Reatores Homogêneos - Introdução ao Projeto de Reatores Químicos

CEQ 163 Reatores homogêneos Capítulo 3 Introdução ao projeto de reatores Profa Aline Dettmer Projeto de reatores 2 Recapitulando Cinética obtenção da lei da velocidade rA k CA Dependente da temperatura lei de Arrhenius Concentração do reagente Ou seja a cinética é uma grandeza intensiva e dependente apenas das propriedades dos reagentes e das condições da reação A cinética NÃO depende do reator utilizado mas ela é fundamental no projeto destes Projeto de reatores 3 Projetar um reator significa definir 1 Tipo de reator 2 Modo de operação 3 Dimensionamento 4 Condições operacionais Visando obter um reator ótimo Projeto de reatores 4 Pergunta Um reator ótimo é aquele que a maximiza a conversão b maximiza a qualidade dos produtos c minimiza o custo d todas as alternativas anteriores 1 Tipos de reatores 5 11 Tanque Características Cilíndricos Verticais Com agitação Preferencialmente para reações líquidas Encamisados troca de calor Opera em todos os modos contínuo descontínuo e semicontínuo 1 Tipos de reatores 6 12 Tubular Características Cilíndricos Horizontais Preferencialmente para reações gasosas Utilizado em catálise heterogênea leito fixo Encamisados troca de calor Opera no modo contínuo 2 Reator tanque ideal 7 Condição de idealidade mistura perfeita T P X não variam com a posição são constantes em qualquer parte do reator Operação ótima de agitação e de mistura Tamanho posição inclinação forma do impelidor n de pás uso de chicanas etc 2 Reator tanque ideal 8 21 Batelada descontínuo Não admite entrada nem saída de reagentes ou de produtos durante o processamento da reação Principal característica propriedades C T P X etc variam com o tempo e não com o espaço 2 Reator tanque ideal 9 21 Batelada descontínuo Aplicações Pequenas produções Multiprodutos Fabricação de produtos de alto valor agregado Processos difíceis de operar no modo contínuo difícil controle ou exigência de limpeza devido à contaminação Reações em fase gasosa com altas pressões questões de segurança 2 Reator tanque ideal 10 21 Batelada descontínuo Principais vantagens Baixo investimento controle e instrumentação simples Possibilita altas conversões se o tempo de reação for suficientemente longo menor volume de reator Principais desvantagens Custo de mãodeobra é alto Tempo de manutenção Baixa produtividade 2 Reator tanque ideal 11 22 Semibatelada semicontínuo ou batelada alimentada Um dos componentes é carregado descarregado de modo contínuo e o outro em batelada Volume e composição variam Volume varia mas a composição não Volume é constante mas a composição varia Produtos 2 Reator tanque ideal 12 22 Semibatelada semicontínuo ou batelada alimentada Aplicações Reações bioquímicas biotecnologia Suas principais vantagens e desvantagens são similares às dos reatores em batelada contudo possui as vantagens de permitir um bom controle de temperatura minimiza reações laterais indesejáveis e reduz a inibição por substrato em reações bioquímicas 2 Reator tanque ideal 13 23 Contínuo CSTR Continuous Stirred Tank Reactor reator tanque agitado contínuo Agora reagentes e produtos são respectivamente alimentados e retirados continuamente do reator Principal característica propriedades C T P X etc não variam com o com o espaço nem com o tempo 2 Reator tanque ideal 23 CSTR Qo Fio Cio To Ci T V Q Fi Ci T Cio Ci Ci T T To 2 Reator tanque ideal 15 23 CSTR Aplicações Processos para produção em grande escala Utilizado quando se necessita de agitação intensa Pode ser utilizado isoladamente ou associado a outros reatores em série ou em paralelo É operado em regime permanente 2 Reator tanque ideal 16 23 CSTR Principais vantagens Requerem pouca mãodeobra É relativamente fácil manter um bom controle de temperatura Não possui tempos mortos 2 Reator tanque ideal 17 23 CSTR Principais desvantagens Requerem instrumentação para monitoramento constante das variáveis do processo resultando em alto investimento A conversão do reagente por unidade de volume é a menor dentre os reatores com escoamento contínuo São necessários reatores de grandes volumes para se obter uma alta conversão 2 Reator tanque ideal 18 23 CSTR Alimentação Uniformemente misturado Produtos 2 Reator tanque ideal 19 23 CSTR Uniforme em todo o volume 3 Reator tubular ideal 20 Condição de idealidade fluxo pistonado não há mistura nos sentidos axial nem radial assim como não ocorre transferência de massa Nesses casos o reator tubular chamase Reator de Fluxo Pistonado PFR Plug Flow Reactor Consiste em um tubo cilíndrico ou feixe de tubos no qual um ou mais reagentes são bombeados e a reação química ocorre à medida que os reagentes escoam através desse tubo 3 Reator tubular ideal 21 Principal característica propriedades C T P X etc variam ao longo do comprimento do reator espaço e não com o tempo 3 Reator tubular ideal 22 Principal característica propriedades C T P X etc variam ao longo do comprimento do reator espaço e não com o tempo Perfil de concentração e de temperaturas em função do comprimento do reator 3 Reator tubular ideal 23 Aplicações Idem CSTR voltado a operações gasosas Pode também ser empregado de forma empacotada com um catalisador sólido transformandose em um reator pistonado de leito fixo PBR Packed Bed Reactor Tipos Tubos simples baixa troca térmica Trocadores de calor casco e tubos ou bitubular exigência de maior troca térmica Fornos e caldeiras o produto da reação é usado como fonte de energia 3 Reator tubular ideal 24 Principais vantagens manutenção relativamente fácil não há partes móveis normalmente produz a conversão mais alta por volume de reator dentre os reatores com escoamento contínuo um PFR possui tipicamente uma eficiência maior que um CSTR para um mesmo volume de reator ou seja dado um mesmo tempo de residência uma reação terá maior conversão em um PFR do que em um CSTR Principal desvantagem difícil controle da temperatura do reator podendo ocorrer pontos quentes quando a reação é exotérmica 3 Reator tubular ideal 25 Alimentação Produto 3 Reator tubular ideal 4 Reatores não ideais Cap 11 a 16 Levenspiel 27 São aqueles onde as condições de idealidade não são satisfeitas 4 Reatores não ideais Cap 11 a 16 Levenspiel 28 Características Resultam em contato ineficaz e conversões menores que no caso ideal Reatores nãoideais têm maior volume eou utilizam uma massa maior de catalisador que reatores ideais A nãoidealidade precisa ser considerada necessidade de se determinar a RTD Distribuição do Tempo de Residência indicativo da distribuição da idade de saída do fluido 𝑋𝐴 0 𝑋𝐴 𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑬 𝑑𝑡 4 Reatores não ideais Cap 11 a 16 Levenspiel 29 Características Resultam em contato ineficaz e conversões menores que no caso ideal Reatores nãoideais têm maior volume eou utilizam uma massa maior de catalisador que reatores ideais A nãoidealidade precisa ser considerada necessidade de se determinar a RTD Distribuição do Tempo de Residência indicativo da distribuição da idade de saída do fluido 𝑋𝐴 0 𝑋𝐴 𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑬 𝑑𝑡 RTD para determinado intervalo de tempo 30 Reator Fases presentes Operação Custo Conversão Descontínuo gás líquida líquidasólido catalisador Batelada Baixo Alta dependendo do tempo de reação CSTR líquida gáslíquida líquidasólido nunca só gás Contínua Médio Baixa por unidade de volume do reator PFR Quase sempre reações em fase gasosa Contínua Alto Alta Resumo Características Gerais 31 Reator Produtividade Manutenção Uso recomendado Descontínuo Pequena e média Média Obter produtos intermediários ou para obter quantidades pré determinadas de produtos CSTR Média e alta Média Quando agitação é requerida ou em série para diferentes concentrações de correntes PFR Alta Fácil Reações rápidas homogêneas ou heterogêneas e a altas temperaturas Resumo Características Gerais 32 Reator Vantagens Desvantagens Descontínuo Alta conversão por unidade de volume por carga Flexibilidade de operação Facilidade para limpezamanutenção Alto custo operacional Qualidade do produto obtido é mais variável que a de operações contínuas CSTR Bom controle especialmente de T Facilmente adaptável para reações bifásicas Baixo custo operacional Facilidade para limpezamanutenção Apresenta a menor conversão por unidade de volume dentre todos os reatores Possibilidade de ocorrer bypass ou canais preferenciais de escoamento se agitação for ruim PFR Alta conversão por unidade de volume Baixo custo operacional Boa transferência de calor Gradientes térmicos indesejáveis podem existir Controle de temperatura é ruim Paradaspartidas e manutenção podem ser caras Resumo Vantagens e desvantagens 33 REFERÊNCIAS SCHMAL Martin Cinética e reatores aplicação na engenharia química teoria e exercícios 2 ed rev e ampl Rio de Janeiro Synergia 2013 xxiv 678 p 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