Reatores químicos 2

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Trabalho realizado por: André Rocha nº2 João Maia nº6 Maria Inês nº7 * Reatores químicos

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Trabalho sobre reatores químicos

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Trabalho realizado por:

André Rocha nº2

João Maia nº6

Maria Inês nº7

*Reatores químicos

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Os reatores químicos são equipamentos que

realizam reações em escala industrial para

transformação de matérias primas em produtos.

Esta definição exclui os equipamentos e

vidraçaria de laboratórios que realizam reações

como parte de procedimentos analíticos e

sintéticos ou como parte de determinações de

propriedades físico-química de materiais.

O que são reatoresquímicos?

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Transferências de energia podem vir na forma de aquecimento ou resfriamento.

Reatores químicos

Equipamento onde ocorrem reações químicas, transferências de massa e calor, isto é, onde determinadas espécies moleculares são

transformadas noutras espécies moleculares

O fluido reacional pode ser aquecido ou arrefecido e pode também trocar a massa e /ou calor com uma fase estagnante.

Constitui assim o “coração “ das unidades de fabrico de produtos químicos, encontrando-se quer em refinarias, complexos de metalúrigicos ou fábricas de

produtos químicos.

Fase estagnante: fase que parou, não tem

movimento no reator

Fase estagnante

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Especiais:

Próprios para um determinado processo (não ideais)

Padronizados:

Com finalidade multipropósito, desde que os produtos tenham alguma catarerística em comum.ex.: viscosidade, faixa pH, temperatura, pressão, etc… (ideais)

Existem vários tipos de reatores químicos e várias formas de classificá-los.

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Reatores ideiasSão 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 ideias:São aqueles para os quais é necessário um

tratamento matemático específico em função de peculiaridades de reação e / ou

reator

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•Exemplos

Tanques (Fermentação de cerveja)

Tubulações (Divisão, quebra de hidrocarbonetos)

Altos-fornos (Redução de minério de ferro)

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*Ambos os reatores (tubular e tanque) podem operar em modo descontínuo

ou contínuo.

* Normalmente, a operação de um reator é feita em regime permanente sendo

que uma operação transitória ocorre quando, por exemplo, existe alguma

manutenção no equipamento e este deve ser colocado em operação de regime

novamente.

* Os reatores podem acomodar sólidos (reagentes, catalisadores, materiais

inertes), mas em geral os reagentes são tipicamente líquidos e gases.

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Dentro das diversas características duma transformação química, tomemos, para servir debase à nossa classificação, a mais evidente à escala macroscópica, a natureza das fases empresença.Deste modo uma primeira distinção entre os diversos casos será:

Sistemas monofásicos ou homogéneosO meio reaccional é constituído por uma única fase, gasosa ou uma fase líquida.Neste caso os reactores são ditos do tipo homogéneo.

Sistemas polifásicos ou heterogéneos

Podem ser considerados inúmeras combinações:Gás + líquido; Líquido + líquido; Gás + sólido; Líquido + sólido; Gás + líquido + sólido

ou de uma forma mais geral:Fluidos + sólidos

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Os reatores também podem ser classificados quanto a natureza das

fases participantes como reatores homogéneos de meios totalmente

gasosos ou líquidos, e reatores heterogéneos, com os reagentes

estando nas diversas combinaçoes de fases possíveis:

gás-líquido, gás-sólido, líquido-sólido e gás-líquido-sólido.

Reatores de reações químicas sólido-sólido são relativamente raros.

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Modo de operação

ContínuosDescontínuos

Semi descontínuos

Tipo de reaçãoCatalíticos

Não catalíticos

Geometria do reator

HomogéneoNão homogéneo (heterogéneo)

Tanque perfeitamente agitado

Tubular

Contínuos: CSTRDescontínuos

Semi descontínuos

Fase homogéneaLeito fixo

Leito móvel

Fases da mistura

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É um processo no qual há entrada de massa, mas o produto não é removido durante a operação ou não havendo

entrada de massa e só remoção do produto.

Processo Contínuo

É um processo no qual a massa de alimentação e os produtos fluem continuamente enquanto dura o

processo.

Processo descontínuo (batelada)

É um processo no qual a massa não é adicionada nem removida do processo durante

a sua operação.

Processo semi-contínuo (ou sem -

descontínuo)

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Processo Contínuo

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Processo descontínuo (batelada)

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Processo semi-contínuo(ou sem - descontínuo)

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Reatores catalíticos de leito fixo(a) Reator multitubular(b) um tubo com catalisador

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O reator de leito fluidizado é semelhante ao

CSTR no sentido de que seu conteúdo,

embora heterogêneo, é bem misturado,

resultando em uma distribuição homogênea

de temperatura através do leito.

Pode ser catalítico ou não-catalítico

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Tanque agitado aberto

Tanque agitado fechado

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Para se

Transferência

de Calor e de

Massa

Propriedades dos fluidos e

dos materiais

termodinâmicos

(entalpia das

reações,

capacidades

caloríficas)

Leis cinéticas das reações

envolvidas

os reatores químicos, é necessário dispor de uma série de informação essencial, ou seja, de Parâmetros relacionados com:

Compreender, modelar,

optimizar, dimensionar

controlar

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1. A parte principal é o reator onde ocorre a transformação de reagentes em produtos.

Tem-se que ter em conta:

O mecanismo da reação,

Condições dos reagentes e das matérias primas (grau de pureza, composição, etc)

Condições de pressão e temperatura

Tipos de catalisadores

As etapas de produção de qualquer produto químico podem ser divididas em 3 grandes grupos:

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2. Antes de entrarem no reator reagentes ou matérias-primas passam através de vários equipamento, onde pressão, temperatura, composição e fase são ajustadas para que sejam alcançadas as condições em que ocorrem as reações químicas, ou seja, são as etapas de preparação da carga para o reator.

3. Os efluentes do reator são, em geral, uma mistura de produtos, contaminantes apropriados para se obter o(s) produtos (s) na pureza adequada ao mercado.

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“A cinética química e o projeto de reatoresestão no coração de quase todos os produtos

químicos Industriais”Fogler

Matérias primasProdutos

Eficiência do processo:• Rendimento• Conversão

• Seletividade, etc

Reator

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Os reatores químicos têm como principal objetivoconverter, em condições controladas, reagentes em

produtos.

A fase de projeto é uma etapa determinante e pode envolver uma série de questões mais ou menos complexas,

tais como:

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Projetodo reator

Projeto mecânico

Requisitos de manutenção

Custos de investimento e produção

Projeto mecânico

Condições de transferência de calor

Sistema de controlo e segunrança

Tipo de reatores

Propriedades de reagentes e produtos

Condições de pressão e temperatura

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A modelação matemática deste tipos de sistemas, permite ter

capacidade de previsão, bem como optimizar o seu funcionamento no

sentido de obter rendimento máximo.

Nos modelos matemáticos, para além da reação química, são também

tidos em conta os mecanismos de transferência de massa e calor,

sendo possível estudar o comportamento estacionário ou dinâmico do

reator.

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A classificação primária dos reatores químicos pode ser feita com base na forma de energia

usada na realização da reação. Por esse critério eles podem ser:

Termoquímicos – a energia é fornecida ou retirada em forma de calor;

Eletroquímicos – a reação decorre da passagem de corrente elétrica na mistura;

Fotoquímicos – a reação ocorre devido à energia fotónica emitida por lâmpadas e

Bioquímicos – a reação utiliza a energia química proveniente do catabolismo celular

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Reatores bioquímicos Os reatores bioquímicos estão ligados a biotecnologia que utiliza a ação

de células vivas para realizar a transformação desejada. Desta forma são

produzidos ácidos orgânicos, bebidas, antibióticos, anticorpos

monoclonais, etc.

As células vivas podem ser microrganismos ou células de tecidos vivos.

As dornas de fermentação usadas na produção de etanol são exemplos

de reatores bioquímicos.

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Eletroquímicos

Os reatores eletroquímicos normalmente realizam reações com energia

livre desfavorável.

A Monsanto, por exemplo, fabrica a adiponitrila a partir da

acrilonitrila por via eletroquímica.

A fabricação do alumínio a partir da alumina é outro exemplo.

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Os reatores termoquímicos são, de longe, os mais comuns nas indústrias

químicas e os mais estudados nos cursos de engenharia química. Estão nesta

categoria os polimerizadores, os reatores encontrados nas refinarias como os

craqueadores térmico e catalítico, reformador catalítico, etc.

Reatores termoquímicos

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Em qualquer processo industrial (os processos industriais de natureza química não constituem excepção), pretende-se produzir, com o máximo de rentabilidade, um dado produto (ou uma gama de produtos), a partir

de um dado conjunto de matérias-primas.

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Tanques que contém um ou mais sistemas de agitação e troca de calor,

capaz de aquecer ou arrefecer o líquido, onde a agitação se encarrega de

misturar todos ou vários componentes que fazem parte do produto e uniformizar a temperatura.

Tanque perfeitamente

agitado

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Reatores Bϋchi

Reatores de vidro e aço vitrificado.Usados no laboratório de farmoquímica.

Reatores de pressão, hidrogenadores.

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Embora os reatores catalíticos sejam frequentemente implementados como reatores

de fluxo em pistão, a sua análise requer tratamento mais complexo.

A taxa de uma reação catalítica é proporcional à quantidade de catalisador com os

quais os reagentes entram em contato.

O comportamento do catalisador é também algo a ser considerado. Particularmente

em processos petroquímicos a alta temperatura, catalisadores são desativados por

sintetização, codificação e processos similares.

Um exemplo comum de uma reação catalítica é a conversão catalítica posterior a

um motor de combustão interna, para os gases de exaustão.

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Na maior parte dos processos que utilizam catalisadores sólidos são

usados reatores catalíticos de leito fixo FBR (Fixed Bed Reactores).

A aplicação industrial deste tipo de reatores é vasta, podendo ser

encontrados na industria química, na base indústria

petroquímica, refinação de petróleo.

Actualmente, os reactores de leito fixo são utilizados principalmente em

unidades de grande capacidade, sobretudo em reactores do tipo

multitubular.

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Os reatores catalíticos requerem tratamento separado.As variáveis chave de processo incluem:

Tempo de residência (τ, letra grega tau minúscula)Volume (V)

Temperatura (T)Pressão (P)

Concentrações de espécies químicas (C1, C2, C3, ... Cn)Coeficientes de transferência de calor (h, U)

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