Engenharia de Reações Químicas I - Reatores Industriais e Tratamento de Efluentes

Matérias Primas Estrutura de um Processo Industrial Preparação Transformações Químicas Acabamento Processos de Tratamento Produtos Rejeitos Efluentes Reciclos Reatores Químicos 2 Estrutura de um Processo Industrial Reatores Industriais Descontínuos Pequenas Capacidades Processamento em Lotes ou Bateladas Operam em Regime Transiente Contínuos Grandes Capacidades Processamento Contínuo Operam em Regime Permanente 3 reator batelada batch reator contínuo de tanque agitado 5 reator contínuo de tanque agitado 6 microrreatores reatores de leito fixo Conversor de SO2 8 reator tubular Estação de Tratamento de Efluentes Industriais 10 Célula centrosome peroxisome Golgi apparatus secretory vesicles cytoplasm mitochondrion rough endoplasmic reticulum nuclear envelope nucleoplasm nucleolus nuclear pore nucleus smooth endoplasmic reticulum cell membrane cilium ribosomes lysosome centriole Reator de Tratamento de Efluentes por Oxidação Avançada 12 Reator de Tratamento de Efluentes por Oxidação Avançada 13 CO NHMC VOC emission O2 CO2 or RO2 OH HO2 NO hv NO2 O2 O3 15 PQI 3305 Engenharia de Reações Químicas I guardaniuspbr acscteixuspbr Docentes Roberto Guardani Antonio Carlos S C Teixeira Aulas Parte 1 2ª feira 9h20 a 11h00 Parte 2 2ª feira 13h10 a 14h50 15h00 a 16h40 SISTEMA DE REAÇÕES BALANÇO DE MASSA BALANÇO DE ENERGIA CINÉTICA DE REAÇÕES QUÍMICAS CÁLCULO DE Conversões Concentrações das Espécies Dimensões do sistema 16 17 PQI 3305 Engenharia de Reações Químicas I PLANO DAS AULAS 2022 Tópico 1 Apresentação do curso Introdução Reatores ideais Balanços molares aplicados a reatores químicos 2 Aplicações de estequiometria em reatores químicos 3 Projeto de reatores isotérmicos para reações simples 4 Projeto de reatores isotérmicos para reações simples aplicações 5 Projeto de reatores isotérmicos para reações simples aplicações 6 Obtenção e tratamento de dados cinéticos 7 Prova P1 18 PQI 3305 Engenharia de Reações Químicas I Tópico 8 Reações múltiplas 9 Reações múltiplas Aplicações 10 Balanço de energia aplicado a reatores 11 Balanço de energia aplicado a reatores aplicações 12 Balanço de energia aplicado a reatores aplicações 13 Desenvolvimento de aplicações Projeto 14 Desenvolvimento de aplicações Projeto 15 Prova P2 16 Prova REC PLANO DAS AULAS 2022 PQI 3305 Engenharia de Reações Químicas I Bibliografia C HILL An Introduction to Chemical Engineering Kinetics and Reactor Design Wiley 1977 GF FROMENT KB BISCHOFF Chemical Reactor Analysis and Design Wiley New York 2nd ed 1990 HS FOGLER Elements of Chemical Reaction Engineering 2nd ed PrenticeHall Englewood Cliffs 1992 3rd ed 1999 4th ed 2006 Há edição em português traduções da 3ª e 4a edições JM SMITH Chemical Engineering Kinetics McGrawHill New York 3rd ed 1981 M SCHMAL Cinética e Reatores Aplicação na Engenharia Química Teoria e Exercícios Synergia Rio de Janeiro 2013 O LEVENSPIEL Engenharia das Reações Químicas trad da 2ª edição de Chemical Reaction Engineering Edgar Blucher e EDUSP São Paulo 1974 Tradda 3aedição Edgar Blucher 1999 R ARIS Elementary Chemical Reactor Analysis PrenticeHall Englewood Cliffs 1969 19 Balanço Molar para uma espécie s em sistemas com uma ou mais reações químicas dNsdt FsEntra FsSai σsr dNsdt FsEntra FsSai Σ q1 a Q reações σsqrq 21 CONCEITOS DE CINÉTICA QUÍMICA APLICADA Engenharia de Reações Químicas Reações Químicas envolvem interações entre moléculas das espécies químicas presentes em um sistema com transformações de reagentes em produtos Essas interações não são instantâneas a Velocidade das Reações depende de Concentração das espécies químicas que reagem Temperatura do sistema Forma de contato entre reagentes e catalisador Velocidade Específica de Reação Dimensões 𝐸𝐸ú𝑚𝑚𝑟𝑟𝐸𝐸𝑚𝑚 𝑑𝑑𝑟𝑟 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑟𝑟𝑠𝑠 𝑑𝑑𝑟𝑟 s formados 𝑢𝑢𝐸𝐸𝑆𝑆𝑑𝑑𝐸𝐸𝑑𝑑𝑟𝑟 𝑑𝑑𝑟𝑟 𝑑𝑑𝑟𝑟𝑚𝑚𝑡𝑡𝑚𝑚 𝑢𝑢𝐸𝐸𝑆𝑆𝑑𝑑𝐸𝐸𝑑𝑑𝑟𝑟 𝑑𝑑𝑟𝑟 𝑣𝑣𝑚𝑚𝑚𝑚𝑢𝑢𝑚𝑚𝑟𝑟 CONCEITOS DE CINÉTICA QUÍMICA APLICADA Engenharia de Reações Químicas 22 Velocidade Específica de Reação CONCEITOS DE CINÉTICA QUÍMICA APLICADA Engenharia de Reações Químicas A B C D A B C D REATOR QUÍMICO 23 𝐸𝐸𝑠𝑠 𝑘𝑘 𝑓𝑓𝐶𝐶1 𝐶𝐶𝑠𝑠 Velocidade Específica de Reação Rate Law funções das potências das Concentrações das Espécies Químicas que participam da reação química 𝐸𝐸𝑠𝑠 𝑘𝑘 𝐶𝐶1 𝐸𝐸1𝐶𝐶2 𝐸𝐸2 𝐶𝐶𝑠𝑠𝐸𝐸𝑠𝑠 k constante cinética depende somente da temperatura 24 25 Velocidade Específica de Reação 𝐸𝐸ú𝑚𝑚𝑟𝑟𝐸𝐸𝑚𝑚 𝑑𝑑𝑟𝑟 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑟𝑟𝑠𝑠 𝑑𝑑𝑟𝑟 s formados 𝑢𝑢𝐸𝐸𝑆𝑆𝑑𝑑𝐸𝐸𝑑𝑑𝑟𝑟 𝑑𝑑𝑟𝑟 𝑑𝑑𝑟𝑟𝑚𝑚𝑡𝑡𝑚𝑚𝑢𝑢𝐸𝐸𝑆𝑆𝑑𝑑𝐸𝐸𝑑𝑑𝑟𝑟 𝑑𝑑𝑟𝑟 𝑣𝑣𝑚𝑚𝑚𝑚𝑢𝑢𝑚𝑚𝑟𝑟 n1 n2ns ordem da reação em relação a cada reagente n1 n2 ns ordem global da reação 𝐸𝐸𝑠𝑠 𝑘𝑘 𝑓𝑓𝐶𝐶1 𝐶𝐶𝑠𝑠 𝐸𝐸𝑠𝑠 𝑘𝑘 𝐶𝐶1 𝐸𝐸1𝐶𝐶2 𝐸𝐸2 𝐶𝐶𝑠𝑠𝐸𝐸𝑠𝑠 Velocidade Específica de Reação Rate Law 26 𝑘𝑘 𝑘𝑘0𝑟𝑟 𝐸𝐸 𝑅𝑅𝑅𝑅 Constante cinética Modelo de Arrhenius k Temperatura k0 Termo préexponencial E Energia de Ativação Energiamol R Constante Universal 8314 JmolK1 1989 calmolK1 T Temperatura K 27 𝑘𝑘 𝑘𝑘0𝑟𝑟 𝐸𝐸 𝑅𝑅𝑅𝑅 Energia de Ativação E Reagentes E Produtos E Máx E E ativ 28 Dependência da Velocidade Específica de Reação em relação à Temperatura Então 29 Reações Elementares e Não Elementares Para a reação química A B P Se o MECANISMO da reação envolver colisões de uma molécula de A com uma de B formando o produto P então a reação é dita ELEMENTAR 30 Reação química 2NO O2 2NO2 Exemplos de reações tratadas como Elementares Reação química H2 I2 2HI 31 Reação química 2N2O 2N2 O2 Exemplos de reações tratadas como Não Elementares Reações envolvendo bioprocessos Substrato S Células C mais Células C Produtos 32 𝐸𝐸ú𝑚𝑚𝑟𝑟𝐸𝐸𝑚𝑚 𝑑𝑑𝑟𝑟 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑟𝑟𝑠𝑠 𝑑𝑑𝑟𝑟 s formados 𝑢𝑢𝐸𝐸𝑆𝑆𝑑𝑑𝐸𝐸𝑑𝑑𝑟𝑟 𝑑𝑑𝑟𝑟 𝑑𝑑𝑟𝑟𝑚𝑚𝑡𝑡𝑚𝑚𝑢𝑢𝐸𝐸𝑆𝑆𝑑𝑑𝐸𝐸𝑑𝑑𝑟𝑟 𝑑𝑑𝑟𝑟 𝑣𝑣𝑚𝑚𝑚𝑚𝑢𝑢𝑚𝑚𝑟𝑟 n1 n2ns ordem da reação em relação a cada reagente n1 n2 ns ordem global da reação 𝐸𝐸𝑠𝑠 𝑘𝑘 𝑓𝑓𝐶𝐶1 𝐶𝐶𝑠𝑠 𝑘𝑘 𝑘𝑘0𝑟𝑟 𝐸𝐸 𝑅𝑅𝑅𝑅 k0 Termo préexponencial E Energia de Ativação Energiamol R Constante Universal 8314 JmolK1 1989 calmolK1 T Temperatura K A forma matemática e os parâmetros de rs são ajustados a partir de dados experimentais 33 Reagente Chave ou de referência D C B A d c b a D C B A a d a c a b Balanço Molar para o reagente de referência A 34 FAEntra FASai Reator Volume V 35 Reatores Ideais Aplicação do Balanço Molar para um reagente de referência A FAEntra FASai Reator Volume V 36 Reator Descontínuo Ideal de Batelada ou batch Hipóteses Reator fechado Homogêneo 37 Reator Contínuo de Mistura tanque agitado CSTR Continuous StirredTank Reactor Hipóteses Reator aberto Homogêneo Regime estacionário FA Entra FA Sai 38 Reator Contínuo Tubular escoamento pistonado PFR Plugflow Reactor Tubo cilíndrico de volume V velocidade do fluido no tubo 39 Reator Contínuo Tubular escoamento pistonado PFR Plugflow Reactor 40 Reator Contínuo Tubular escoamento pistonado PFR Plugflow Reactor Hipóteses Reator aberto Regime estacionário Perfil de velocidade escoamento turbulento aqui as coisas variam ao longo do volume do reator FA Entra FA Sai Tubo cilíndrico de volume V V FAV FAVV V 41 FA Entra FA Sai Tubo cilíndrico de volume V V FAV FAVV V Reator Contínuo Tubular PFR Plugflow Reactor Balanço Molar em V Fazendo V dV reator tubular Essas soluções para os três tipos de reatores ideais podem ser escritas em termos da Fração Convertida do Reagente A batelada batch reator contínuo de tanque agitado CSTR reator tubular PFR r V dt dX N A A 0 saída A entrada saída A r X X F V 0 A A r dV dX F 0 44 Reatores Ideais reatores de leito fixo Conversor de SO2 45 46 Projeto de um reator em escala industrial a partir de dados de laboratório Uma indústria precisa do projeto de um sistema para tratamento de um poluente A que é gerado na forma de uma solução aquosa a uma vazão de 10 litrosminuto Em um experimento em laboratório em um béquer verificouse que são necessários 10 minutos para degradar 90 do poluente à temperatura de 25 oC Sabendo que a reação de degradação é de primeira ordem calcule o volume de um reator contínuo industrial operando à mesma temperatura para que a concentração do poluente na corrente de saída seja de 1 da concentração da corrente de alimentação Considere dois tipos de reatores tanque agitado e reator tubular Uma estação de tratamento de efluentes industriais líquidos contendo um poluente A é composta por dois tanques cilíndricos de 100 m de altura e diâmetros de 112 e 160 m respectivamente ver figura O primeiro tanque recebe o efluente a uma vazão de 1000 Lh1 na concentração de 500 ppm e uma corrente de água de diluição de 2000 Lh1 O segundo tanque recebe a descarga do primeiro e uma corrente do efluente na vazão de 5500 Lh1 e concentração de poluente de 90 ppm A reação de decomposição tem ordem 1 e a constante cinética pode ser expressa pela seguinte expressão k ko exp ERT em h1 Admitindose mistura perfeita nos dois reatores calcule o teor de poluente na corrente de saída 5 para o sistema operando a 27oC 1 2 efluente 1000 Lh 500 ppm de A Água 2000 Lh efluente 5500 Lh 90 ppm de A Reator Reator 1 2 3 4 5 ko 44 x 104 h1 E 6000 calmol1 R 198 calmol1K1 47