + = −



AA A0

AA A0

dXr V N

dt

dXr V N

dt− = − =⇔

AAXt

A0 AA A0

A A0

X

AA

A00

0

N dXdt dX dt N

r V r V

dXt N

r V⇔ == = ⇔∫ ∫ ∫



Para um sistema com Volume Constante

Para todas as reações em que o Volume varia proporcionalmente com a Conversão


TEMPO DE OPERAÇÃO: é o tempo gasto para aquecer/resfriar amistura reacional, carregar, resfriar, descarregar e limpar o reator.TEMPO TOTAL = Tempo de reação (t) + Tempo de operação.

Seja G uma carga diária dada em kg/dia e |N o numero de bateladas

1 bat/dia ---------- tTotal (h)N bat/dia ---------- 24 horas N = 24/tTotal (h) (bateladas/dia)

Vreator = G/(ρMN) = [kg/dia]/[kg/m3][bat/dia] = [m3/bat]

- Qual é o tempo requerido para converter uma quantidade de Qual é o tempo requerido para converter uma quantidade de Qual é o tempo requerido para converter uma quantidade de Qual é o tempo requerido para converter uma quantidade de

material a um nível desejado sob condições de reação material a um nível desejado sob condições de reação material a um nível desejado sob condições de reação material a um nível desejado sob condições de reação

especificadas?especificadas?especificadas?especificadas?

- Qual é volume do reator para alcançar uma dada taxa de Qual é volume do reator para alcançar uma dada taxa de Qual é volume do reator para alcançar uma dada taxa de Qual é volume do reator para alcançar uma dada taxa de

produção? produção? produção? produção?

Problema

Ciclopentadieno é umliquido e a benzoquinonaé sólido a T de 25°C.Peso Molecular doproduto = 174



Problemas

Um reagente A sofre uma reação de isomerização irreversível e de primeiraordem do tipo A → B. Ambos os reagente são líquidos a temperatura ambiente.Determine o volume do reator necessário para produzir 906 toneladas de B em7000 h de operação, se o reator opera isotermicamente a 163°C.

k = 0,8 h-1

Peso molecular = 250Densidade assumidas iguais = 0,9 g/cm3

O tempo necessário para encher o reator é de 10 min. Para esvaziar é de 12 min.O tempo de aquecimento do reator ate é a temperatura de 163°C é de 14 min.Assuma que nenhuma reação ocorra durante este tempo. Depois de 97% deconversão de A, a mistura quente é descarregada para o tanque de resfriamento.

MANUAL DE FÓRMULAS Y TABLAS MATEMÁTICAS (Murray R. Spiegel)

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