Aulas 1 (Calculos de reactores)2022

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CÁLCULO DE REACTORES I
INSTITUTO SUPERIOR POLITÉCNICO DE TECNOLOGIAS E CIÊNCIAS
CRQ - 01
2022
Professora: Dra.Teresa Matoso Manguangua Victor - PhD em Engª Química
Email: teresa.victor@isptec.co.ao
mailto:teresa.victor@isptec.co.ao
CONTEUDO DA DISCIPLINA
Objectivos: Identificar os mecanismos de reaça ̃o com base nos dados 
experimentais; Determinar a equação da taxa da reação e seus parâmetros; 
Selecionar o tipo e ou associação de reactores mais indicados para uma dada 
reação simples e ou múltipla; Projetar e analisar reactores descontínuos e 
contínuos ideais e isotérmicos; Projetar e analisar reactores contínuos ideais 
isotérmicos e não isotérmicos.
Ementa: Introdução à cinética e ao projecto de reactores; balanços 
molares. projecto de reactores conti ́nuos e desconti ́nuos ideais. 
Estequeometria da reação e expressão da taxa de reação. projecto de 
reactores isotérmicos e não isotérmicos. Coleta e análise de dados.
2022
a. Reacção Química 
1.1 Introdução; 
1.2 Aspectos energéticos da reacção química; 
1.3 Cinética da reacção química; 
1.4 Mecanismos Reaccionais; 
1.5 Catálise; 
1.6 Catálise Heterogénea. 
 
Programa 2022
b. Reactores Químicos Ideais 
1.1 Definições;
1.2 Principais tipos de reactores; 
1.3 Reactores em funcionamento isotérmico: 
1.3.1 O reactor descontínuo; 
1.3.2 O reactor contínuo; 
1.3.3 Reactores catalíticos heterogéneos. 
1.4 Reactores em funcionamento não isotérmico: 
1.4.1 Balanços energéticos; 
Programa 2022
1.4.2 Reactor descontínuo; 
1.4.3 Reactor perfeitamente agitado; 
1.4.4 Reactor tubular do tipo pistão. 
1.5 Comparação entre reactores; 
1.6 Reactores em estado transiente: 
1.6.1 Reactor perfeitamente agitado — regime isotérmico; 
1.6.2 Reactor tubular do tipo pistão — regime isotérmico; 
1.6.3 Influência do estado inicial; 
1.6.4 Bateria de reactores perfeitamente agitados. 
2.7 Tópicos avançados de reactores - Multiplicidade de estados 
estacionários.
Programa 2022
Bibliografia
1.The Elements of Chemical Reaction Engineering, Fogler, H.S., 3rd Ed., Prentice Hall, 
1999; 
2. Introduction to Chemical Reactions Engineering and Kinetics, Missen, R.W., Mims, 
C.A., Saville, B.A., John Wiley & Sons, 1999; 
3.Reactores Químicos, Lemos, F., Lopes, J.M., Ribeiro, F.R., 2ª ed. IST Press, 2013
BIBLIOGRAFIA DE REFERENCIA
Engenharia das Reações Químicas – Cinética Química Aplicada
2022
Avaliação
- 2 Avaliações Contínuas – Mini Testes (A.C)
- 2 Provas Parcelares (P.P.)
- 1 Exame de Época Normal (Exame)
- 1 Exame de Época de Recurso (Recurso)
  
RecursoExamerecurso Exame
Exame
R8,0R2,0R
0,6Exame4,00,7P.P.A.C.3,0R


Escala 0-20: Aprovado ≥ 10
PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS
Matérias 
Prima
Baseados em projectos para
de formaproduzirem,
produtos a partir de
econômica, 
matérias- 
sucessivasprimas e através de
etapas de tratamento
Processos Químicos 
Industriais
i. Sofrem tratamentos fisicos que as colocam em
condições de reagirem quimicamente;
ii. Passam para o reactor para as reacções químicas 
correspondentes;
iii. Os produtos da reacção passam por processos físicos
(separação, purificação, etc) que permitem que os
produtos sejam obtidos nas condições físicas e 
quimicas desejadas.
2022
PROCESSOS FISICOS E QUIMICOS
Processamentos
Físicos
Processamentos
Químicos
Processamentos
Físicos
Materiais 
Reagentes
ETAPA I ETAPA II ETAPA III
Reaproveitamento dos produtos residuais
ETAPAS I e III – Envolvem as operações unitárias relacionadas com secagem, centrifugação, 
destilação, lixiviação, humidificação, etc. São utilizados. equipamentos de separação.
ETAPA II – É o objetivo dos estudos da disciplina de reactores I e II
2022
Processamentos quimicos
projecto
do reactor
do processo, 
fracasso ou
É o coração 
responsável pelo 
sucesso econômico
Processamentos 
Quimicos
i. Não é tratado como um processo rotineiro;
i. Podem existir vários projectos para um mesmo 
processo;
i. A escolha do projecto depende de: a) Minimização 
dos custos; b) Consumo da matéria prima; 
Consumo de utilidades.
2022
PROJECTO DO REACTOR
projecto 
do reactor 
exige
É uma síntese de todos os fatores 
relacionados acima e que visam 
desenvolver o planejamento do 
reactor.
Engenharia das
reacções químicas
i. Informações sobre o processo;
ii. Conhecimento e experiência relacionada com: a)
Termodinâmica; b) Cinética Quimica; c) 
Mecânica dos fluidos; d) Transferencia de calor;
e) Transferencia de massa e; f) Economia.
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PLANEJAMENTO DOS REACTORES
Para o 
Planeamentos 
dos reactores 
precisa-se
i. Justifica a existência da engenharia 
Quimica;
ii. É um ramo diferencial da
Engenharia.
Planejamento dos 
reactores quimicos
a) Quais as reacções esperadas?
Conhecimentos da Termodinâmica
b) Com que velocidades as reacções deverão 
ocorrer?
Conhecimentos da Cinética, Transferencia de Calor, transferencia de 
massa, etc.
2022
ETAPAS DO PROJECTO DO REACTOR
Ponto de partida 
no projecto de 
reactores
Situação 
mais simples
Agregação de parametros
Situação mais complexa
2022
IMPORTANCIA DA Termodinâmica NO 
PROJECTO DE REACTORES
A Termodinâmica 
fornece dois 
parametros do 
projecto
i. Calor liberado ou absorvido durante a reacção;
ii. Rendimento máximo que poderá ser alcançado.
As reacções quimica, irreversiveis, são acompanhadas 
de liberação ou absorção de energia (Calor), cuja 
intensidade deve ser conhecida.
aA  rR + sS DHR
Positivo => Processo Endotérmico
Negativo => Processo Exotérmico
2022
Calor de reacção na temperatura T é o calor 
transferido do ambiente para o sistema reagente 
quando a moles de A desaparecem para formar 
r moles de R e s moles de S com o sistema na 
mesma temperatura e pressão.
Conhecido o DHR, pode-se calcular ou estimar a intensidade dos efeitos térmicos.
A termodinâmica permite também calcular a 
constante do equilibrio (K) a partir da energia 
livre padrão de Gibbs (DGo) dos reagentes e 
produtos.
DGo = rGR
o +sGS aGA = -RTLn(K)o o
Com a constante de equilibrio, pode-se estimar o rendimento do processo.
IMPORTANCIA DA Termodinâmica NO 
PROJECTO DE REACTORES 2022
A proposta aqui apresentada é para desenvolver o projecto de um reactor com 
base nos principios aqui descritos.
i.Escolhe um produto que deseja produzir, oriundo de reações quimicas;
ii.Faça a revisão bibliográfica sobre os procedimentos utilizados para a 
produção desta substância;
iii.Defina as matérias-prima utilizadas para a sua produção;
iv.Defina as operações físicas da matéria prima que devem garantir qualidades 
destas antes da alimentação no reactor;
v.Os processos quimicos podem ser consideradas em batelada ou continuas.
Obs: Não pode exister sobreposição de produtos. Cada escolha é singular. Não 
serão consideradas as reações biológicas ou bioquimicas
ATIVIDADE I 2022
CINÉTICA QUIMICA
Materiais ou 
matérias prima
Novos materiais e
diferentes (Novas
espécies quimicas)
Principios Norteadores das reações quimicas:
Sob condições 
Adequadas de T e P
Estudos da 
química
1. Reações Quimicas
2. Formas e mecanismos das reações
3. Facilidade de ocorrencia das reações
4. Transformações Físicas e energéticas
5. Os produtos obtidos
6. O Rendimento do processo
2022
CINÉTICA QUIMICA
Cinética 
quimica de 
um modelo 
geral
1. Caracteriza e analisa os fatores que influenciam a 
velocidade de uma reacção química;
2. O estudo da cinética tem como importância:
i. Fisico-quimica – conhecimento da natureza do sistema reagente, 
formação e quebra das ligações químicas, quantidade de energias e 
condições da estabilidade da reacção;
i. Quimica orgânica – modo de reagir dos compostos e conhecimento das
forças de ligações quimicas e estrutura molecular dos compostos;
i. Teoria das combustões e de dissolução – estudo da T. M. nas reações 
quimicas.
2022
ESCALAS DOS PROCESSOS
Conhecimento da cinética quando se quer projetar adequadamente o 
equipamento (reactor)nas diversas escalas de processo:
Laboratorial Bancada Piloto Semi-industrial
Industrial
Reações muito rápidas não demandam de informações sobre a 
cinética quimica
2022
CLASSIFICAÇÃO DAS REAÇÕES
QUIMICAS
Formas de classificação 
das reações quimicas
Homogênea
Quando ocorre numa 
única fase
(uniformidade de T, P e 
composição)
Heterogênea
reacção que ocorre na 
presença de mais de 
uma fase
2022
CLASSIFICAÇÃO DAS
REACÇÕES QUIMICAS
Reações 
cataliticas
Catalisadores - Não 
são encontrados em 
quantidades muito 
grandes
Catalisadores – modificam (aceleram 
ou retardam) a velocidade da reacção 
sem sofrerem alterações alterações
químicas permanentes.
2022
CLASSIFICAÇÃO DAS REAÇÕES
QUIMICAS
reacção Não Catalíticas Catalíticas
i. Grande parte das reações
em fase líquida
ii. Reações em sistemas 
coloidais. Reações
enzimáticas e microbianas.
i. Grande parte das 
reações em fase gasosa
ii. Reações rápidas
(queimas)
i. Queima de coque
ii. Ustulação de minérios
iii. Ataque de sólidos por ácidos
iv. Absorção gás-líquido com 
reacção
v. Redução do minério de ferro
i. Sintese de NH3
ii. Oxidação do 3NH na
produção de ácido nitrico
iii. Craqueamento do óleo crú
iv. Oxidação de SO2 a SO3
Homogêneas
Heterogêneas
2022
VARIÁVEIS QUE AFETAM A
VELOCIDADE DA reacção
T, P e Composição
Variáveis
que afetam
a velocidade
da reacção
Sistemas 
Homogêneos
Sistemas 
Heterogêneos
i. T, P e Composição
ii. Transferencia de massa
iii. Transferencia de calor
Na queima de carvão a difusão do oxigêneo 
através da camada gasosa que envolve 
a partícula e através da camada de 
cinza na superficie da particula pode 
representar um fator importante que 
limita a velocidade da reacção
Uma reacção exotérmica que ocorre na superfície interna de um catalisador poroso, os reagentes 
entram por difusão e os produtos saem em diferentes partes do catalisador. Se a reacção for 
rápida e o calor não for removido, ocorre distibuição desigual da temperatura o que resulta
em velocidades de reacção diferentes.
2022
VARIÁVEIS QUE AFETAM A
VELOCIDADE DA reacção
Exerce a maior influência na 
velocidade global
Reações em
etapas
sucessivas
Etapa mais lenta da 
série (etapa 
controladora)
Etapa mais rápida da 
série
Deve-se identificar as variáveis e a
intensidade com que afetam cada
e t a p a . S e d e t e r m i n a d a a 
intensidade de cada fator, pode-se 
determinar os efeitos das variáveis 
na velocidade da reacção.
A confiabilidade das variáveis possibilitam extrapolar os dados cinéticos
da pequena escala do laboratório para as escalas intermediárias até a escala
industrial
2022
REVISÃO
q Numa Reação Química, a interação entre as espécies químicas permite 
formar substâncias inteiramente diferentes e com propriedades 
diferentes daquelas que interagiram. 
• Algumas dessas mudanças ou transformações podem ser bastante 
dramáticas, como a que se verifica na reação entre o sódio e o cloro. 
Quando sódio metálico, Na(s), é colocado em contato com gás cloro, 
Cl2 (g), ocorre uma reação violenta liberando calor e luminosidade. O 
produto dessa reação muito violenta é o cloreto de sódio, NaCl (s).
q Tipos de Reações Químicas Tradicionalmente, as reações químicas 
podem ser classificadas de acordo com o número de reagentes e 
produtos em cada lado da equação química que representa a reacção:
• reacções de síntese, composição, combinação ou adição reacções de 
análise ou decomposição reacções de simples troca ou deslocamento 
Reações de dupla troca ou metátese
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DEFINIÇÃO DE VELOCIDADE DE
reacção
Considerando a velocidade de transformação do componente i envolvido 
numa reacção quimica. Se a velocidade de transformação em número de 
moles desse componente for dNi/dt, a velocidade nas várias áreas da 
cinética será assim definida:
Massa do sólido no sistema fluido sólido
Volume do fluido reagente
Área da superficie interfacial de dois 
sistemas fluidos ou na unidade de área 
do sólido do sistema gás-sólido
2022
DEFINIÇÃO DE VELOCIDADE DE
reacção
Unidade de volume do sólido
No sistema gás-sólido
Baseado na unidade do volume do 
reactor se diferente da unidade do 
volume do fluido
A velocidade da reacção é função do estado (variáveis) do sistema)
Relação entre as definições descritas acima. Mudam somente as constantes de 
proporcionalidade e suas dimensões.
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CONCENTRAÇÕES, VELOCIDADES E FLUXOS
Concentração mássica:
i
i
m
V
  massa da espécie i por unidade de v olume da solução
Concentração molar: i
i iV M V M
C  ni 
mi  i
número de mols da espécie i p or
unidade de volume da solução.
Fração Mássica: i
i


W  concentração mássica da espécie i dividida
n
i 1
pela concentração mássica total, sendo    i
Fração molar:
i
i
C
x  C concentração molar da espécie i dividida
n
pela concentração molar total da solução, sendo: C   Ci
i 1
Para gases a notação da fração molar será: i C
y  C i
2022
Definições 
básicas
A B
     (concentração mássica da solução)
.
AAA C M  (concentração mássica de A/volume de solução)
A
wA   /  (fração mássica de A)
C  CA  CB (concentração molar da mistura)
C A   / M
A
xA  CA / C
(concentração molar de A/volume de solução)
A
(fração molar de A para líquidos) e y para gases
A
M   / C (massa molecular da mistura)
CONCENTRAÇÕES, VELOCIDADES E FLUXOS
2022
Relações 
Adicionais
(gases)xA  xB  1 (líquidos) ou y
A 
 y
B 
 1
wA  wB  1 (Mássico)
A BA B
y M y M  M (Molar para gases)
xA.M A  xB.M B  M (Molar para líquidos)
MM A M B
 wA  wB  1 (Mássico)
CONCENTRAÇÕES, VELOCIDADES E FLUXOS
2022
AGRADECIMENTOS
MUITO OBRIGADO PELA ATENÇÃO!
Leis Ponderais:
Lei da Conservação da Massa: Antoine Laurent Lavoisier: em um 
sistema fechado, a massa total do reagente é igual a massa total do 
produto;
Lei das Proporções Definida: Joseph Louis Proust: toda a substância 
apresenta uma proporção em massa constante na sua composição, que 
também é mantida entre as substâncias presentes na reação química.
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