Reatores Homogêneos - Combinação de Reatores PFR em Série e Paralelo

Reatores homogêneos Capítulo 5 Combinação de reatores Parte 1 Profa Aline Dettmer Combinação de reatores Os reatores contínuos assim como muitos equipamentos podem ser combinados em arranjos que envolvem associações em série ou em paralelo de reatores de mesmo tipo dois ou mais PFRs dois ou mais CSTRs ou de tipos diferentes 2 Combinação de reatores PFR em série Sejam N reatores pistonados em série e X1 X2 XN a conversão de saída de cada um dos reatores em série 3 Para o primeiro reator 𝑉 𝐹𝐴0 0 𝑋𝐴 𝑑𝑋𝐴 𝑟𝐴 Para o iésimo reator 𝑉𝑖 𝐹𝐴0 𝑋𝐴𝑖1 𝑋𝐴𝑖 𝑑𝑋𝐴𝑖 𝑟𝐴𝑖 Portanto para N reatores PFR em série 𝑉 𝐹𝐴0 𝑖1 𝑁 𝑉𝑖 𝐹𝐴0 𝑉1 𝑉2 𝑉𝑁 𝐹𝐴0 0 𝑋𝐴1 𝑑𝑋 𝑟𝐴1 𝑋𝐴1 𝑋𝐴2 𝑑𝑋 𝑟𝐴2 𝑋𝐴𝑁1 𝑋𝐴𝑁 𝑑𝑋 𝑟𝐴𝑁 Combinação de reatores PFR em série De onde se conclui que 4 Ou seja 𝑉 𝐹𝐴0 0 𝑋𝐴𝑁 𝑑𝑋𝐴 𝑟𝐴 N reatores tubulares em série com um volume total V fornecem a mesma conversão que um único reator tubular de volume V Os N reatores podem ser de mesma capacidade ou não não importa Combinação de reatores PFR em série Aplicação estágios de aquecimento ou resfriamento quando há dificuldade do controle da temperatura no próprio reator 5 Combinação de reatores PFR em paralelo Sejam N reatores pistonados em paralelo e X1 X2 XN a conversão de saída de cada um dos reatores em paralelo 6 Tanto para um arranjo com volumes iguais quanto para diferentes a máxima eficiência de produção ocorre com τ ou VFA0 constante para cada reator Qualquer outra forma de alimentação onde τ não seja mantido o mesmo em todos os reatores conduzirá a uma menor eficiência do sistema 𝜏1 𝜏2 𝜏3 𝜏𝑁 Combinação de reatores PFR em paralelo Essa constatação nos leva a perceber que para um conjunto de PFRs em paralelo a soma dos volumes individuais de cada reator associado é equivalente ao volume de um único PFR a alimentação for distribuída de tal maneira que correntes fluidas que se encontram tiverem a mesma composição τ constante 7 𝑆𝑒 𝜏1 𝜏2 𝜏3 𝜏𝑁 𝑋𝐴1 𝑋𝐴2 𝑋𝐴3 𝑋𝐴𝑁 𝑋𝐴𝑚á𝑥 Aplicação demanda variável vazão muito alta Combinação de reatores CSTR em paralelo Sejam N reatores de mistura em paralelo e X1 X2 XN a conversão de saída de cada um dos reatores em paralelo 8 Assim como para um PFR tanto para um arranjo com volumes iguais quanto para diferentes a máxima eficiência de produção ocorre com τ ou VFA0 constante para cada reator 𝜏1 𝜏2 𝜏3 𝜏𝑁 𝑋𝐴1 𝑋𝐴2 𝑋𝐴3 𝑋𝐴𝑁 𝑋𝐴𝑚á𝑥 𝑉 𝑛𝑉𝑖 Aplicação demanda variável vazão muito alta Combinação de reatores CSTR em série O estudo da combinação de CSTRs em série é dividido em CSTRs de mesma capacidade e com capacidades diferentes Iniciaremos com CSTRs de mesma capacidade 9 Considere um sistema de N reatores de mistura perfeita com mesma capacidade e conectados em série Embora a concentração seja uniforme em cada reator há no entanto uma variação na concentração conforme o fluido se move de um reator a outro Combinação de reatores CSTR em série 10 A diminuição gradual da concentração sugere que quanto maior for o número de unidades em série mais o sistema se comporta como escoamento pistonado Escoamento pistonado Cinco CSTR N 5 Um único CSTR N 1 Volume através do sistema de reatores N ΣVM VT Combinação de reatores CSTR em série 11 A diminuição gradual da concentração sugere que quanto maior for o número de unidades em série mais o sistema se comporta como escoamento pistonado N ΣVM VT Combinação de reatores CSTR em série 12 Para determinação da capacidade ou da conversão nesse tipo de associação podem ser usadas as equações de projeto a partir do balanço material ou a análise gráfica Balanço material 𝑉1 𝐹𝐴0 𝑋𝐴𝑅1 𝑟𝐴1 Para o 1 reator 𝑉2 𝐹𝐴1 𝑋𝐴𝑅2 𝑟𝐴2 Para o 2 reator Pode ser individual para cada reator Combinação de reatores CSTR em série 13 Para determinação da capacidade ou da conversão nesse tipo de associação podem ser usadas as equações de projeto a partir do balanço material ou a análise gráfica Balanço material 𝑉1 𝐹𝐴0 𝑋𝐴1 𝑟𝐴1 Para o 1 reator 𝑉2 𝐹𝐴0 𝑋𝐴2 𝑋𝐴1 𝑟𝐴2 Para o 2 reator Pode considerar a conversão a uma posição a jusante Combinação de reatores CSTR em série 14 Para determinação da capacidade ou da conversão nesse tipo de associação podem ser usadas as equações de projeto a partir do balanço material ou a análise gráfica Balanço material Pode considerar a conversão a uma posição a jusante OBS esta definição somente poderá ser utilizada se a alimentação for introduzida apenas no primeiro reator e não houver correntes laterais de alimentação ou retirada Combinação de reatores CSTR em série 15 Somatório dos retângulos Combinação de reatores CSTR em série 16 Gráficos Levenspiel pág 105 e 106 Combinação de reatores CSTR em série 17 Gráficos Levenspiel pág 105 e 106 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 18 REFERÊNCIAS