Reator PFR: Projeto, Caracteristicas, Balanço de Massa e Reciclo - Engenharia Quimica

Projeto de reator isotérmico contínuo Reator PFR plug flow reactor Reator PFR características gerais As condições em qualquer ponto do reator são independentes do tempo A velocidade linear de escoamento é a mesma em qualquer ponto da seção transversal perpendicular à direção de fluxo A composição depende da distância a partir do ponto de entrada Não há mistura entre os elementos de fluido Como a maioria das reações conduzidas nesse reator é em fase gasosa normalmente a corrente de entrada é caracterizada a partir da vazão mássica e não a partir da vazão volumétrica uma vez que em sistemas gasosos a densidade varia e pela conservação da massa a vazão mássica é invariante ao contrário da vazão volumétrica Reator PFR características gerais reator com escoamento uniforme manutenção relativamente fácil não há partes móveis normalmente produz a conversão mais alta por volume de reator dentre os reatores com escoamento contínuo uma desvantagem é o difícil controle da temperatura do reator podendo ocorrer pontos quentes quando a reação é exotérmica encontrado tanto na forma de um tubo longo como na de vários reatores menores em um feixe de tubos reagentes podem ser introduzidos no PFR em diferentes pontos do reator a fim de obter maior eficiência do processo ou como forma de reduzir o tamanho e o custo do reator Reator PFR balanço de massa Fjv Fjv dV rj dV 0 dividindo por dV Fjv dV FjvdV rj Forma diferencial do balanço de massa para o reator PFR dFdV rj com dV 0 Reator PFR com reciclo Evita a perda de matéria prima quando não é convertida em uma única passagem passo único no reator Aumenta o desempenho do reator a mistura da corrente de reciclo com a de carga fresca aumenta a retromistura tendendo a apresentar o comportamento do CSTR caso a razão de reciclo seja muito elevada R Reator PFR com reciclo Vantagens da utilização Menor tempo de residência por conta do maior grau de mistura A conversão pode ser modificada apenas mudando a razão de reciclo Permite recircular material para o reator Muito utilizado em processos enzimáticos Controle de seletividade Redução de volume no caso de sistemas com cinética complexa Controle de temperatura em sistemas com dH elevado Desvantagens Custo fixo é maior do que um PFR por conta do tamanho e reciclo em si Conversão menor do que em um PFR Reator PFR com reciclo A equação de projeto do reator é Apesar da vazão de alimentação de A na entrada do reator ser FA1 observase na equação de projeto FA0 Se faz isso pois XA1 e XA2 são frações convertidas de FA0 Além disso como a conversão que importa é XAf devese relacionar XA1fXAf e XA2fXAf Reator PFR com reciclo Expressando XA2fXAf Lembrando do conceito de reciclo coerente pois o nó 2 é apenas um ponto divisor de corrente Reator PFR com reciclo Expressando XA1fXAf Reator PFR com reciclo razão de volume Reator tubular com membrana É constituído por uma membrana cuja função é de separação e catálise Utilizado principalmente em reações reversíveis para aumento de conversão eou seletividade A separação no próprio reator pode diminuir drasticamente o custo de separação pós reação que pode chegar a 70 do custo de uma planta química Desvantagens Alto custo das membranas que precisam ser trocadas em intervalos regulares Limpeza Formação de caminho preferencial do fluxo Reator tubular com membrana Membrana porosa catalítica Permeado Reator de casco não permeável Retentato Varredura Alimentação Membrana densa catalítica Purga concorrente permeado Alimentação Retentato Catalisadores Membrana inerte Purga contracorrente permeado Alimentação Retentato Reator tubular com membrana Fatores relevantes a Membrana porosa distribuição de tamanho de poros e espessura b Membrana densa características físicoquímicas e espessura do filme Reator tubular com membrana Balanço de massa A B C reação reversível dFAdV rA dFCdV rC Espécies que não permeiam a membrana Balanço de massa da espécie B espécie que permeia a membrana entrada por escoamento saída por escoamento saída por difusão geração acúmulo FBv FBvdV RB dV rB 0 dFBdV rB RB RB Kc CB Kc Dδ D difusividade no meio δ espessura da camada limite de TM Razão de volume entre reatores CSTR e PFR 0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 razao de volume ordem 1 e 2 conversão razao de volume ordem1 ordem2 0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1 0 05 1 15 2 25 3 35 4 45 5 influência da ordem sobre a razão de volume conversão razao ordem 2 razao ordem 1 Associação de reatores contínuos Comparação de volume para reatores associados Combinação de reatores PFR e CSTR em série QUAL A COMBINAÇÃO QUE RESULTA NO MENOR VOLUME TOTAL DA ASSOCIAÇÃO DE REATORES Combinação de reatores PFR e CSTR em série Normalmente o cenário é esse CSTR antes do PFR mas cada caso deve ser analisado Combinação de reatores PFR e CSTR em série Levenspiel estabelece que Para reatores do mesmo tipo com capacidades diferentes n1 reatores com o mesmo volume são preferíveis n1 o menor reator deve vir primeiro n1 o maior reator deve vir primeiro Para uma associação de diferentes tipos de reatores n1 a concentração deve ser mantida a mais alta possível n1 a concentração deve ser a menor possível Combinação de reatores PFR e CSTR em série Para reações com ordem 1 a ordem dos reatores influencia a conversão final O GRAU DE MISTURA DOS REAGENTES PARA REAÇÕES COM ORDEM MAIOR QUE 1 INFLUENCIA DE FORMA SIGNIFICATIVA QUAL ORDENAMENTO DOS REATORES RESULTARÁ NA MAIOR CONVERSÃO Capítulo 10 Reações múltiplas em paralelo Definição conhecidas também como reações competitivas são aquelas em que o reagente é consumido por rotas diferentes formando produtos diferentes Reações múltiplas em paralelo O óxido de etileno é um gás que mata bactérias e seus endosporos mofo e fungos Adicionalmente óxido de etileno é largamente usado para esterilizar suprimentos médicos tais como ataduras suturas e instrumentos cirúrgicos A maioria do óxido de etileno entretanto é usado na produção de etileno glicol O uso primário final para o etileno glicol é na produção de polímeros de poliéster Etileno glicol é mais comumente conhecido por seu uso como um refrigerante automotivo e anticongelante A escolha do reator adequado eou condições operacionais é fundamental para facilitar a formação em maior quantidade do produto de interesse Definindo as condições operacionais e o reator Considerando a operação isotérmica temos os seguintes cenários a1a2 Devese manter a concentração a mais elevada possível Utilizar reator batelada ou PFR a1a2 utilizar um grande CSTR pois a concentração deve ser mantida baixa a1a2 o tipo do reator não influencia Devese mudar a temperatura de operação ou utilizar um catalisador SELETIVIDADE Reações múltiplas em paralelo com mais de um reagente Quando há mais de um reagente a forma de contato é um ponto chave para favorecer a formação do produto desejado Reações múltiplas em paralelo com mais de um reagente A forma de contato entre os reagentes e o tipo de reatores também influencia de modo significativo Reações múltiplas em paralelo com mais de um reagente Definindo a melhor forma de contato entre os reagentes eou o tipo de reator AB D rD k1CAα1 CBβ1 AB U rU k2CAα2 CBβ2 Caso 1 α1 α2 e β1 β2 Reator tubular ou batelada Altas pressões em fases gasosa e reduzir inertes Caso 2 α1 α2 e β1 β2 Reator semibatelada com alimentação lenta de B Reator de membrana ou reator tubular com alimentação lateral de B Série de CSTR com A alimentado apenas no primeiro reator e pequenas quantidades de B nos demais Reações múltiplas em paralelo com mais de um reagente Definindo a melhor forma de contato entre os reagentes eou o tipo de reator AB D rD k1CAα1 CBβ1 AB U rU k2CAα2 CBβ2 Caso 3 α1 α2 e β1 β2 Reator CSTR ou PFR com elevada razão de reciclo Alimentação diluída com inertes ou baixa pressão para reação em fase gasosa Caso 4 α1 α2 e β1 β2 Reator semibatelada com A alimentado lentamente Reator com membrana ou tubular com alimentação lateral de A Uma série de CSTR com alimentação de A em cada reator Cinética e Cálculo de Reatores I Prof Fabrício Thiengo Vieira Engenharia Química UFES 117 Quantificação da distribuição de produtos Rendimento instantâneo 𝑅 Como φ é função de CA que varia ao longo do reator φ também muda ao longo do reator 𝑅𝑠𝑎í𝑑𝑎 𝐴0 𝑠𝑎í𝑑𝑎 Rendimento global Quantificação da distribuição de produtos Como o rendimento instantâneo varia ao longo do reator o rendimento global para cada reator será ΦPFR 1 CA0 CAsaída CA0CAsaida φdCA ΦCSTR φ avaliado na concentração de saída O rendimento global do CSTR pode ser utilizado para predizer o rendimento do PFR e vice versa ΦCSTR dΦPFR dCA ΦPFR 1 CA0 CASaída CA0CAsaída ΦCSTR dCA CA avaliado na concentração de saída CR ΦCA0CA CS 1ΦCA0CA Influência do tipo de reator na distribuição dos produtos No reator CSTR o rendimento depende da maximização dos retângulos No reator PFR o rendimento depende da integral de φ Influência do tipo de reator na distribuição dos produtos A maximização dos retângulos Para um conjunto de reatores CSTR o volume total será o menor possível quando o retângulo KLMN for o maior possível A questão é definir qual ponto M que maximiza o retângulo KLMN Influência do tipo de reator na distribuição dos produtos A maximização dos retângulos A área do retângulo será maximizada quando M estiver no ponto onde a inclinação da curva for igual à inclinação da diagonal NL Dependendo da forma da curva pode haver mais de um ponto melhor ou nem haver esse ponto Para cinéticas com n0 sempre haverá um ponto que maximiza o retângulo KLMN Maximizando o produto desejado em reações paralelas Qual seria a concentração que maximiza a produção de S para o reator CSTR MFR e PFR Maximizar o retângulo Maximizar a área Maximizando o produto desejado em reações paralelas Para o CSTR Para o PFR Capítulo 11 Reações múltiplas em série Influência da mistura do meio reacional na distribuição dos produtos A depender de como o fluido é misturado podemse ter os seguintes extremos na distribuição dos produtos Distribuição quantitativa dos produtos reator batelada e PFR Distribuição quantitativa dos produtos reator batelada e PFR A distribuição do produto está intimamente relacionada com a velocidade específica de cada reação Distribuição quantitativa dos produtos reator CSTR O balanço de massa para a espécie A O balanço de massa para a espécie R A determinação da concentração máxima do produto intermediário R será Distribuição quantitativa dos produtos reator CSTR Expressando o ponto de máximo em função do tempo de residência Inserindo o tau ótimo na expressão de concentração do produto intermediário Comparação da distribuição de produtos O tempo de residência para alcançar a máxima concentração de R é sempre menor para o reator PFR Quanto maior a razão k2k1 maior a diferença de tempo para obter CR máximo A concentração máxima de R é sempre maior no reator PFR Rendimento em função da razão k2k1 O rendimento no PFR é sempre superior ao do CSTR k2k1 01 podese operar com elevado nível de conversão k2k110 o rendimento cai rapidamente Devese trabalhar com nível de conversão por passe baixo