Dimensionamento de reatores com Dados Experimentais

8/10/2019 Dimensionamento de reatores com Dados Experimentais

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Dimensionamento de reatores

com dados gráficos outabelados da velocidade de

reação

Luz A / UERJ



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Mapa conceitual da disciplina



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Conteúdo

Algoritmo Gráfico de Levenspiel Dimensionamento de CSTR e PFR

Comparação de reatores contínuos Reatores CSTR em série Reatores PFR em série Reatores CSTR-PFR em série



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1. Balanço molar Equação de balanço molar doreator: Batelada, PFR, PBR(eq. diferenciais),

CSTR (algébrica)

2. Lei de velocidadeFunção das concentrações:•Equação algébrica ou•Gráfico

3. Estequiometria

• Fase líquida ou gasosa?Considerar: Variações devolume, vazão volumétrica,pressão.

• Reações múltiplas?Calcular velocidade global

4. Combinar Combine e resolva

Entrada: Condições da alimentação e volume ou conversão desejada

Saída: condições de saída e conversão ou volume calculado

Definições Conversão, concentração,tempo espacial, etc.

5.Avaliar



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Dimensionamento de reatores com dados

gráficos ou tabelados da velocidade de reação

Conhecidos dados de velocidade de reaçãoexperimental (ex. –rA vs. X)

É útil plotar FA0 /(–rA) vs. X Gráfico deLevenspiel

Área do gráficofornece o volume doreator sob condiçõesidênticas aos dos

experimentos dolaboratório

X

FA0 -rA



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Exemplo Exemplo 2-2 Fogler 4ª Ed.

A reação descrita pelos dados da tabela (AB)deve ocorrer em um CSTR. A espécie A entra noreator a uma vazão molar de 0,4 mol/s.a) Usando os dados da tabela calcule o volumenecessário para atingir 80% de conversãob) Sombreie a área no gráfico de Levenspiel quedaria o volume necessário do CSTR para atingiruma conversão de 80%.

X 0 0,1 0,2 0,4 0,6 0,7 0,8

-rA(mol/m3.s)

0,45 0,37 0,3 0,195 0,113 0,079 0,05



9

Resolução

FA0 /(-rA)(m3)

0,89 1,08 1,33 2,05 3,54 5,06 8,0

X 0 0,1 0,2 0,4 0,6 0,7 0,8

-rA(mol/m3.s)

0,45 0,37 0,3 0,195 0,113 0,079 0,05

1/(-rA) 2,22 2,70 3,33 5,13 8,85 12,7 20



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PFR

A A r dV

dX F 0

X

FA0 -rA

0 Xs

dX r

F V

s X

A

A

0

0

Integração gráficaou numérica



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Integração numérica

2/

1

12

12/

1

20 423

0

n

i

ni

n

i

i

x

x

x f x f x f x f h

dx x f n

Regra de Simpson:

n+1: número de dados. n é par

E: extremosI: internos imparesP: internos paresh=x1-x0=x2-x1=...=xn-xn-1

P I E

h

dx x f

n x

x243

0

Versão simplificada da regra de Simpson:



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A reação descrita pelos dados da tabela deve ocorrer em umPFR. A vazão molar de entrada é 0,4 mol/s.a) Usando os dados da tabela calcule o volume necessáriopara atingir 80% de conversão

b) Sombreie a área no gráfico de Levenspiel que daria ovolume necessário do PFR para atingir uma conversão de80%.c)Finalmente, faça um esboço qualitativo da conversão, X, eda velocidade de reação, -rA, ao longo do comprimento

(volume) do reator.X 0 0,1 0,2 0,4 0,6 0,7 0,8

-rA(mol/m3.s)

0,45 0,37 0,3 0,195 0,113 0,079 0,05



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CSTR PFR

X

FA0 -rA

0 Xs

Menor tamanho?

Melhor desempenho?

Mesmas condições de alimentação

Comparação de reatores contínuos



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Reações isotérmicas, ordem >0

VCSTR > VPFR

VCSTR > ou < VPFR

Reações autocataliticas Reações inibidas pelo produto Reações exotérmicas

Comparação de reatores contínuos



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É interessante comparar os volumes de um CSTR ede um PFR requeridos para a mesma tarefa. Com afinalidade de fazer essa comparação devemos usaro gráfico de Levenspiel para saber qual reator vai

requerer o menor tamanho, de modo a atingir umaconversão de 80%: um CSTR ou um PFR?. A vazãomolar de entrada FA0 = 0,4 mol/s e as condições dealimentação são as mesmas em ambos os casos.



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Reatores em série

X

FA0 -rA

X1 X2

reator primeironosalimentadoAdemolsi pontooatéreagidosAdetotaismolsi X

CSTR

Dois reatores

X1

X2

Melhor um reator grande ou doispequenos?



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X1 X2 X3 X4 X5 X7X6

X

FA0 -rA

CSTR

7 reatores

PFR

n CSTR’s

comportamento

Reatores em série



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X

FA0 -rA

PFR

X1 X2

Dois reatoresMelhor um reator grande ou dois

pequenos?

X1

X2

Reatores em série



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Exemplos Exemplo 2-5 e 2-6 Fogler 4ª Ed.

Para dois reatores em série, uma conversão de40% é atingida no primeiro reator. Qual é o volumenecessário de cada um dos dois reatores, de modoa atingir uma conversão global de 80% da espécie

A que entra no reator. Use as condições de reaçãodadas no exemplo 2-2. Calcule o volume total ecompare com o volume se fosse só um reator.Considere que os dois reatores são:

a)CSTRb)PFR



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Combinação de CSTR e PFR em série

Dois reatores: CSTR-PFR

X1 X2

Dois reatores: PFR-CSTR

X1

X2

A de menor volume total

Gráfico de Levenspiel

Qual será a melhor sequencia?



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X

FA0

-rA

X1 X2

CSTR-PFR

Qual será a melhorsequencia?

X

FA0

-rA

X1 X2

PFR-CSTR




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X1 X2

CSTR-PFR

Qual será a melhorsequencia?

X1 X2

PFR-CSTR


X

FA0

-rA

X

FA0

-rA



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Exemplos Exemplo 2-7 Fogler 4ª Ed.

A isomerização do butanon-C4H10 i-C4H10ocorreu adiabaticamente na fase líquida e os dados da tabelaforam obtidos. O esquema dos reatores é mostrado na figura.Calcule o volume de cada um dos reatores para uma vazãomolar de entrada de n-butano igual a 50 kmol/h. Faça ográfico de Levenspiel

X 0 0,2 0,4 0,6 0,65

-rA (kmol/m3.h) 39 53 59 38 25

V1

V3

V21 2

3

X1=0,2X2=0,6

X3=0,65



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Exemplos Exemplo 2-7 Fogler 3ª Ed.

Com os dados da tabela calcule o volume individual, bemcomo o volume total dos reatores, quando a conversãointermediária é 50%, a final é 80% e FA0=0,867 mol/s. Asequencia dos reatores é:a)PFR-CSTRb)CSTR-PFRc)Qual é o esquema que fornece menor volume?

X 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,85

1/(-rA) (dm3.s/mol)

189 192 200 222 250 303 400 556 800 1000



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Resolução

PFR – CSTR ou CSTR - PFR?

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

0

200

400

600

800

1000

1 / - r A

X

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