Reator Isotérmico Descontínuo - Projeto e Características

Cinética e Cálculo de Reatores I Prof Fabrício Thiengo Vieira Engenharia Química UFES Cinética e Cálculo de Reatores I Prof Fabrício Thiengo Vieira Engenharia Química UFES Projeto de reator isotérmico descontínuo Reator batelada Reator semibatelada ou batelada alimentada 60 Cinética e Cálculo de Reatores I Prof Fabrício Thiengo Vieira Engenharia Química UFES Cinética e Cálculo de Reatores I Prof Fabrício Thiengo Vieira Engenharia Química UFES 61 Características gerais operação descontínua Constituído de um tanque cilíndrico disposto na maioria dos casos na vertical Para sistemas simples de agitação a altura de líquido é da ordem de grandeza do diâmetro do reator Conforme a razão altura de líquidodiâmetro de reator aumenta se necessitam de sistemas de agitação mais complexos No caso de operações em que a área interfacial gáslíquido deve ser maximizada podese adotar a configuração horizontal Esta configuração também é adequada quando os reagentes são muito viscosos Cinética e Cálculo de Reatores I Prof Fabrício Thiengo Vieira Engenharia Química UFES 62 A agitação pode ser feita utilizandose agitadores com as mais variadas formas de lâminas ou por meio de bombas Esse tipo de reator normalmente é construído em aço revestido de vidro ou polímero para facilitar a limpeza Características gerais operação descontínua Cinética e Cálculo de Reatores I Prof Fabrício Thiengo Vieira Engenharia Química UFES 63 Características gerais operação descontínua Devido aos efeitos térmicos inerentes às reações químicas normalmente é necessário um sistema de troca térmica no sistema que pode ser encamisando o reator resistências ou tubos internos preenchidos com fluido Cinética e Cálculo de Reatores I Prof Fabrício Thiengo Vieira Engenharia Química UFES 64 Nesse tipo de reator parte dos reagentes é carregada durante a reação Algumas reações são inadequadas para serem conduzidas de modo batelada ou contínua em um vaso agitado porque o calor liberado durante a reação pode resultar em condições desfavoráveis Um ou mais reagentes que não reagem entre si são alimentados no vaso e o reagente final é alimentado de forma controlada Nenhum produto é retirado até que a extensão desejada da reação tenha sido atingida Características gerais operação descontínua Cinética e Cálculo de Reatores I Prof Fabrício Thiengo Vieira Engenharia Química UFES 65 Exemplos de reações operando em semibatelada são Reação de um gás com um líquido onde o gás é borbulhado no líquido Reação de uma substância extremamente reativa com outra relativamente inerte onde a substância mais reativa se presente em quantidades significativas no início da reação sofre polimerização ou decomposição Operação semicontínua bom controle de temperatura e a capacidade de minimizar reações laterais indesejadas ao manter baixa concentração de um dos reagentes Esse tipo de reator também é útil quando reações paralelas de diferentes ordens ocorrem Características gerais operação descontínua Balanço de massa operação descontínua ENTRADA SAÍDA REAÇÃO ACÚMULO r taxa de reação molm3h v coeficinte esequiométrico NR número de reações Uma vez que NjV Cj Reação simples e volume constante Cinética e Cálculo de Reatores I Prof Fabrício Thiengo Vieira Engenharia Química UFES 67 Operação descontínua características importantes Quanto maior o nível de conversão maior o tempo de processamento ou tempo de residência tempo p processar uma carga de volume igual ao do reator Cinética e Cálculo de Reatores I Prof Fabrício Thiengo Vieira Engenharia Química UFES 68 Operação descontínua perfis de concentração em função da ordem de reação O caso das reações de ordem zero CACA0kt Essa expressão permite que para t muito elevado CA pode admitir valores negativos o que é impossível Cinética e Cálculo de Reatores I Prof Fabrício Thiengo Vieira Engenharia Química UFES 69 Operação descontínua reação bimolecular Uma equação e 2 variáveis Devese relacionar estequiometricamente as espécies Como CA0 CB0 CACB o tempo todo grau de avanço Considerando alimentação equimolar Cinética e Cálculo de Reatores I Prof Fabrício Thiengo Vieira Engenharia Química UFES 70 Operação descontínua semibatelada Operação na qual um dos reagentes é adicionado de forma controlada no meio reacional Controle da temperatura ignição temperatura sobe de forma descontrolada extinção temperatura cai continuamente diminuindo cada vez mais a taxa de reação Controle da distribuição de produtos muito importante em sistema sérieparalelo A formação cada vez maior do produto desejado D pode resultar na formação cada vez mais significativa do produto indesejado I nesse sistema reacional sérieparalelo Cinética e Cálculo de Reatores I Prof Fabrício Thiengo Vieira Engenharia Química UFES 71 Operação descontínua formas de reação em semibatelada a adição de reagente b remoção de produto c adição e remoção simultânea Para cada caso podemos citar como exemplos reais a fermentação aeróbia O2 é fornecido continuamente a um meio de cultura líquido como a produção de penicilina b remoção de H2O na reação de esterificação Cinética e Cálculo de Reatores I Prof Fabrício Thiengo Vieira Engenharia Química UFES 72 Operação descontínua balanço de massa em semibatelada Balanço global de massa no reator densidade cte Lembrando que Operação descontínua balanço de massa em semibatelada Balanço material para a espécie alimentada B Como o reator vai sendo alimentado VVo vo t Cinética e Cálculo de Reatores I Prof Fabrício Thiengo Vieira Engenharia Química UFES 74 Operação descontínua vantagens e desvantagens Vantagens Melhor controle de temperatura comparado com a operação em batelada usual principalmente para reações com elevado dH Manter a concentração de um reagente em um nível elevado e outro em um nível baixo de forma permanente facilita se evitar a ocorrência de reações indesejadas A possibilidade de remoção de produto pode resultar em aumento de conversão particularmente no caso de reações com limitações por equilíbrio Desvantagens Custo operacional relativamente elevado assim como na operação em batelada O projeto e execução das análises dos componentes pode ser complicada devido à operação não ser estacionária Cinética e Cálculo de Reatores I Prof Fabrício Thiengo Vieira Engenharia Química UFES Cinética e Cálculo de Reatores I Prof Fabrício Thiengo Vieira Engenharia Química UFES Projeto de reator isotérmico contínuo Reator CSTR continuous stirred tank reactor 75 Cinética e Cálculo de Reatores I Prof Fabrício Thiengo Vieira Engenharia Química UFES Cinética e Cálculo de Reatores I Prof Fabrício Thiengo Vieira Engenharia Química UFES Reator CSTR características principais são os mais utilizados na indústria química seja um único tanque ou uma bateria de reatores podese utilizar um sistema de múltiplos estágios em um único tanque sendo que cada estágio é considerado como um reator a bateria de reatores b estágios verticais c estágios compartimentados 76 Cinética e Cálculo de Reatores I Prof Fabrício Thiengo Vieira Engenharia Química UFES Cinética e Cálculo de Reatores I Prof Fabrício Thiengo Vieira Engenharia Química UFES Uso de múltiplos tanques Mais caro mas permitem maior flexibilidade de operação Os estágios são dispostos para que o fluxo entre os tanques ocorra por gravidade Quando os reagentes não são completamente miscíveis a disposição dos tanques na posição vertical resulta na operação em contracorrente facilitando a mistura Mistura dos elementos fluidos diluição a taxa de reação em um reator do tipo tanque normalmente é menor quando comparada com um reator tubular de mesmo volume e temperatura de operação alimentados com a mesma carga reacional NAS MESMAS CONDIÇÕES VCSTR é sempre maior que VPFR Reator CSTR características principais 77 Cinética e Cálculo de Reatores I Prof Fabrício Thiengo Vieira Engenharia Química UFES Assumese a hipótese de que a mistura no interior do reator é perfeita ou seja não possui variações espaciais na concentração temperatura ou velocidade de reação através do tanque Temperatura e concentração em qualquer ponto do reator são as mesmas no ponto de saída Normalmente por questões econômicas utilizamse reatores em série a fim de proporcionar uma alta conversão os quais em geral são de tamanhos diferentes Utilizado quando se necessita de agitação intensa Pode ser utilizado isoladamente ou em uma bateria de reatores em série Reatores contínuos características gerais 78 Cinética e Cálculo de Reatores I Prof Fabrício Thiengo Vieira Engenharia Química UFES É relativamente fácil manter um bom controle de temperatura 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 Configuração cilíndrica resulta em elevada área de troca térmica A taxa de transferência de calor por unidade de volume de mistura reacional é geralmente menor no CSTR quando comparada com o PFR devido à baixa razão área de troca térmicavolume de reator Reatores tubulares são preferidos para reações rápidas quando há grande necessidade de troca térmica rápida Reatores contínuos características gerais 79 Reator CSTR balanço de massa Para uma reação elementar A B tempo de residência vazão de entrada TEMPO DE RESIDÊNCIA TEMPO PARA PROCESSAR UMA CARGA COM VOLUME IGUAL A DO VOLUME REACIONAL Cinética e Cálculo de Reatores I Prof Fabrício Thiengo Vieira Engenharia Química UFES Reator CSTR efeito da ordem e conversão sobre o tempo de residência 81 Cinética e Cálculo de Reatores I Prof Fabrício Thiengo Vieira Engenharia Química UFES Cinética e Cálculo de Reatores I Prof Fabrício Thiengo Vieira Engenharia Química UFES 82 Reator CSTR em múltiplos estágios Utilizado para reduzir o efeito de bypass observado nos reatores CSTR parte da corrente de entrada prontamente sai do reator Cinética e Cálculo de Reatores I Prof Fabrício Thiengo Vieira Engenharia Química UFES 83 Reator CSTR em múltiplos estágios balanço de massa A concentração em cada estágio decai de acordo com a taxa naquele estágio Como a taxa de reação diminui em cada estágio o mesmo será com o a conversão Cinética e Cálculo de Reatores I Prof Fabrício Thiengo Vieira Engenharia Química UFES 84 Reator CSTR em série reação de 1ª ordem Reação elementar conduzida numa bateria de três reatores CSTR com volumes V1 V2 e V3 respectivamente TANQUES DE MESMO VOLUME MESMO TEMPO DE RESIDÊNCIA Cinética e Cálculo de Reatores I Prof Fabrício Thiengo Vieira Engenharia Química UFES 85 Reator CSTR em série reação de 1ª ordem Considerando que o raciocínio anterior resulta em uma equação recursiva O número de Damköhler é um adimensional representado pela razão entre a taxa de reação e a taxa de transporte mássico convectivo Usualmente 01 Da 10 Cinética e Cálculo de Reatores I Prof Fabrício Thiengo Vieira Engenharia Química UFES 86 Conversão intermediária para CSTR em série análise gráfica gráfico de Levenspiel 0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 x Fra X102 2 Reatores V616 Redução 195 0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 x Fra X104 2 Reatores V481 Redução 371 0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 x Fra Volume para um único reator V765 X106 2 Reatores V382 Redução 50 A utilização de mais tanques sempre resulta em redução do volume total Como explicar esse comportamento Cinética e Cálculo de Reatores I Prof Fabrício Thiengo Vieira Engenharia Química UFES 87 Conversão intermediária para CSTR em série análise gráfica gráfico de Levenspiel Se pode haver apenas um reator a decisão fica por conta do nível de conversão desejado Observe que o formato da curva influencia também significativamente nessa análise Cinética e Cálculo de Reatores I Prof Fabrício Thiengo Vieira Engenharia Química UFES 88 Conversão intermediária para CSTR em série análise gráfica gráfico de Levenspiel Se for possível combinar mais de um tipo de reator a redução de volume total é possível Cinética e Cálculo de Reatores I Prof Fabrício Thiengo Vieira Engenharia Química UFES 89 Reatores CSTR em paralelo Para i reatores de mesmo volume em paralelo O volume de cada reator em função do volume total será De modo similar para a vazão molar de alimentação A conversão em qualquer reator em paralelo é idêntica a que seria obtida se o reagente fosse alimentado em um único reator de volume V FA0 FA01 FA0i FA0n