Reatores Catalíticos de Leito Recheado e Leito Fixo - Projeto e Aplicações

CEQ 165 Reatores heterogêneos Capítulo 5 Reatores Catalíticos de Leito Recheado Reator de leito fixo Profa Dra Aline Dettmer PROGRAMAÇÃO Reatores catalíticos de leito recheado Reator de leito fixo Projeto de um Reator de leito fixo o Equação de desempenho o Conversão e massa de catalisador sem perda de carga o Conversão e massa de catalisador com perda de carga Reatores de leito fixo não isotérmicos 2 Sugestão de leitura Cap 18 e 19 do Levespiel e os Cap 1 2 5 e 10 do Fogler Reatores catalíticos de leito recheado 3 São reatores recheados com partículas de um catalisador sólido onde de fato ocorrerá a reação superfície do catalisador Duas principais divisões podem ser feitas 1 Reatores de leito fixo 2 Reatores de leito fluidizado com ou sem recirculação de sólidos Reatores catalíticos de leito recheado 4 Reatores de leito fixo Reatores catalíticos de leito recheado 5 Reatores de leito fixo Leito fixo Fixo Reatores catalíticos de leito recheado 6 Reatores de leito fluidizado Partículas de catalisador fluidizado Reatores catalíticos de leito recheado 7 Reatores de leito fluidizado Leito fluidizado com recirculação Reatores catalíticos de leito fixo 8 É semelhante a um reator tubular PFR diferenciandose pelo fato de ser recheado com partículas de catalisador sólido condição de idealidade fluxo pistonado ou seja não há mistura nos sentidos axial nem radial assim como não ocorre transferência de massa Nesses casos o reator catalítico de leito fixo ideal chamase Reator de Leito de Recheio PBR Packed Bed Reactor Leito fixo Fixo Pode ser de vários tipos sendo o mais comum um tubo cilíndrico ou feixe de tubos recheado com catalisador na posição vertical Reatores catalíticos de leito fixo 9 Aplicações Utilizado para reações em fase gasosa geralmente com catalisador sólido Processos para produção em grande escala Pode ser utilizado isoladamente ou associado a outros reatores em série ou em paralelo principalmente em estágios com aquecimento eou resfriamento É operado em regime permanente Reatores catalíticos de leito fixo 10 Principais vantagens manutenção relativamente fácil não há partes móveis para a maioria das reações produz a mais alta conversão por massa de catalisador Principais desvantagens dificuldade de controle da temperatura catalisador mau condutor de calor pode formar canais preferenciais de escoamento do gás gerando uma utilização ineficiente do leito catalítico o custo do catalisador torna este reator mais caro que um trocador de calor não podem ser usados catalisadores com diâmetro de partícula muito pequeno para não causar entupimento ou queda de pressão muito alta Projeto de um PBR 11 Variáveis de projeto usualmente requeridas queda de pressão quantidade de catalisador concentração e conversão na saída P Projeto de um PBR 12 Balanço material taxa de escoamento de reagente para dentro do elemento de volume taxa de escoamento de reagente para fora do elemento de volume taxa de consumo de reagente devido à reação química no elemento de volume taxa de acúmulo de reagente no elemento de volume Assim como o PFR o balanço material para um PBR é realizado em um elemento de volume infinitesimal e não em todo o reator taxa de escoamento de reagente para dentro do elemento de volume taxa de escoamento de reagente para fora do elemento de volume taxa de consumo de reagente devido à reação química no elemento de volume 0 Projeto de um PBR 13 Balanço material 𝐹𝐴 𝐹𝐴 𝑑𝐹𝐴 𝑟𝐴 𝑑𝑊 0 𝑑𝑊 𝑑𝑋𝐴 𝐹𝐴0 𝑟𝐴 Equação geral de projeto para um PBR Considerando balanço molar para o reagente limitante A no elemento de volume 𝑊 𝐹𝐴0 0 𝑋𝐴 𝑑𝑋𝐴 𝑟𝐴 Se P 0 Projeto de um PBR 14 Em termos de τ tempopeso Para processos onde a queda de pressão é desprezível P 0 como em reações em fase líquida 𝑊 𝐹𝐴0 0 𝑋𝐴 𝑑𝑋𝐴 𝑟𝐴 𝑉𝑠 𝐹𝐴0 0 𝑋𝐴 𝑑𝑋𝐴 𝑟𝐴 ou 𝜏 𝐶𝐴0 0 𝑋𝐴 𝑑𝑋𝐴 𝑟𝐴 𝜏 𝑊 𝐶𝐴0 𝐹𝐴0 Em termos de τ tempovolume 𝜏 𝐶𝐴0 0 𝑋𝐴 𝑑𝑋𝐴 𝑟𝐴 𝜏 𝑉𝑠 𝐶𝐴0 𝐹𝐴0 Projeto de um PBR 15 Para processos onde a queda de pressão é desprezível P 0 como em reações em fase líquida as expressões da Tabela podem ser utilizadas 𝑘𝜏 𝑘𝜏 𝑘𝜏 1 𝜀𝐴 ln 1 1 𝑋𝐴 𝜀𝐴𝑋𝐴 Para reação de 1ª ordem com εA 0 Expressões equivalentes 𝑊 𝐹𝐴0 𝜏 𝐶𝐴0 0 𝑋𝐴 𝑑𝑋𝐴 𝑟𝐴 𝜏 𝑊𝐶𝐴0 𝐹𝐴0 𝐶𝐴0 0 𝑋𝐴 𝑑𝑋𝐴 𝑟𝐴 𝑉𝑠 𝐹𝐴0 𝜏 𝐶𝐴0 0 𝑋𝐴 𝑑𝑋𝐴 𝑟𝐴 𝜏 𝑉𝑠𝐶𝐴0 𝐹𝐴0 𝐶𝐴0 0 𝑋𝐴 𝑑𝑋𝐴 𝑟𝐴 Projeto de um PBR 16 Representação gráfica 𝑊 𝐹𝐴0 𝜏 𝐶𝐴0 0 𝑋𝐴 𝑑𝑋𝐴 𝑟𝐴 𝜏 𝑊𝐶𝐴0 𝐹𝐴0 𝐶𝐴0 0 𝑋𝐴 𝑑𝑋𝐴 𝑟𝐴 𝟏 𝒓𝑨 𝟏 𝒓𝑨 Á𝒓𝒆𝒂 𝑊 𝐹𝐴0 𝜏 𝐶𝐴0 Á𝒓𝒆𝒂 𝜏 𝐶𝐴0 𝑊 𝐹𝐴0 Projeto de um PBR 17 Quando existe perda de carga considerável esta é proporcional ao diâmetro dos sólidos e à quantidade desses Queda de pressão mesmas equações de leito fixo OP I 𝑑𝑃 𝑑𝑧 150 𝑢 𝜇 𝑔𝑐𝐷𝑝2 1 𝜑 2 𝜑3 CarmanKozeny 𝑑𝑃 𝑑𝑧 175𝜌𝑢2 𝑔𝑐𝐷𝑝 1 𝜑 𝜑3 BurkePlummer 𝑑𝑃 𝑑𝑧 150 𝑢 𝜇 𝑔𝑐𝐷𝑝2 1 𝜑 2 𝜑3 175𝜌𝑢2 𝑔𝑐𝐷𝑝 1 𝜑 𝜑3 Ergun Projeto de um PBR 18 Quando existe perda de carga considerável esta é proporcional ao diâmetro dos sólidos e à quantidade desses Queda de pressão mesmas equações de leito fixo OP I 𝑑𝑃 𝑑𝑧 150 𝑢 𝜇 𝑔𝑐𝐷𝑝2 1 𝜑 2 𝜑3 CarmanKozeny 𝑑𝑃 𝑑𝑧 175𝜌𝑢2 𝑔𝑐𝐷𝑝 1 𝜑 𝜑3 BurkePlummer 𝑑𝑃 𝑑𝑧 150 𝑢 𝜇 𝑔𝑐𝐷𝑝2 1 𝜑 2 𝜑3 175𝜌𝑢2 𝑔𝑐𝐷𝑝 1 𝜑 𝜑3 Ergun Menor Dp maior queda de pressão Projeto de um PBR 19 Quando existe perda de carga considerável esta é proporcional ao diâmetro dos sólidos e à quantidade desses Queda de pressão em relação à quantidade de sólidos somente quando εA 0 𝑦 𝑃 𝑃0 1 𝛼𝑊 1 2 𝛼 2𝛽0 𝐴𝑐 1 𝜑 𝜌𝑐𝑃0 𝛽0 150 𝑢 𝜇 𝑔𝑐𝐷𝑝 2 1 𝜑 2 𝜑3 175𝜌0𝑢2 𝑔𝑐𝐷𝑝 1 𝜑 𝜑3 onde α parâmetro de queda de pressão kg1 β0 parâmetro de queda de pressão kPam W massa de catalisador kg Ac área da seção transversal do leito m2 ρc massa específica do catalisador kgm3 ρ0 massa específica inicial do fluido kgm3 P0 pressão inicial entrada Pa μ viscosidade do fluido Pas φ porosidade do leito adimensional Dp diâmetro da partícula m Projeto de um PBR 20 Efeitos da queda de pressão Projeto de um PBR 21 Para uma reação de 1ª ordem com εA 0 e T 0 𝑟𝐴 𝑘𝐶𝐴 𝑑𝑊 𝑑𝑋𝐴 𝐹𝐴0 𝑟𝐴 𝐶𝐴 𝐶𝐴0 1 𝑋𝐴 𝑃 𝑃0 𝐶𝐴 𝐶𝐴0 1 𝑋𝐴 1 𝛼𝑊 1 2 𝑑𝑊 𝑑𝑋𝐴 𝐹𝐴0 𝑘𝐶𝐴0 1 𝑋𝐴 1 𝛼𝑊 1 2 𝑋𝐴 1 𝑒𝑥𝑝 𝑘𝐶𝐴0 𝐹𝐴0 2 3𝛼 1 𝛼𝑊 3 2 1 𝑊 1 1 𝐹𝐴0 𝑘𝐶𝐴0 3𝛼 2 ln 1 𝑋𝐴 2 3 𝛼 Projeto de um PBR 22 Para uma reação de 2ª ordem com εA 0 e T 0 𝑟𝐴 𝑘𝐶𝐴 2 𝑑𝑊 𝑑𝑋𝐴 𝐹𝐴0 𝑟𝐴 𝐶𝐴 𝐶𝐴0 1 𝑋𝐴 𝑃 𝑃0 𝐶𝐴 𝐶𝐴0 1 𝑋𝐴 1 𝛼𝑊 1 2 𝑑𝑊 𝑑𝑋𝐴 𝐹𝐴0 𝑘𝐶𝐴0 2 1 𝑋𝐴 2 1 𝛼𝑊 𝑋𝐴 𝑘𝐶𝐴0 2 𝑊 𝐹𝐴0 1 𝛼𝑊 2 1 𝑘𝐶𝐴0 2 𝑊 𝐹𝐴0 1 𝛼𝑊 2 𝑊 1 1 2𝐹𝐴0𝛼 𝑘𝐶𝐴0 2 𝑋𝐴 1 𝑋𝐴 1 2 𝛼 Projeto de um PBR 23 Observação As soluções anteriores foram obtidas para dois casos muito simples εA 0 T 0 e cinética simples Quando o sistema for mais complexo devese utilizar todas as equações em termos de εA T e outros termos cinéticos taxa de transferência de massa reações na superfície etc na equação geral de desempenho para um PBR Muito provavelmente você necessitará de um software para a resolução da equação 𝑑𝑊 𝑑𝑋𝐴 𝐹𝐴0 𝑟𝐴 Ver exemplo 102 no item 1044 no Fogler Projeto de um PBR 24 PBR não isotérmico com estágios Ótimo Ótimo Ótimo Exotérmica reversível Exotérmica irreversível Endotérmica FOGLER H Scott Cálculo de Reatores O Essencial da Engenharia das Reações Químicas LTC 052014 VitalSource Bookshelf Online FOGLER H Scott Elementos de engenharia das relações químicas 4 ed Rio de Janeiro LTC c2009 xxix 853 p LEVENSPIEL Octave Engenharia das reações químicas São Paulo E Blücher 2000 563 p McCABE Warren L SMITH Julian C Unit Operations of Chemical Engineering New York McGrawHill 1993 25 REFERÊNCIAS