ENGENHARIA DAS REAÇÕES QUÍMICAS

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1 ENGENHARIA DAS REAÇÕES QUÍMICAS

2 Apostila elaborado para o projeto PROMOPETRO Apoio Versão

3 1- O QUE É ENGENHARIA DE REAÇÕES QUÍMICA (CRE)? Entender como reatores químicos funcionam é entender como funciona o coração de quase toda operação de processos químicos. O Projeto de um reator não é um assunto rotineiro e várias alternativas podem ser propostas para um processo. O projeto de um reator usa informação, conhecimento e experiência de uma variedade de áreas - termodinâmicas, cinética química, mecânica de fluido, transferência de massa e de calor e econômicas. CRE é uma síntese de todos esses fatores com o objetivo de projetar corretamente e entender o reator químico. Livro de texto e Livros Indicados Elements of Reaction Engineering, 2nd Edition. H.Scott Fogler, Prentice Hall. Chemical Reaction Engineering, 2nd or 3rd Edition. Octave Levenspiel, John Wiley and Sons. Reactor Design for Chemical Engineers. J.M. Winterbottom and M.B. King Tópicos da apostila Reatores Ideais : o Reator perfeitamente misturado (Batch) o Reator tanque mistura contínua (CSTR) ou reator Backmix o Reator Plug flow (PFR) o Reator Packed bed (PBR) Cinética química o Todas as reações presentes são reações homogêneas. Reatores múltiplos Isotérmico ideal Batch, CSTR, e PFR 3

4 2- TIPOS DE REATORES 2.1 BATCH REACTOR Não há entrada e nem saída de fluxo enquanto as reações estão sendo processadas. Perfeitamente misturado Não há variação na taxa de reação ao longo do volume de reator Todos os reagente são providos ao reator no início. O reator é lacrado e a reação é executada. Nenhuma adição de reagente ou remoção de produtos durante a reação. Recipiente é mantido perfeitamente misturado. Isto significa que haverá concentrações uniformes. Composição muda com tempo. A temperatura também será uniforme ao longo do reator - porém, pode mudar com tempo. Geralmente usado para processos de pequena escala, por exemplo química fina e manufatura farmacêutica. Baixo custo de capital. Mas alto custo de suporte. Multifinalidade, portanto permitindo especificação de produtos variáveis. Exemplo de uma reação na fase líquida em batch 4

5 Laboratório Típico de Reator Batch de vidro Laboratório de Reator Batch em alta pressão (Autoclave) Reator Típico Batch Comercial 5

6 2.2 REATOR TANQUE DE MISTURA CONTÍNUA (CSTR) REATOR BACKMIX Normalmente funciona em estado estacionário. Totalmente misturado Geralmente modelado como não tendo nenhuma variação de espaço na concentração, temperatura, ou taxa de reação ao longo do recipiente Normalmente emprega reação na fase líquida. Utilizado na fase gasosa em laboratório para estudos cinéticos. F A0 (C A0 ) C A C A F A (C A ) Representação de um CSTR Características Mistura perfeita: as propriedades da mistura da reação são uniformes em todas as partes do recipiente e idênticas às propriedades da mistura de reação no fluxo de saída (i.e. CA, outlet = CA, tank) A entrada de fluxo instantaneamente se mescla com o tamanho do volume de reator. Um reator CSTR reator é assumido que chega no estadp estacionário. Então a taxa de reação é a mesma em todos os pontos e independente do tempo. O que o volume, Vr do reator nos diz? o Vr refere-se ao conteúdo do volume do reator. o Fase gasosa: Vr = volume reator = conteúdo do volume o Fase líquida: Vr = conteúdo do volume 6

7 Visão em corte de um Pfaudler CSTR/ Reator Batch 2.3 REATOR PLUG FLOW (PFR), REATOR TUBULAR Normalmente opera em estado estacionário Não há variação radial na concentração Refere-se a reatores como plug-flow Os reagentes são consumidos continuamente enquanto eles fluem ao longo do comprimento do reator. Existe um movimento constante de material ao longo do comprimento do reator. Nenhuma tentativa para induzir mistura de elemento de fluido, por isso o estado estacionário: Em uma determinada posição, para qualquer corte transversal não há pressão, temperatura ou mudança de composição na direção radial. Nenhuma difusão de um elemento fluido para outro. Todo o elemento fluido tem o mesmo tempo de residência. Usado para fase de gás ou reações de fase líquidas. 7

8 As suposições de "plug flow" tendem a segurar quando houver uma boa mistura radial (alcançou a taxa de fluxo alto Re >104) e quando a mistura for axial podem ser negligenciados (quando o comprimento dividido pelo diâmetro do reator> 50 (aprox.)) No caso de uma reação de fase de gás, deve ser notada a história de pressão da reação no caso de da variação do número de mol durante a reação. A B + C Com o progresso das reações o número de mol aumenta. Então numa pressão constante, a velocidade do fluido deve aumentar com o aumento da conversão. 3 LEI DA TAXA, rj ra = a taxa de formação da espécie A por unidade de volume [isto é, mol/dm 3 -s] -ra = a taxa de consumo da espécie A por unidade de volume rj é uma função da concentração, temperatura, pressão e o tipo de catalisador rj é independe do tipo de sistema de reação (batch, plug flow, etc.) rj é uma equação algébrica, não uma equação diferencial 8

9 4 EQUAÇÕES DE PROJETO PARA UM REATOR IDEAL BASEADA NO BALANÇO MATERIAL 4.1 CONVERSÃO Conversão é definida como resposta das perguntas: Como podemos quantificar quão distante uma reação progrediu? Quantos mol de produto de C são formados para todo reagente de mol de A consumido? A conversão XA é o número de mols de A reagido por mol de A de entrada do sistema: mols de A reagido X A mols de A deentrada 4.2 BALANÇO DE MATERIAL PARA UM REATOR IDEAL SIMPLES QUALQUER ISOTÉRMICO Rate of accumulation of reactant = Rate of reactant flow Rate of reactant flow Rate of reactant LOSS due to in element of volume INTO OUT OF Chemical Reaction element of volume element of volume within the element of volume 9

10 Elemento de volume do reator BALANÇO MOLAR - REATOR BATCH Nenhum material entra ou deixa o reator. Se a composição for uniforme (mistura perfeita) o balanço material pode ser escrito baseado em todo o reator. Nenhum fluxo entra ou sai do reator. Termos (2) e (3) = 0. 10

11 Taxa de acumulação de A, [mols/tempo] dn A dt dn dt A N A0 dx dt A Taxa de consumo de A, [mols/tempo] 11

12 Se o volume do sistema é constante, então: Onde CA0 é a concentração inicial de A (mol/m 3 ) Integrando a equação dada para o reator batch: N V A0 r C A0 12

13 4.2.2 BALANÇO MOLAR - CSTR 13

14 4.2.3 BALANÇO MOLAR - PFR Em um reator plug flow a composição do fluido varia de ponto a ponto ao longo da trajetória do fluxo; por conseguinte, o balanço material para um componente da reação deve ser constituído por um elemento de volume diferencial dvr. Consumo de A por reação, mols/tempo = (-ra) dvr PFR (no estado estacionário) Nenhuma ACUMULAÇÃO. 14

15 5- FATORES INVOLVENDO UM PROJETO DE REATOR Composição de Feedstock Único feedstock Reagente em um solvente Multi-componente feedstock Escala do processo Saída do produto Cinética do Processo Efeito da composição (concentração) Efeito da temperatura Catálise Termodinâmica Tipo de Reator Batch / contínuo Semi batch / Semi contínuo Isotérmico, não-isotérmico, adiabático Passagem única / reciclar Reatores múltiplos Outros Materiais de construção instrumentação Segurança 15

16 6- EXEMPLO DE TIPOS DE REATORES Reator de reações gasosa não catalítica homogênea Reator de reações líquidas homogênea Reator para líquido-líquido Reator para gás-líquido Reator não catalitico gás-sólido Leito fixo Leito fluidizado Reator Leito fixo catalítico Reator leito fluidizado catalítico Reator para gás-líquido-sólido Polimerização de etileno (Alta pressão) Polimerização mássica do estireno Saponificação de gordura Produção de ácido nítrico Produção de ferro Clorinação de metais Síntese de amônia Craqueamento catalítico (petróleo) Hidrodesulfurização de óleos 16

17 7- SELEÇÃO DE REATORES Batch Escala pequena Produção de produtos caros (farmacia) Alto custo de mão de obra por batch Difficuldade de produção em grande escala CSTR : A maior parte dos reatores são de fluxo homogêneo na fase líquida quando intensa agitação é requerida relativamente fácil manter um bom controle de temperatura a conversão de reagente por volume de reator é o menor dos reatores de fluxo - reatores muito grandes são necessários para obter altas conversões PFR : A maior parte dos reatores são de fluxo homogêneo na fase de gás relativamente fácil manter normalmente produz a conversão mais alta por volume de reator (peso de catalisador se é um "packed bed" catalise reação de gás) de quaisquer dos reatores de fluxo difícil controlar a temperatura dentro do reator pontos quentes podem acontecer Reator de leito fluidizado (leito fluidizado circulante CFB) 17

18 8- BALANÇOS MOLAR EM 4 REATORES COMUNS Reator Balanço Molar Comentário Batch CSTR PFR PBR dn V dt j F r V dfj dv df j dw Não há variação j espacial 0 Fj Não há variação rj espacial, estado estacionário Estado rj estacionário Estado r j estacionário j 18

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