CLASSIFICAÇÃO DE PROCESSOS

Os processos químicos podem ser classificados como contínuos, em

batelada ou semibatelada, e também como processos transientes ou em

estado estacionário.

PROCESSOS EM BATELADA

A alimentação é carregada no sistema no começo do processo, e os produtos

são retirados todos juntos depois de algum tempo.

Não existe transferência de massa através dos limites do sistema entre o

momento da carga da alimentação e o momento de retirada dos produtos.

Ex: adicionar rapidamente os reagentes a um tanque e retirar os produtos e

reagentes não consumidos algum tempo depois de o sistema ter atingido o

equilíbrio.

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PROCESSOS CONTÍNUOS

As entradas e saídas fluem continuamente ao longo do tempo total de duração do processo.Ex: bombear uma mistura de líquidos para uma coluna de destilação com vazão constante e retirar de forma constante as correntes de líquido e de vapor no fundo e no topo da coluna.

PROCESSOS EM SEMIBATELADA (OU SEMICONTÍNUOS)

Qualquer processo que não é nem contínuo nem em batelada.Ex: permitir que o conteúdo de um tanque pressurizado escape para a atmosfera, misturar lentamente vários líquidos em um tanque sem nenhuma retirada.

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PROCESSO EM ESTADO ESTACIONÁRIO

Se os valores de todas as variáveis no processo (todas as temperaturas,

pressões, volumes, vazões, etc) não variam com o tempo, excetuando possíveis

flutuações menores em torno de valores médios constantes, se diz que o

processo está operando em estado estacionário.

PROCESSO TRANSIENTE OU NO ESTADO NÃO ESTACIONÁRIO

Se qualquer das variáveis do processo muda com o tempo, diz-se que a operação é transiente ou no estado não estacionário.

Processo Químico Industrial

Produto economicamente viável

Matéria-prima

Etapas de tratamento

O que o reator pode fazer?

Materiais interagem (estado de agregação);Cinética

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Classificação das Reações

Classificação das Reações Químicas Usuais em Projeto de Reatores

Não Catalíticas Catalíticas

Homogêneas Maioria das reações em fase gasosa

Maioria das reações em fase líquida

Reações rápidas (queima de gás) Reações em sistemas coloidaisReações enzimáticas e microbiológicas

Heterogêneas

Queima de carvão Síntese da amônia

Ustulação de minérios Craqueamento de óleo cru

Ataque de sólidos por ácidos Oxidação de SO2 a SO3

Absorção gás-líquido com reação Oxidação de amônia para produzir ácido nítrico

De acordo com tipos de fases

Sistemas Homogêneos

Sistemas Heterogêneos

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Reatores Ideais e Não Ideais

Reatores Ideais são aqueles para os quais se desenvolve um modelo matemáticoespecífico a partir de condições pré-estabelecidas e que aplicado às condições reais se ajusta adequadamente.

Reatores Não Ideais são aqueles para os quais é necessário um tratamento matemáticoespecífico em função de peculiaridades de reação e/ou reator.

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Tipos de Processos Para Reações Homogêneas

Os três tipos de processos mais comuns são os seguintes:•Descontínuo (ou Batelada) (a) da figura abaixo• Contínuo (b) • Semi Batelada (ou semi contínuo): (c), (d) e (e) da figura

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Batelada

Continuo

Semi-bateladaSemi-bateladavSemi-bateladav

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Tabela 1 - Análise da variação do volume e da composição do meio reacional em função do tempo para diferentes formas de operação de um reator.

1. REATOR BATELADA (é um tanque com agitação mecânica no qual todos os reagentes são introduzidos no reator em uma única vez. Em seguida são misturados e reagem entre si. Após um tempo, os produtos obtidos são descarregados de única vez deste reator).

Um reator batelada não admite entrada nem saída de reagentes ou produtos durante o processo da reação.

O balanço molar geral resultante para a espécie j :

Se a mistura de reação for perfeitamente misturada de forma que não exista variação na velocidade de reação através do volume do reator, o balanço molar fica na forma:

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Graficamente: variação de NA x tempo

Em inglês é conhecido como: Batch Reactor

Os 3 principais Reatores Ideais Básicos (foco nas reações homogêneas)

Reatores Batelada para fase Gasosa

Quando um reator batelada é utilizado?

-Operação em pequena escala;-Testes de novos processos;-Fabricação de produtos caros-Processos difíceis de se converter em operações contínuas

Vantagens:-Permite altas conversões-Reagente no reator por longos períodos de tempo

Desvantagens-alto custo de mão de obra- Dificuldade de produção em larga escala

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2. REATORES COM ESCOAMENTO CONTÍNUO

É um tanque agitado com escoamento contínuo e sem acúmulo de reagentes ou produtos e é operado de acordo com as seguintes características: •composição uniforme dentro do reator• a composição de saída é igual à composição do interior do reator• a taxa da reação é a mesma em todo o reator, inclusive na saída.

Em inglês é conhecido como: Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR).

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3. REATOR TUBULAR (é um tubo sem agitação no qual todas as partículas escoam com a mesma velocidade na direção do fluxo).

No reator tubular, os reagentes são continuamente consumidos à medida que avançam no reator ao longo do seu comprimento.

Vantagens:- Manutenção relativamente fácil- Produz conversão mais alta por volume de reator.

Desvantagens:-Difícil controle de temperatura;-Pontos quentes reações exotérmicas

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Feixe de tubos

Em inglês é conhecido como: Tubular Reactor ou Plug Flow Reactor (PFR).

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Para cada um destes três principais tipos de reatores ideais, uma pergunta básica que permite distinguir bem os três reatores entre si é a seguinte:

O que ocorre com a composição no meio reacional do reator (___________)se forem coletadas alíquotas de seu interior:(1) em tempos diferentes de um mesmo local?(2) em locais diferentes ao mesmo tempo?

Tabela 2 - Análise da variação da concentração em função do tempo em uma posição fixa ou da variação da concentração em função da posição no reator num tempo fixo.

REATOR DE LEITO RECHEADO

Reatores para Reações Heterogêneas

É um reator onde normalmente o meio reacional se encontra em uma fase (líquida ou gasosa) e existe um catalisador na fase sólida. Normalmente, também é chamado de reator catalítico de leito fixo, onde o catalisador sólido é constituído de inúmeras epequenas partículas depositadas ao longo do comprimento de um tubo.

A velocidade da reação é função da massa de catalisador sólido, em vez do volume do reator:

-rA = mol de A reagido/s.g catalisador

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Em inglês é conhecido como Packed- Bed Reactor (PBR).

Nota: Dos três tipos de reatores ideais apresentados, este reator (PBR) assmelha-se ao reator tubular. A diferença é o “recheio” de partículas sólidas que existem nele.

Exemplo: Reator de leito fixo utilizado pela Sasol

Reação da Síntese de Fischer-Tropsch:

- Alimentação de gás de síntese: vazão de 30000 m3/h a 240°C e 27 atm -Reator: 2050 tubos (cada tubo 5 cm de diâmetro e 12 m de comprimento).-Catalisador: à base de ferro (K2O e SiO2), área específica de 200 m2/g.

Reação:Gás de Síntese → Hidrocarbonetos leves + cera parafínica

Conversão: 50% do reagenteCera parafínica uso velas

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REATOR DE LEITO FLUIDIZADO

O funcionamento deste reator é parecido com o reator de leito fixo. Entretanto na prática trata-se de um tubo vertical onde pequenas partículas sólidas são suspensas em uma corrente de fluxo ascendente.A velocidade do fluxo é suficiente para “suspender“ as partículas, mas não grande o suficiente para arrastá-las para fora do reator. Em função deste efeito, as partículas sólidas “dançam” no fluido e permitem que se forme uma excelente mistura entre ambos (partículas sólidas e fluido).

- Temperatura uniforme através do leito;- Permite manipular grandes quantidades de alimentação e de sólidos

Vantagens:- Facilidade de substituição e regeneração do catalisador.

Desvantagens:-alto custo reator e equipamentos de regeneração do catalisador

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Reações em Fase Líquida

Feitas em reatores semi-contínuos.Reações bifásicas nas quais usualmente um gás é borbulhado continuamente através de um líquido.

Desvantagens:- Mesmas reator batelada

Vantagens:-Bom controle de temperatura-minimização de reações laterais indesejáveis

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Fluxograma de Processo Industrial de fase Líquida

Produção comercial de Nitrobenzeno

Matérias-primas Quantidade

Benzeno 0,64 ton

Ácido nítrico 0,515 ton

Ácido sulfúrico 0,0033 ton

Soda cáustica 0,004 ton

Utilidades Quantidade

Água de refrigeração

14200 gal

Vapor 800 lb

Eletricidade 20 kWh

Ar comprimido 180 Scf/m 18

Reações em Fases Gasosas

Reação de Fischer –Tropsch converte o gás de síntese (CO + H2) em alcanos e alcenos em meio catalisado (ferro).

Reação de formação de parafinas: (1)

Por exemplo, obtenção de octano (gasolina):

Formação de Olefinas:

Formação de etileno:

Reação de deslocamento de água:

Reações secundárias produzindo ácido e outros compostos (etanol).

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Que reator utilizar?

Reator de transporte ascendente (riser) ou leito fluidizado circulante ou reator de leito recheado (reator de leito fixo)?

Como o catalisador utilisado no processo decai rapidamente em altas temperaturas (350°C) um REATOR DE TRANSPORTE ASCENDENTE é utilizado.

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Equação Geral do Balanço de Massa

O ponto inicial para o estudo de reatores é o balanço de massa das espécies químicas (reagentes ou produtos) que participam de uma reação química.

Para realizar um balanço de número de moles em um sistema qualquer, é preciso primeiro especificar as fronteiras do sistema.

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Um balanço de uma quantidade conservada (massa total, massa de uma espécie particular, energia, momento) em um sistema (uma unidade de processo, uma série de unidades ou um processo completo) pode ser escrito na seguinte forma geral:

Entrada

(entra através das fronteiras do sistema)

+ Geração

(produzido dentro do sistema)

- Saída

(sai através das fronteiras do sistema)

- Consumo

(consumido dentro do sistema)

= Acúmulo

(acumula-se dentro do sistema)

Exemplo Equação Geral do BalançoA cada ano, 50 000 pessoas se mudam para uma cidade, 75000 pessoas abandonam a cidade, 22000 nascem e 19000 morrem. Escreva um balanço da população desta cidade.

Solução:Se representarmos a população por P, então

Entrada + geração – saída – consumo = acúmulo50000 P/ano + 22000 P/ano -75000 P/ano – 19000 P/ano = A p/anoA = - 22000 P/ano ( a cada ano, a população da cidade diminui em 22000 habitantes)

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Para simplificar cálculos de balanço de massa podem ser usadas as seguintes regras:

• Se a quantidade balanceada é a massa total, faça geração = 0 e consumo =0.

exceto em reações nucleares, a massa não pode ser criada nem destruída.

• se a substância balanceada é uma espécie não reativa nem um reagente nem

um produto), faça geração = 0 e consumo =0.

• Se um sistema está em estado estacionário, faça acúmulo =0, não importa o

que esteja sendo balanceado. Por definição, em um processo em estado

estacionário, nada pode mudar com o tempo, incluindo a porção da grandeza

balanceada.

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BALANÇOS EM PROCESSOS CONTÍNUOS EM ESTADO ESTACIONÁRIO

Para processos contínuos em estado estacionário, o termo de acúmulo na equação geral do balanço é igual a zero, e a equação é simplificada para:

Entrada + Geração = Saída + Consumo

Se o balanço é sobre uma espécie não reativa ou sobre a massa total, os termos de geração e consumo são zero e a equação se reduz a :

Entrada = Saída