U S P – E E L - E s c o l a d e E n g e n h a r i a d e L o r e n a Reatores – Aula 1 – Introdução a Engenharia de Reatores

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1 - Introdução “A cinética química e o projeto de reatores estão no coração de quase todos os produtos químicos industriais. É, principalmente, o conhecimento da cinética química e o projeto do reator que distinguem o engenheiro químico dos outros engenheiros”

(Fogler – Capítulo 1 – Introdução de seu livro) 2 – Objetivos do Curso

- Familiarizar estudantes com a terminologia e conceitos das Engenharias das Reações Químicas.

- Integrar para o estudante o uso da Cinética Química no projeto de reatores químicos. - Desenvolver e reforçar habilidades matemáticas necessárias para o projeto de reatores

químicos. 3 – Estrutura A idéia central do curso de reatores é permitir que o aluno faça a integração entre os conhecimentos de química e a sua aplicação na Engenharia.

Os pilares da Engenharia das Reações Químicas, segundo Fogler, estão representados na Figura 1.

Figura 1 - Os pilares da Engenharia das Reações Químicas

4 – Equação Geral de 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.

Este balanço de massa é representado, de uma forma geral, pela equação 1.

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⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡+

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

+⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

volumede elementono reagente do

acúmulo de Taxa

volumede elementono Química Reaçãoà devido reagentede consumo de Taxa

volumede elementodo fora para reagentede escoamento de Taxa

volumede elemento dodentro para reagente

de escoamento de Taxa

[Entra] = [Sai] + [Reage] + [Acumula]

___________________________________________________________ Equação 1 – Balanço de Massa Genérico

Para um elemento de volume do reator, o balanço de massa é representado na Figura 2.

Figura 2 – Balanço de massa para um elemento de volume do reator (Levenspiel)

5 – Equação Geral de Balanço de Energia Uma análise mais completa de um reator implica também no estudo do balanço de energia das espécies químicas (reagentes ou produtos) que participam de uma reação química.

Este balanço de energia é representado, de uma forma geral, pela equação 2.

⎥⎥⎥

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⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡+

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⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

+⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

volumede elementono energia de

acúmulo de Taxa

volumede elementono química reação

pela consumidaenergia de Taxa

volumede elementodo sai que

energia de Taxa

volumede elementono entra que

energia de Taxa

[Entra] = [Sai] + [Reage] + [Acumula]

___________________________________________________________ Equação 2 – Balanço de Energia Genérico

Para um elemento de volume do reator, o balanço de energia é representado na Figura 3.

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Figura 3 – Balanço de energia para um elemento de volume do reator (Levenspiel)

6 – Reatores Ideais e Não Ideais

Reatores Ideais são aqueles para os quais se desenvolve um modelo matemático específico 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 matemático

específico em função de peculiaridades de reação e/ou reator. O foco do nosso curso estará em Reatores Ideais.

7 – Tipos de Processos Os três tipos de processos mais comuns são os seguintes:

• Descontínuo (ou Batelada) – Exemplo (a) da Figura 4 • Contínuo - Exemplo (b) da Figura 4 • Semi Batelada (ou semi contínuo) - Exemplos (c), (d) e (e) da Figura 4

Figura 4 – Formas de alimentação de um sistema (Levenspiel)

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Para cada uma das formas de alimentação apresentadas na Figura 4, a Tabela 1 apresenta um resumo da análise da variação do volume e da composição do meio reacional em função do tempo.

EXEMPLO OPERAÇÃO VOLUME COMPOSIÇÃO

(a) Batelada Constante Variável

(b) Contínua Constante Constante (no mesmo ponto)

(c) Semi Batelada Variável Variável

(d) Semi Batelada Variável Constante

(e) Semi Batelada Constante Variável

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.

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

8.1- Reator descontínuo (ou 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.

Em inglês é conhecido como: Batch Reactor (vide figura 5a) 8.2 – Reator Tubular – é um tubo sem agitação no qual todas as partículas escoam com a

mesma velocidade na direção do fluxo. Em inglês é conhecido como: Tubular Reactor ou Plug Flow Reactor (PFR). (vide figura 5b) 8.3 – Reator de mistura – 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). (vide figura 5c)

Figura 5 – Principais Tipos de Reatores Ideais

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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?

Reator (1) Variação de Ci com o tempo (2) Variação de Ci no espaço

Batch varia não varia

CSTR Não varia não varia

PFR não varia varia 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. 9 – Reatores para Reações Heterogêneas 9.1 – Reator de Leito Fixo

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 e pequenas partículas depositadas ao longo do comprimento de um tubo. Em inglês é conhecido como Packed-Bed Reactor (PBR).

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.

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9.2 – Reator de Leito Fluidizado

O funcionamento deste reator é parecido com o PBR. 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).

Exemplos de Reatores Industriais

Leituras Complementares Sugeridas Missen – capítulo 11 – páginas 283 a 292 Missen – capítulo 21 – páginas 512 a 515 Missen – capítulo 23 – páginas 569 a 571 Fogler – capítulo 1 – páginas 16 a 24 (Exemplos de Reatores Industriais)

Fogler – capítulo 12 – páginas 786-787 (Reator de Leito Fluidizado) Fotos de reatores industriais - http://www.engin.umich.edu/~cre/01chap/master.htm

10 – Considerações Gerais 10.1 – Parâmetros Relacionados com Projeto de Reatores

1. Tipo de processo: Descontínuo, Contínuo ou Semi Batelada. 2. Tipo e natureza do sistema reagente:

Reagente(s) e produto(s) Reação Simples e Complexa Estequiometria Número de Fases Presentes Reação Catalítica ou Não Catalítica Reação Endotérmica ou Exotérmica

3. Tipo e tamanho do Reator Batelada Contínuo (Mistura, Tubular, Leito Fixo, Leito Fluidizado,...)

4. Modo de Operação Um único reator ou vários reatores Reatores em série e/ou paralelo Operação Isotérmica ou não isotérmica Operação Adiabática ou não adiabática

5. Condições do Processo Perfil de Temperatura

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Perfil de pressão Composição da alimentação Composição de saída do reator

6. Otimização das Condições do Processo do Tamanho do Reator da Distribuição dos Produtos da Conversão de Saída dos Custos do Processo

7. Controle e Estabilidade de Operação Instrumentação Utilização de Catalisador (desativação, envenenamento) Variáveis Sócio-Econômicas Custos Meio Ambiente Segurança

8. Materiais da Construção 9. Procedimentos de Scale Up e Start Up

10.2 – Dados Requeridos para o Projeto de Reatores

Dados Tipos de Dados

Químicos Reagentes Produtos

Cinéticos Lei da Velocidade (ordem, constante de velocidade) Energia de ativação’

Físico-Químicos

Equilíbrio Químico Dados Termoquímicos (entalpia de reação, calores de formação, capacidades caloríficas) Densidade Viscosidade

10.3 – Ferramentas a serem utilizadas

1. Cinética Química 2. Transferência de Calor 3. Transferência de Massa (Difusão) 4. Termodinâmica Química (Equilíbrio Químico e Equilíbrio de Fases) 5. Matemática Avançada 6. Softwares computacionais

Leitura Complementar Levenspiel – Capítulo 4 – pagina 67-69 BIBLIOGRAFIA DO CAPÍTULO

Tópico Bibliografia Equação Geral de Balanço de

Massa e de Balanço de Energia Fogler - capítulo 1 – páginas 6 a 8 Levenspiel – Capítulo 4 – paginas 67-69

Reatores Ideais Básicos (reações homogêneas)

Fogler – capítulo1 – páginas 8 a 14, 16 a 21 Missen – capítulo 2 – páginas 26,29,33,294-295, 335-336, 365-366

Ferramentas do estudo de Reatores Missen – capítulo 11- páginas 279 a 283

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Avaliação do Aprendizado

1 – (Fogler 1.9) – Consultando o texto do livro e as referencias adicionais sobre reatores comerciais fornecidas ao final deste capitulo, preencha a seguinte tabela.

Tipo de Reator Características

Tipos de Fases

Presentes Uso Vantagens Desvantagens

Batch

CSTR

PFR

PBR

2 – (Fogler 1.14) – Escreva um resumo de um parágrafo de um artigo de um periódico de cinética

química ou engenharia de reatores químicos. O artigo deve ter sido publicado nos últimos cinco anos. O que você aprendeu deste artigo? Por que este artigo é importante?

3 – (Fogler 1-17) – Veja as fotografias e os esquemas de reatores no CD-ROM (na biblioteca) ou no

website do livro (na web), na seção “Elements of Chemical Reaction Engineering – Chapter 1”. Escreva um parágrafo descrevendo dois ou mais dos reatores. Que diferenças e semelhanças você

observa entre as fotos de reatores na Web e os reatores que você vê nos livros textos?

4 – (P1 – 2003) - Você está começando a sua vida profissional em uma indústria química. Seu chefe sai com você para mostrar a fabrica e ao longo do trajeto vai lhe fazendo comentários sobre os diversos tipos de reatores que lá estão.

Na primeira planta a ser visitada, seu chefe mostra a você um reator e diz : “Este é um reator ______________, e ele possui controle automáticos de temperatura e pressão que o monitoram o tempo todo. Este é um tanque, que muitas vezes é confundido com um misturador. Sua principal característica é __________________________________________________________________________”

Em seguida passando por uma outra planta industrial, seu chefe comenta: “Ih....este reator _______________ agora é complicado, porque o maior desafio que temos é mantê-lo funcionando continuamente a temperatura constante. Isto é muito difícil. Entretanto, dentre os reatores que operam em fluxo continuo, este reator possui uma grande vantagem que é: ___________________________________ ____________________________________________________________________________. Este reator deve ser usado, preferencialmente, em reações em fase __________________.

Por outro lado, os reatores ____________________________ são usados quando a produção é pequena ou quando as reações de segurança exigem que se opere pequenas quantidades de cada vez, como é o caso de explosivos.