4 Modulo I - Introdução ao Projeto Reatores Quimicos (1)

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Módulo I
Introdução ao Projeto de 
Reatores Químicos
Disciplina: Cinética Química e Reatores Homogêneos
Professor: Pedro Leite de Santana
Período: 2021-1
1. Engenharia das Reações Químicas
Cinética Química (CIÊNCIA – Entendimento TEÓRICO da 
fenomenologia das reações químicas)
X
Engenharia das Reações Químicas (TECNOLOGIA – Uso 
PRÁTICO dos princípios da Cinética Química para a 
transformação de materiais e síntese de produtos)
Octave Levenspiel (01/01/1926-05/03/2017): Pai da 
Engenharia das Reações Químicas. Publicação do livro-texto 
clássico: “Engenharia das Reações Químicas” (1962). 
De acordo com Levenspiel:
“A engenharia das reações químicas é aquela 
atividade de engenharia ligada à exploração de 
reações químicas em escala comercial. Seu objetivo é 
projetar e operar com sucesso reatores químicos e, 
provavelmente mais do que outra atividade, ela coloca 
a engenharia química como um ramo distinto da 
profissão de engenharia”.
(Do prefácio à 3ª edição, 1999)
2. O Reator como coração da indústria (Levenspiel)
Diagrama de fluxo genérico de um processo químico:
De acordo com Schmidt (“The Engineering of Chemical 
Reactions”, 1998):
“Em processos químicos típicos os custos de capital e 
operação do reator podem ser de apenas 10 a 25% do 
total, com as unidades de separação dominando o 
tamanho e o custo do processo”.
“Contudo, o desempenho do reator químico controla 
totalmente os custos e modos de operação destas 
unidades de separação caras, e, portanto, o reator químico 
controla largamente a economia global de muitos 
processos. Melhoramentos no reator comumente têm 
enorme impacto sobre os processos de separação a 
montante e a jusante”.
O projeto de reatores químicos se insere na fronteira de 
novas tecnologias químicas.
Os maiores desafios presentes na Engenharia das 
Reações Químicas:
1. Busca de processos alternativos para substituir outros 
antigos.
2. Descoberta de caminhos para fazer um produto a partir 
de matérias-primas diferentes.
3. Redução ou eliminação de subprodutos problemáticos.
Regra Heurística:
“O custo de separação ou purificação depende diretamente 
da razão entre as concentrações final e inicial das 
substâncias separadas. Se esta razão for alta, então, o 
custo será alto”.
Ilustração – Processo Reação-Separação
Reação: A + B → C
Objetivo: Obter uma mistura final com 90% (fração molar) 
de C.
O problema de PROJETO, de acordo com Levenspiel: 
“No projeto de reatores, queremos saber que tamanho, tipo 
de reator e que método de operação são os mais indicados 
para um dado objetivo. Essa pergunta somente pode ser 
respondida por uma integral da equação de velocidade 
[taxa cinética de reação] adequada às condições de 
operação. Esse processo apresenta dificuldades, pois a 
temperatura e a composição da mistura reagente variam de 
ponto para ponto, dependendo das características 
endotérmicas ou exotérmicas da reação, e dependendo, 
também, das trocas de calor ocorridas entre o sistema e o 
ambiente. A geometria do reator determina o percurso do 
fluido e as características do sistema misturador para uma 
distribuição adequada da alimentação, material e calor. 
Assim, vemos que inúmeros fatores devem ser 
considerados na previsão do comportamento de um reator”
2. Classificação dos Reatores 
2.1. De acordo com o método de operação:
- Reator descontínuo (ou batelada)
Os reagentes são carregados, levados à temperatura de 
reação e processados por um tempo pré-determinado. Após isso, os 
produtos são removidos.
Há variação na extensão da reação e características da 
mistura reacional com o tempo.
- Reator de fluxo contínuo
Há um fluxo contínuo e estacionário de reagentes entrando e 
de produtos saindo. A extensão da reação e características tais como 
temperatura e composição podem variar com a posição no reator mas 
não com o tempo.
- Reator Semibatelada
Um reagente é carregado totalmente no início e outro é 
adicionado paulatinamente ao longo do tempo. Ao final, os produtos 
são descarregados.
2.2. De acordo com a forma:
- Reator do tipo tanque (vaso);
- Reator tubular.
2.3. De acordo com o regime térmico
Os reatores podem operar em três regimes térmicos:
- Isotermicamente;
- Adiabaticamente;
- Perfil de temperatura programado.
A troca de calor pode ocorrer:
- Dentro do reator;
- Através das paredes do reator;
- Fora do reator.
2.4. De acordo com o número de fases envolvidas
- Reatores homogêneos;
- Reatores heterogêneos.
Esta classificação refere-se ao número de fases no sistema de 
reação. Ela é de grande significância porque define o número e a 
importância dos passos de transferência de massa e calor que precisam 
ser levados em conta na modelagem do sistema, visando ao projeto e 
análise de desempenho.
Exemplos típicos:
Reator tubular (homogêneo):
Craqueamento térmico
Reator de leito fixo
(heterogêneo):
Síntese de amônia
3. Etapas no projeto de um reator químico
i. Obtenção de dados de laboratório para o sistema 
reacional de interesse (Dados cinéticos e propriedades 
físicas e termodinâmicas).
ii. Cálculos técnicos (Estabelecimento da viabilidade do 
projeto. Aspectos a considerar nesta etapa: Técnico-
científicos, econômicos, ambientais, segurança).
iii. Projeto/construção/operação do reator em escala piloto.
iv. Projeto/construção/operação do reator em escala 
industrial.
Comentários:
- A passagem da escala piloto à industrial introduz o “problema 
de ampliação” ou “scale-up”.
- A ampliação deve seguir os princípios de similaridade:
i) geométrica, ii) mecânica, iii) térmica e iv) química.
- Mesmo seguindo-se os princípios de similaridade, há sempre a 
necessidade de ajuste no processo em escala industrial em 
relação ao de escala piloto, em decorrência da ampliação. Em 
física, essa ideia de diferença de comportamento no sistema 
ampliado foi expressa por Galileu Galilei, em seus estudos sobre 
resistência dos materiais, como um Paradoxo da Fragilidade dos 
Gigantes (Obra clássica: “Duas Novas Ciências”, 1638).
4. Variáveis de Processo
O projeto de um reator químico deve levar em conta os 
seguintes aspectos básicos:
i. Concentrações das substâncias interagentes;
ii. Procedimento e grau de agitação das substâncias 
interagentes;
iii. Emprego de catalisador e sua atividade;
iv. Temperatura;
v. Pressão.
Comentários
i) Quanto à mistura do sistema reacional, têm-se dois 
paradigmas básicos:
- Mistura perfeita (Reatores do tipo tanque agitado)
- Deslocamento perfeito (Reatores tubulares)
Nos reatores do tipo tanque agitado a mistura é 
conseguida com o uso de agitadores mecânicos.
Nos reatores tubulares a mistura está relacionada ao 
regime fluidodinâmico do escoamento. 
Comentários (Continuação)
ii) Quanto ao uso de catalisadores, conforme já destacado, 
tem-se a distinção básica entre:
- Reatores homogêneos, e,
- Reatores heterogêneos
Nos reatores heterogêneos ocorrem simultaneamente os 
fenômenos de difusão e reação.
Como a reação ocorre nos poros das partículas catalíticas, 
se estabelecem gradientes mássicos e térmicos que 
introduzem uma complexidade fenomenológica distintiva 
entre reatores homogêneos e heterogêneos.
5. Cinética Química e o projeto de reatores
O conhecimento das expressões para as taxas das reações 
que ocorrem no sistema reacional é imprescindível ao projeto 
do reator. 
Quanto mais preciso for esse conhecimento, maior a 
possibilidade de obter um modelo matemático representativo 
do sistema reacional.
Aplicações do modelo matemático:
- Projeto;
- Análise de desempenho;
- Controle (Ex.: Controle preditivo, baseado em modelo);
- Otimização.
O modelo matemático de um reator químico engloba:
Equações de Conservação
- Massa;
- Energia, e,
- Quantidade de movimento.
+
Equações cinéticas
Somam-se ao modelo matemático relações que expressam leis físico-
químicas e equações constitutivas do sistema.
As equações cinéticas devem ser estabelecidas experimentalmente,tendo 
em vista que as teorias cinéticas atualmente disponíveis se mostram 
insuficientes para proporcionar predições representativas dos dados 
experimentais sobre taxas de reação.
O comportamento cinético da reação é definidor da concepção de 
projeto. A velocidade em que uma dada reação ocorre determina 
como evoluem os perfis de concentração e temperatura (variáveis 
estas que são as de maior relevância na análise de reatores, e 
determinadas pelos balanços de massa e energia).
Reações muito lentas versus reações muito rápidas 
demandam estratégias operacionais diferentes. No primeiro caso, 
o caminho é o emprego de catalisadores, enquanto que no 
segundo se impõe a necessidade de um robusto sistema de 
controle.
Reações fortemente exotérmicas trazem grandes dificuldades 
em termos da operacionalização da troca térmica.
ILUSTRAÇÃO
Sistema: Reator Batelada, operação isotérmica
Reação em Série: A (k1)→ B (k2) → C (Reações elementares)
Modelo matemático:
- Balanços materiais
+
- Equações de taxas de reação
Variáveis: t, V, NA, NB e NC
Parâmetro operacional relevante: Tempo ótimo de reação, 
correspondente à máxima concentração da espécie B 
intermediária.
6. Relevância da Temperatura
A temperatura no sistema reacional é determinada pelo 
balanço de energia (efeitos térmicos das reações que 
ocorrem + troca de calor com as vizinhanças).
Do ponto de vista da Termodinâmica: Reações 
Exotérmicas versus Reações Endotérmicas.
Do ponto de vista da Cinética Química: Forte efeito da 
temperatura na velocidade das reações químicas (uma 
constatação empírica).
Resultados básicos da Cinética Química referentes ao efeito 
da temperatura sobre a velocidade de uma reação:
i) Regra de van´t Hoff: “A velocidade de uma reação 
duplica para um aumento de 10oC na temperatura do 
sistema”.
ii) Lei de Arrhenius (1889): k = A e-E/RT
Efeito exponencial na taxa específica de reação (k)
(A lei Arrhenius foi estabelecida independentemente por van´t Hoff em 1887).
Por conta dos fatos termodinâmicos e cinéticos, surge uma 
preocupação básica no projeto de reatores químicos, 
associada à remoção/adição de calor do/para o sistema 
reacional.
O projeto térmico do reator se reveste de importância 
primordial frente às necessidades de controle da 
temperatura e integração energética do processo, o que 
se traduz na diversidade de configurações encontradas na 
indústria para os sistemas de reação.
Dispositivos para a troca térmica:
Reatores do tipo tanque agitado – camisas, 
serpentinas, canaletas.
Reatores tubulares – configurações típicas de 
trocadores de calor (tubos concêntricos e sistemas 
multitubulares).
Problemas práticos decorrentes de deficiência no sistema 
de controle da temperatura em reatores químicos:
- Desativação/decomposição de materiais;
- Perda da atividade de catalisadores;
- Reações secundárias.
A figura no próximo “slide” representa uma ilustração de 
uma malha por realimentação (feedback) para o controle 
da temperatura em um reator tanque agitado.
Esquema representativo de uma malha de controle da 
temperatura de um reator tanque agitado.
7. Teorias cinéticas
Uma teoria de Cinética Química busca proporcionar um 
quadro explicativo da fenomenologia da reação química. Há 
duas teorias básicas em Cinética Química:
i) Teoria das colisões moleculares, e,
ii) Teoria do estado de transição (ou teoria do complexo 
ativado).
Entendimento da Teoria das Colisões
De acordo com Hill (1977), todas as teorias de reação são 
teorias de colisão. Entretanto aplica-se o termo “teoria das 
colisões”, em sentido restrito, à teoria que relaciona a 
cinética química à teoria cinética dos gases.
Natureza da teoria: Atomística (Teoria atômico-molecular 
da matéria → Teoria cinético-molecular → Teoria cinética 
dos gases).
Bases explicativas:
- Choques entre moléculas (relações para a frequência de 
choques a partir da Termodinâmica Estatística). 
Efetividade de choques: Configurações estereométricas
(orientação espacial) e energética.
- Velocidade proporcional ao número de choques.
- Número de choques proporcional às concentrações e à 
temperatura. 
O “Número de choques” constitui uma variável da 
Termodinâmica Estatística; enquanto que “Concentração” 
e “Temperatura” são variáveis definidas e empregadas pela 
Termodinâmica Clássica.
No raciocínio desenvolvido pela Teoria das Colisões, a 
velocidade de uma reação química pode ser relacionada às 
concentrações dos reagentes e à temperatura (variáveis 
macroscópicas e operacionais), constituindo-se, assim, uma 
estrutura explicativa consistente e representativa das 
observações empíricas, e capacidade preditiva do fenômeno.
Entendimento da Teoria do Estado de Transição
Natureza da teoria: Energetista.
Bases explicativas:
As bases explicativas desta teoria se encontram na 
Termodinâmica Clássica. Explicam-se as reações químicas a 
partir de relações de energia entre estados do sistema 
reacional.
Reação: A + B → C
A + B ↔ AB* ↔ C
Estados de energia E1 E2 E3
De acordo com Hill (1977): “Na teoria do estado de transição 
assume-se que as moléculas reagentes precisam colidir e ter uma 
energia suficiente para atingir o topo de sua barreira de energia 
potencial. O estado no topo da barreira de energia é um estado de 
transição. Este estado de transição pode ser rompido, resultando 
em estados mais estáveis, que podem ser: a reversão aos 
reagentes, ou a conversão aos produtos”.
Cabe ressaltar que esta teoria, em sua versão original, não fazia 
nenhuma consideração mecanicista sobre as interações/choques 
das moléculas do sistema reacional, reduzindo-se toda a 
explicação às relações de energia envolvidas na transformação de 
reagentes em produtos.
Nota de História da Ciência
No final do século XIX, existia na comunidade científica uma 
intensa controvérsia acerca da existência de átomos e 
moléculas.
Duas grandes correntes:
Atomismo versus Energetismo
Defensor do Atomismo: Ludwig Boltzmann (1844-1906)
Defensor do Energetismo: Ernst Mach (1838-1916)
Realização da Conferência de Luebeck, em 1895, para 
discussão acerca das visões conflitantes da estrutura do 
mundo.
Ver: “Nota Histórica sobre Boltzmann” (NOTAS DE AULA). 
8. Experimentos Cinéticos
As teorias cinéticas são ainda insuficientes para a 
predição de expressões quantitativas para as taxas de 
reação, devendo-se proceder a experimentos cinéticos. 
A partir dos dados experimentais, busca-se ajustar um 
modelo cinético representativo (empregando-se técnicas 
de regressão de dados. Método dos mínimos quadrados).
Exemplo
Reação: a A + b B → c C
Experimento: Reator batelada (obtenção de dados 
integrais).
Dados experimentais
T1, T2, T3, …
Modelo possível (tipo lei de potência):
( - rA) = k CA
αCB
βCC
γ
k = A e- E/RT
t CA CB CC
t0 CA0 CB0 CC0
t1 CA1 CB1 CC1
t2 CA2 CB2 CC2
⁞ ⁞ ⁞ ⁞
tN CAN CBN CCN