Cinetica e Projeto de Reatores-Notas de Aula

31082025 INTRODUÇÃO A CINÉTICA E PROJETO DE REATORES IRN020 Sistemas de Tratamento de Águas Residuárias Industriais UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ INSTITUTO DE RECURSOS NATURAIS Profa Dra Herlane Costa Calheiros OBSERVAÇÕES Estas notas de aula não substituem os livros sobre o tema O aluno deve utilizar as fontes bibliográficas constantes no plano de ensino da disciplina As notas de aula foram elaboradas com base em textos citados no item Bibliografia consultada não se trata de material original Dessa forma as notas de aula não devem ser citadas em artigos dissertações teses monografias ou relatórios As referências devem ser feitas aos textos originais utilizados para a elaboração das notas de aula SUMÁRIO Introdução à cinética Conceitos Velocidade de reação Tipos de reações químicas Equações cinéticas Influência da temperatura na constante de velocidade de reação Introdução ao projeto de reatores Tipos de processos Reatores ideais básicos Equação geral de balanço de massa Equações gerais de reatores ideais Reatores não ideais Reator de mistura completa em série Reator pistonado de fluxo disperso PROJETO DE REATORES INTRODUÇÃO INTRODUÇÃO AO PROJETO DE REATORES Definição de reator espaço físico delimitado onde operações físicas processos químicos ou biológicos são conduzidos em condições controladas visando atingir um propósito definido Tipos de reatores ideais a Reator de mistura completa CFSTR bReator pistonado ou tubular plug flow PFR c Reator em batelada Batch e Semi Batch Reactor SBR descontínuo Acumula no reator entra sai reage reações s e reator dt dm t m t m t m BALANÇO DE MASSA EM REATORES Equação geral de balanço de massa 1 2 3 4 5 6 31082025 REATORES IDEAIS Reator em batelada Reator de mistura completa Reator pistonado Balanço de massa da fase líquida reações s e reator dt dm t m t m t m 0 s e reator t m t m t m Q t Q t t V s e r Q t Q t t V t V s e 0 0 𝜌 rho densidade do fluido massa por unidade de volume em kgm³ Qt Cet V0 Vt Concentração C não varia no espaço 0 z C y C x C REATORES EM BATELADA BATCH E SEMI BATCH REACTOR Q0 t V REATORES EM BATELADA BATCH E SEMI BATCH REACTOR Qt Cet V0 Vt Concentração C não varia no espaço 0 z C y C x C Balanço de massa da fase líquida Balanço de massa de C reações s e reator dt dm t m t m t m V t t dC t m reações V dt dC Q C t C V t V C 0 0 Q0 t V dCt indica que C pode variar com o tempo e o espaço Cinética 0 REATORES EM BATELADA BATCH E SEMI BATCH REACTOR Qt Cet V0 Vt Balanço de massa do elemento C V dt dC Q C t C V C Q 0 0 0 0 0 0 Q C t C V C Q k C V Q C t C V C Q 0 0 0 V dt dC Q C t C V t V C 0 0 𝐶 𝑡 𝑑𝐶 𝑑𝑡 𝑘 𝐶 Caso mais comum Volume constante Reação cinética de primeira ordem Elemento C é conservativo ou seja não é degradado transformado ou removido por reações químicas Reação cinética de primeira ordem REATORES EM BATELADA COMPORTAMENTO MATEMÁTICO 0 50 100 150 200 000 5000 10000 15000 20000 25000 30000 0 10 20 30 40 50 60 70 VOLUME m3 CONCENTRAÇÃO mgL TEMPO min k0 h1 k10 h1 k30 h1 k50 h1 Volume m3 Volume inicial do tanque 0 m3 Vazão 50 ls C0 250 mgL Volume variável REATORES EM BATELADA BATCH E SEMI BATCH REACTOR 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 5 10 15 20 25 30 Tempo minutos Conc entraç ão m g L k10 mgLmin k20 mgLmin k30 mgLmin k t C k t C C t 0 Reação de Primeira Ordem 0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Tempo min CC0 k01min1 k03 min1 k05 min1 k C t C C e k t C t 0 Reação de ordem zero Volume constante Volume constante 7 8 9 10 11 12 REATORES DE MISTURA COMPLETA Balanço de massa da fase líquida Concentração C não varia no espaço e no tempo 0 0 ρ rho densidade do fluído massa por unidade de volume em kgm³ Qet Qst 0 REATORES DE MISTURA COMPLETA Balanço de massa de C Concentração C não varia no espaço e no tempo 0 0 Cinética V 0 31082025 CURVA Ft 0 t dt C C t E t t E t dt t F 0 Tempo Como Et apresenta propriedades de uma função densidade de probabilidade existe uma função denominada Ft que é a sua distribuição acumulada de probabilidade Tempo Curva da saída de traçador injetado de forma pontual CURVA Ft 0 C C t F t dt dF t E t Tempo Tempo Curva da saída de traçador injetado de forma contínua ESTUDO COM TRAÇADOR REATORES DE MISTURA COMPLETA EM SÉRIE 1 1 0 1 n i t t n n t n e C t t C i n i t t n t n e t t E i 1 1 1 2 3 n QC0 C1 C2 C3 Cn QC1 QC2 QC3 QC n1 QCn REATORES DE MISTURA COMPLETA EM SÉRIE n i t t n t n e t t E i 1 1 1 2 3 n QC0 C1 C2 C3 Cn QC1 QC2 QC3 QC n1 QCn 1 1 n n e n n n E 2 2 t n 𝜃 t𝑡 REATORES DE MISTURA COMPLETA EM SÉRIE 0 001 002 003 004 005 006 007 008 009 01 0 10 20 30 40 Et Tempo minutos 01 reator de mistura completa em série 02 reatores de mistura completa em série 03 reatores de mistura completa em série 05 reatores de mistura completa em série 20 reatores de mistura completa em série Tempo de detenção 20 min C0 100 mgL n i t t n t n e t t E i 1 1 Quanto maior o número de reatores em série a concentração C efluente do enésimo reator deverá ser igual à concentração esperada para um reator pistonado ideal com igual volume Ou seja o reator de mistura completa em série se comporta como um reator pistonado ideal 25 26 27 28 29 30 REATORES DE MISTURA COMPLETA COMPORTAMENTO MATEMÁTICO 0 Ordem zero C C₀ Primeira ordem Segunda ordem 0