Reatores Homogêneos com Reciclo - Projeto e Aplicações

Reatores Homogêneos Capítulo 43 Projeto de reatores Reatores com reciclo Profa Aline Dettmer Reatores com reciclo Podese empregar correntes de reciclo em reatores contínuos tanto em PFR quanto em CSTR com objetivos bem específicos Reatores com reciclo são utilizados principalmente quando a conversão de produtos indesejados tóxicos é requerida sendo reciclados até a extinção a reação é autocatalítica é necessário que se mantenha operação isotérmica em sistemas com escassos equipamentos de troca térmica usar a corrente de produto como um diluente manter CA0 em um valor baixo 2 Reatores com reciclo Para qualquer caso a razão de reciclo R é definida como 3 𝑹 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑞𝑢𝑒 𝑟𝑒𝑡𝑜𝑟𝑛𝑎 à 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑡𝑜𝑟 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑎𝑖 𝑑𝑜 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 Esta razão pode variar de zero sistema sem reciclo a infinito toda a corrente de saída é reciclada Esses efeitos possuem maior expressão em reatores tubulares PFR Reatores com reciclo Para qualquer caso a razão de reciclo R é definida como 4 𝑹 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑞𝑢𝑒 𝑟𝑒𝑡𝑜𝑟𝑛𝑎 à 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑡𝑜𝑟 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑎𝑖 𝑑𝑜 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 Esta razão pode variar de zero sistema sem reciclo a infinito toda a corrente de saída é reciclada Esses efeitos possuem maior expressão em reatores tubulares PFR Como a concentração no reciclo e na saída do reator é a mesma R pode ser em termos de vazão molar também 𝑹 𝑣𝑎𝑧ã𝑜 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑞𝑢𝑒 𝑟𝑒𝑡𝑜𝑟𝑛𝑎 à 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑡𝑜𝑟 𝑣𝑎𝑧ã𝑜 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑎𝑖 𝑑𝑜 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 PFR com reciclo FA0 v0 XA0 0 K F A1 X A1 v1 F A0 Plug flow V X A2 R 1 v f v f L Rv f v3 Rv f F A3 X Af X A2 PFR com reciclo 6 𝑉 𝐹𝐴0 𝑹 1 𝑹 𝑹1 𝑋𝐴𝑓 𝑋𝐴𝑓 𝑑𝑋𝐴 𝑟𝐴 Equação geral de projeto para um PFR com reciclo qualquer εA Resolvendo as equações 𝜏 𝐶𝐴0𝑉 𝐹𝐴0 𝑹 1 𝐶𝐴0𝑹 𝐶𝐴𝑓 𝑹1 𝐶𝐴𝑓 𝑑𝐶𝐴 𝑟𝐴 Com εA 0 Em reatores com reciclo são comuns duas conversões 7 1 Conversão global baseada na alimentação pura do reator 𝑋0 𝑋𝐴𝑓 𝐹𝐴0 𝐹𝐴𝑓 𝐹𝐴0 PFR com reciclo 2 Conversão por passe baseada na alimentação na entrada do reator 𝑋𝑠 𝐹𝐴1 𝐹𝐴2 𝐹𝐴1 𝑋𝐴𝑓 1 𝑅 𝑋𝑠 1 𝑅𝑋𝑠 Relação entre as duas Quando R 0 XAf Xs PFR com reciclo 8 Principais aplicações específicas a um PFR com reciclo Reduzir a conversão por passe como em reações muito exotérmicas Obter seletividade como por exemplo em reações em paralelo o reciclo inibe a formação de intermediários Reações bioquímicasenzimáticas Necessidade de alto grau de mistura quando o volume do CSTR é inviável PFR com reciclo 9 Representação gráfica Representação geral para qualquer εA Caso especial só para εA 0 Altura média PFR com reciclo 10 Casos extremos Escoamento pistonado Escoamento com mistura perfeita PFR com reciclo 11 Casos extremos Pequeno reciclo Grande reciclo PFR com reciclo 12 A integração da equação de reciclo dá para uma reação do tipo A R com εA 0 Reações irreversíveis de 1ª ordem 𝑘𝜏 𝑹 1 ln 𝐶𝐴0 𝑹𝐶𝐴𝑓 𝑹 1 𝐶𝐴𝑓 O gráfico a seguir mostra a transição de comportamento do reator pistonado para o reator de mistura perfeita conforme R aumenta PFR com reciclo 13 Reações irreversíveis de 1ª ordem Reator de mistura perfeita Reator pistonado Reação de primeira ordem PFR com reciclo 14 A integração da equação de reciclo dá para uma reação do tipo 2A Produtos com εA 0 e rA kCA 2 Reações irreversíveis de 2ª ordem 𝑘𝐶𝐴0𝜏 𝑹 1 𝐶𝐴0 𝐶𝐴0 𝐶𝐴𝑓 𝐶𝐴𝑓 𝐶𝐴0 𝑹𝐶𝐴𝑓 O gráfico a seguir mostra a transição de comportamento do reator pistonado para o reator de mistura perfeita conforme R aumenta PFR com reciclo 15 Reações irreversíveis de 2ª ordem Reator de mistura perfeita Reator pistonado Reação de segunda ordem CSTR com reciclo 16 Balanço material Considerando balanço molar para o reagente limitante A no elemento de volume 𝐹𝐴0 𝐹𝐴2 𝑟𝐴 𝑉 0 𝐹𝐴0 𝐹𝐴3 𝐹𝐴2 𝐹𝐴3 𝑟𝐴 𝑉 0 CSTR com reciclo 17 Resolvendo a equação 𝑉 𝐹𝐴0 𝑋𝐴 𝑟𝐴 Equação geral de projeto para um CSTR mesma coisa Para um CSTR o reciclo não afeta o desempenho do reator Pode ser usado para controle de nível do tanque Na verdade uma corrente de reciclo geralmente aumenta o volume requerido de CSTR É útil em biorreações quando realizado um reciclo de células nesse caso aumentase a produtividade