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Introdução aos Reatores Heterogêneos DISCIPLINA: REATORES QUÍMICOS CURSO: ENGENHARIA QUÍMICA PROFª ANA ELISA ACHILES Três Lagoas – MS 2021 CONTEÚDO DA AULA REVISAR OS PRINCIPAIS TIPOS DE REATORES DEFINIR CONCEITOS: Processos contínuos e descontínuos; Estado transiente e estacionário REATORES HETEROGÊNEOS NÃO CATALÍTICOS REATORES HETERÔGENEOS CATALÍTICOS TIPOS DE REATORES QUÍMICOS Reator batelada ➢ Descontínuo Reator batelada alimentada ➢ Descontínuo Tanques de mistura contínuos ➢ Contínuos ➢ CSTR: “Continued Stirred Tank Reactor” – Reator contínuo de tanque agitado Reator tubular ➢ Contínuo ➢ PFR: “Plug Flow Reactor” – Reator de fluxo pistonado REATOR BATELADA PROCESSO DESCONTÍNUO: ocorre em ciclos 𝑨 + 𝑩 → 𝑪 𝑨 𝑨 𝑩 𝑩 𝑪𝑪 𝑪 𝑨 𝑨 𝑩 𝑩 𝑨 𝑩 𝑪𝑪 𝑪 𝑪𝑪 𝑨 𝑨 𝑩 𝑩 𝑪𝑪 𝑪 𝑨 𝑨 𝑨 𝑨 𝑨 𝑨 𝑨 𝑩 𝑩 𝑩 𝑩 𝑩 𝑩 𝑩 REATOR BATELADA 𝑨 𝑨 𝑩 𝑩 𝑪𝑪 𝑪 𝑨 + 𝑩 → 𝑪 𝑨 𝑨 𝑩 𝑩 𝑪𝑪 𝑪 𝑨 𝑨 𝑨 𝑨 𝑨 𝑨 𝑨 𝑩 𝑩 𝑩 𝑩 𝑩 𝑩 𝑩 𝑨 𝑨 𝑩 𝑩 𝑨 𝑩 𝑪𝑪 𝑪 𝑪𝑪 𝒕 = 𝟎 𝒕 = 𝒕𝟏 𝒕 = 𝒕𝟐 𝒕 = 𝒕𝒇 REATOR BATELADA Reator batelada ➢ Concentração dos reagentes ➢ Concentração dos produtos ➢ Volume dentro do reator variam com o tempo! 𝒅𝑪𝑨 𝒅𝒕 𝒅𝑪𝑩 𝒅𝒕 𝒅𝑪𝑪 𝒅𝒕 𝑨 + 𝑩 → 𝑪 𝒅𝑽 𝒅𝒕 REGIME TRANSIENTE!!! REATOR BATELADA ALIMENTADA 𝑨 𝑩 𝑩 𝑩 𝑩 𝑩 𝑩𝑩 𝑨 + 𝑩 → 𝑪 PROCESSO DESCONTÍNUO 𝑨 𝑨 𝑩 𝑩 𝑪𝑪 𝑪 𝑩 𝑩 𝑩 𝑩 𝑩 𝑩 𝑩 𝑨 𝑩 𝑩 𝑩 𝑩 𝑩 𝑩 𝑩𝑩 𝑪 𝑪 𝑪 𝑨 𝑨 𝑩 𝑩 𝑪𝑪 𝑪 𝑩 𝑨 𝑪 𝑪𝑪 𝑪 𝑪 𝑪 𝑪 𝒕 = 𝟎 𝒕 = 𝒕𝟏 𝒕 = 𝒕𝟐 𝒕 = 𝒕𝟑 𝒕 = 𝒕𝒇 REATOR BATELADA ALIMENTADA Reator batelada alimentada ➢ Concentração dos reagentes ➢ Concentração dos produtos ➢ Volume dentro do reator variam com o tempo! 𝒅𝑪𝑨 𝒅𝒕 𝒅𝑪𝑩 𝒅𝒕 𝒅𝑪𝑪 𝒅𝒕 𝑨 + 𝑩 → 𝑪 𝒅𝑽 𝒅𝒕 REGIME TRANSIENTE!!! REATOR CONTÍNUO DE TANQUE AGITADO (CSTR) 𝑨 𝑩 𝑨 + 𝑩 → 𝑪 𝑪 CSTR: Operação contínua; 𝒕 = 𝟎 𝑨 𝑩 𝑨 + 𝑩 → 𝑪 𝑪 𝒕 = 𝒕𝟏 𝑨 𝑩 𝑨 + 𝑩 → 𝑪 𝑪 𝒕 = 𝒕𝟐 𝑨 𝑩 𝑨 + 𝑩 → 𝑪 𝑪 𝒕 = 𝐭𝟑 REATOR CSTR Reator contínuo de tanque agitado ➢ Concentração dos reagentes ➢ Concentração dos produtos ➢ Volume dentro do reator NÃO variam com o tempo! REGIME ESTACIONÁRIO OU PERMANENTE!!! REATOR CONTÍNUO DE TANQUE AGITADO (CSTR) CSTR: ➢ Operação perfeitamente agitada; 𝐶𝐴 𝐶𝐵 𝐶𝐶 𝐶𝐴 𝐶𝐵 𝐶𝐶 𝐶𝐴 𝐶𝐵 𝐶𝐶 Concentração dos reagentes e dos produtos NÃO variam com a posição!!! REATOR TUBULAR (PFR) PFR: ❑ Operação contínua 𝑨 + 𝑩 → 𝑪 𝑨 𝑩 𝑪 𝑨 + 𝑩 → 𝑪 𝑨 𝑩 𝑪 𝑨 + 𝑩 → 𝑪 𝑨 𝑩 𝑪 𝒕 = 𝟎 𝒕 = 𝒕𝟏 𝒕 = 𝒕𝟐 REATOR TUBULAR (PFR) PFR: ❑ Reação ocorre ao longo do comprimento: 𝑨 + 𝑩 → 𝑪 𝑨 𝑩 𝑪 𝒙 [𝑨] [𝐁] [𝐂] REATOR TUBULAR (PFR) Concentração dos reagentes e produtos VARIAM ao longo do comprimento. 𝑨 + 𝑩 → 𝑪 𝑨 𝑩 𝑪 𝒙 [𝑨] [𝐁] [𝐂] 𝒅𝑪𝑨 𝒅𝒙 𝒅𝑪𝑩 𝒅𝒙 𝒅𝑪𝑪 𝒅𝒙 𝑨 + 𝑩 → 𝑪 FATORES QUE INFLUENCIAM O PROJETO DO REATOR Rota química: 𝐴 + 𝐵 → 𝑪 + 𝐷 Eliminar o subproduto 𝑫 𝐴 + 𝐸 → 𝑪 Reagente 𝑬 muito caro 𝐴 + 𝐵 → 𝐷 → 𝑪 Reação em duas etapas FATORES QUE INFLUENCIAM O PROJETO DO REATOR Estequiometria da reação: 𝒂𝐴 + 𝒃𝐵 → 𝒄𝐶 • 𝐴 + 𝐵 → 𝐶 + 𝐷 𝟏𝐴 + 𝟏𝐵 → 𝟏𝐶 + 𝟏𝐷 𝟐 → 𝟐 • 𝟏𝐴 + 𝟏𝐵 → 𝟐𝐶 + 𝟐𝐷 𝟐 → 𝟒 FATORES QUE INFLUENCIAM O PROJETO DO REATOR Velocidade ou taxa da reação: 𝑨 → 𝑩 𝑹𝑨 = −𝑘𝐶𝐴 𝑛 FATORES QUE INFLUENCIAM O PROJETO DO REATOR Energia da Reação Reação endotérmica: ✓ Consome energia (calor); ✓ ∆𝑯𝒓𝒆𝒂çã𝒐 = 𝑯𝒑𝒓𝒐𝒅𝒖𝒕𝒐𝒔 − 𝑯𝒓𝒆𝒂𝒈𝒆𝒏𝒕𝒆𝒔 > 𝒁𝑬𝑹𝑶 Reação exotérmica: ✓ Libera energia (calor); ✓ ∆𝑯𝒓𝒆𝒂çã𝒐 = 𝑯𝒑𝒓𝒐𝒅𝒖𝒕𝒐𝒔 − 𝑯𝒓𝒆𝒂𝒈𝒆𝒏𝒕𝒆𝒔 < 𝒁𝑬𝑹𝑶 FATORES QUE INFLUENCIAM O PROJETO DO REATOR ➢ Conversão da reação; ➢ Demanda de energia; ➢ Taxa de produção requerida; ➢ O capital disponível para o projeto; ➢ A disponibilidade de espaço; ➢ Segurança e meio ambiente. CLASSIFICAÇÃO DAS REAÇÕES QUÍMICAS Número e tipos de fases envolvidas nas reações: ➢ SISTEMAS HOMOGÊNEOS ➢ SISTEMAS HETEROGÊNEOS SISTEMAS HOMOGÊNEOS versus SISTEMAS HETEROGÊNEOS Reações que ocorrem em uma única fase, líquida ou gasosa. Reações que requerem a presença de, no mínimo, duas fases para ocorrerem. REAÇÕES HOMOGÊNEAS • Reações que ocorrem em uma única fase, líquida ou gasosa. 𝑨(𝒍) → 𝑩(𝒍) 𝑨(𝒈) → 𝑩(𝒈)ou 𝑨 𝒍 + 𝑩(𝒍) → 𝑪(𝒍) ou 𝑨 𝒈 + 𝑩(𝒈) → 𝑪(𝒈) Líquida ou Gasosa Craqueamento do Etano – fase gasosa: produz eteno e hidrogênio 𝑪𝟐𝑯𝟔(𝒈) → 𝑪𝟐𝑯𝟒(𝒈) + 𝑯𝟐(𝐠) REAÇÕES HETEROGÊNEAS ➢ Reações que requerem a presença de, no mínimo, duas fases para ocorrerem. ▪ líquido-líquido; ▪ líquido-gás ▪ sólido-líquido; ▪ sólido-gás; ▪ sólido-líquido-gás fluido-fluido sólido-fluido sólido-fluido-fluido REAÇÕES HETEROGÊNEAS ▪ fluido-fluido SISTEMAS NÃO CATALÍTICOS SISTEMAS CATALÍTICOS ▪ sólido-fluido ▪ sólido-fluido SISTEMAS NÃO CATALÍTICOS SISTEMAS FLUIDO-FLUIDO 𝑨 𝒈 + 𝑩 𝒍 → 𝑪 + 𝑫(𝐟𝐥𝐮𝐢𝐝𝐨𝐬 𝐨𝐮 𝐬ó𝐥𝐢𝐝𝐨𝐬/𝐟𝐥𝐮𝐢𝐝𝐨𝐬) 𝑨 𝒍 + 𝑩 𝒍 → 𝑪 + 𝑫 (𝐟𝐥𝐮𝐢𝐝𝐨𝐬 𝐨𝐮 𝐬ó𝐥𝐢𝐝𝐨𝐬/𝐟𝐥𝐮𝐢𝐝𝐨𝐬) líquido-líquido gás-líquido SISTEMAS NÃO CATALÍTICOS SISTEMAS FLUIDO-FLUIDO 1) Converter a matéria-prima em um material desejado: a. Sínteses orgânicas: ▪ Líquido-Líquido: nitração de compostos orgânicos para formar, por exemplo, a nitroglicerina ▪ Líquido-Gás: cloração do benzeno líquido com cloro gasoso b. Sínteses inorgânicas: ▪ Líquido-Gás: produção de amido sódico a partir da amônia gasosa e sódio líquido SISTEMAS NÃO CATALÍTICOS SISTEMAS FLUIDO-FLUIDO 2) Remoção de um componente indesejado de um fluido: acelerar a absorção de um soluto gasoso pela água por meio da adição de um composto químico que irá reagir com o soluto ASSISTIR: https://www.youtube.com/watch?v=YM3Giz-wX4Q&t=107s SISTEMAS NÃO CATALÍTICOS SISTEMAS NÃO CATALÍTICOS SISTEMAS FLUIDO-FLUIDO 3) Obter uma melhor distribuição de produtos para reações homogêneas múltiplas, em relação àquela obtida com o uso de apenas uma única fase. 𝑨 → 𝑹 → 𝑺 → 𝑻 𝑨 ↔ 𝑹 → 𝑺 𝑨 + 𝑩 → 𝑹 𝑹 + 𝑩 → 𝑺 𝑺 + 𝑩 → 𝑻 𝑨↔ 𝑹 ↔ 𝑺 SÉRIE REVERSÍVEL E IRREVERSÍVEL SÉRIE-PARALELO IRREVERSÍVEL SISTEMAS NÃO CATALÍTICOS REATORES FLUIDO-FLUIDO SISTEMAS NÃO CATALÍTICOS REATORES FLUIDO-FLUIDO SISTEMAS NÃO CATALÍTICOS SISTEMAS SÓLIDO-FLUIDO 𝑨 𝒇𝒍𝒖𝒊𝒅𝒐 + 𝑩 𝒔ó𝒍𝒊𝒅𝒐 → 𝒑𝒓𝒐𝒅𝒖𝒕𝒐𝒔 𝒇𝒍𝒖𝒊𝒅𝒐𝒔 ➢ Um gás ou um líquido entra em contato com um sólido e reage com ele, transformando-se em produto ➢ O sólido participa da reação química 𝑨 𝒇𝒍𝒖𝒊𝒅𝒐 + 𝑩 𝒔ó𝒍𝒊𝒅𝒐 → 𝒑𝒓𝒐𝒅𝒖𝒕𝒐𝒔 𝒔ó𝒍𝒊𝒅𝒐𝒔 𝑨 𝒇𝒍𝒖𝒊𝒅𝒐 + 𝑩 𝒔ó𝒍𝒊𝒅𝒐 → 𝒑𝒓𝒐𝒅𝒖𝒕𝒐𝒔 𝒇𝒍𝒖𝒊𝒅𝒐𝒔 𝒆 𝒔ó𝒍𝒊𝒅𝒐𝒔 SISTEMAS NÃO CATALÍTICOS SISTEMAS SÓLIDO-FLUIDO O tamanho das partículas podem permanecer inalterado: ➢ Grandes quantidades de impurezas ➢ Formação de um produto sólido que se adere na superfície da partícula SISTEMAS NÃO CATALÍTICOS SISTEMAS SÓLIDO-FLUIDO O tamanho das partículas se encolhem em tamanho: ➢ O produto formado causa contração da partícula ➢ Quando a partícula é usada no seu estado puro SISTEMAS NÃO CATALÍTICOS SISTEMAS SÓLIDO-FLUIDO Reações em que o tamanho do sólido não varia: 1 – Oxidação de minérios de enxofre para gerar óxidos metálicos 𝟐𝒁𝒏𝑺 𝒔 + 𝟑𝑶𝟐(𝒈) → 𝟐𝒁𝒏𝑶 𝒔 + 𝟐𝑺𝑶𝟐(𝒈) 𝟒𝑭𝒆𝑺𝟐 𝒔 + 𝟏𝟏𝑶𝟐 𝒈 → 𝟐𝑭𝒆𝟐𝑶𝟑 𝒔 + 𝟖𝑺𝑶𝟐(𝒈) SISTEMAS NÃO CATALÍTICOS SISTEMAS SÓLIDO-FLUIDO Reações em que o tamanho do sólido não varia: 2 – Preparação de metais a partir de óxidos pela reação com o hidrogênio 𝑭𝒆𝟑𝑶𝟒 𝒔 + 𝟒𝑯𝟐 𝒈 → 𝟑𝑭𝒆 𝒔 + 𝟒𝑯𝟐𝑶(𝒈) SISTEMAS NÃO CATALÍTICOS SISTEMAS SÓLIDO-FLUIDO Reações em que o tamanho do sólido não varia: 3) O tratamento protetor da superfície de sólidos, como a galvanização de metais SISTEMAS NÃO CATALÍTICOS SISTEMAS SÓLIDO-FLUIDO Reações em que o tamanho do sólido varia: Reações demateriais de carbono, como briquetes de carvão, madeiro, resíduos sólidos orgânicos, com baixo teor de cinzas para produzir calor ou combustíveis de aquecimento: Combustão com quantidade reduzida de ar: 𝑪 𝒔 + 𝑶𝟐(𝒈) → 𝑪𝑶𝟐(𝒈) 𝟐𝑪 𝒔 + 𝑶𝟐(𝒈) → 𝟐𝑪𝑶(𝒈) 𝑪 𝒔 + 𝑪𝑶𝟐(𝒈) → 𝟐𝑪𝑶(𝒈) SISTEMAS NÃO CATALÍTICOS SISTEMAS SÓLIDO-FLUIDO Reações em que o tamanho do sólido varia: Reações de materiais de carbono, como briquetes de carvão, madeiro, resíduos sólidos orgânicos, com baixo teor de cinzas para produzir calor ou combustíveis de aquecimento: Reação do carbono com o vapor para obter o SYNGAS: 𝑪 𝒔 + 𝑯𝟐𝑶 𝒈 → 𝑪𝑶 𝒈 + 𝑯𝟐(𝒈) 𝑪 𝒔 + 𝟐𝑯𝟐𝑶 𝒈 → 𝑪𝑶𝟐 𝒈 + 𝟐𝑯𝟐(𝒈) GASEIFICAÇÃO ASSISTIR: https://www.youtube.com/watch?v=cYU5DrXW5VU&t=37s SISTEMAS NÃO CATALÍTICOS REATORES SÓLIDO-FLUIDO Sólidos e Gás em Escoamento Pistonado (PFR) Quando sólidos e gás passam através do reator em escoamento pistonado (PFR) com suas composições variando ao longo do escoamento: Altos-fornos e fornos de cimento (ESCOAMENTO CONTRACORRENTE) ASSISTIR: https://www.youtube.com/watch?v=xDnP_lGdiUA SISTEMAS NÃO CATALÍTICOS REATORES SÓLIDO-FLUIDO Sólidos e Gás em Escoamento Pistonado (PFR) Quando sólidos e gás passam através do reator em escoamento pistonado (PFR) com suas composições variando ao longo do escoamento: Esteira móvel para fornalhas (ESCOAMENTO CRUZADO) SISTEMAS NÃO CATALÍTICOS REATORES SÓLIDO-FLUIDO Sólidos e Gás em Escoamento Pistonado (PFR) Quando sólidos e gás passam através do reator em escoamento pistonado (PFR) com suas composições variando ao longo do escoamento: Secadores de polímeros (ESCOAMENTO CONCORRENTE) SISTEMAS NÃO CATALÍTICOS REATORES SÓLIDO-FLUIDO Sólidos em Escoamento com Mistura Perfeita (CSTR) O leito fluidizado é um exemplo de reator com mistura perfeita de sólidos com o fluido. Reator de Leito Fluidizado SISTEMAS NÃO CATALÍTICOS REATORES SÓLIDO-FLUIDO Reator de Leito Fluidizado Gás Sólido Distribuidor Bolhas de gás Partícula de sólido Sólido Gás • mantém os reagentes “perfeitamente” misturados • aumenta o contato entre as diferentes fases • mantém a temperatura constante dentro do reator SISTEMAS NÃO CATALÍTICOS REATORES SÓLIDO-FLUIDO Operações em Batelada Reação e a dissolução de uma batelada de sólidos em uma batelada de fluido, tal como o ataque de um ácido a um sólido. SISTEMAS CATALÍTICOS CATALISADOR ➢ Um catalisador é uma substância que afeta a velocidade de uma reação, porém sai inalterado do processo. ➢ Altera a velocidade de reação por meio de uma diferente rota molecular (“mecanismo”) para a reação Exemplo: Hidrogênio e o oxigênio são praticamente inertes em temperatura ambiente, porém reagem rapidamente quando expostos em platina. SISTEMAS CATALÍTICOS ❑ O catalisador reduz a energia de ativação da reação química Lenta Catálise Rápida E n e rg ia Caminho da Reação Energia de ativação sem catalisador Energia de ativação com catalisador SISTEMAS CATALÍTICOS É a energia mínima necessária para iniciar uma reação química. Essa energia vem das energias cinéticas das moléculas quando colidem. Após a colisão, a energia cinética das moléculas pode ser utilizada para esticar, dobrar e romper as ligações conduzindo às reações químicas. Quando a colisão entre as moléculas é efetiva, as moléculas formam o complexo ativado ou estado de transição: um arranjo molecular capaz de romper a barreira imposta pela energia de ativação. Energia de Ativação SISTEMAS CATALÍTICOS IMPORTÂNCIA DOS CATALISADORES QUÍMICOS COMERCIAIS ➢ Aproximadamente um terço do produto nacional bruto dos EUA envolve um processo catalítico em algum lugar entre a matéria-prima e o produto final acabado. ➢ O desenvolvimento e o uso de catalisadores constituem a maior parte das buscas constantes por novas rotas químicas a fim de aumentar o rendimento e a seletividade das reações. SISTEMAS CATALÍTICOS Catálise Homogênea: está relacionada com processos em que um catalisador está em solução com, no mínimo, um dos reagentes. Catálise Heterogênea: processo que envolve mais de uma fase; geralmente, o catalisador é um sólido e os reagentes e produtos estão na forma líquida ou gasosa TIPOS DE CATÁLISE SISTEMAS CATALÍTICOS SÓLIDO-FLUIDO SISTEMAS CATALÍTICOS Diferentes tipos, formas e tamanho de catalisadores sólidos. SISTEMAS CATALÍTICOS ETAPAS DE UMA REAÇÃO CATALÍTICA 1) Transferência de massa (difusão) dos reagentes (𝐀) do interior da fase fluida (bulk) para a superfície externa da partícula do catalisador 2) Difusão do reagente a partir da entrada do poro, através dos poros do catalisador, para a superfície interna do catalisador 3) Adsorção do reagente 𝑨 na superfície catalítica 4) Reação na superfície do catalisador (𝑨(𝒈) → 𝑩(𝒈)) 5) Dessorção dos produtos (𝑩) da superfície de reação 6) Difusão dos produtos do interior da partícula para a entrada do poro na superfície externa 7) Transferência de massa dos produtos da superfície externa da partícula para o interior da fase fluida SISTEMAS CATALÍTICOS REATORES SÓLIDO-FLUIDO REATORES DE LEITO FIXO REATORES DE LEITO FLUIDIZADO SISTEMAS CATALÍTICOS REATORES DE LEITO FIXO ➢ O escoamento do fluido em leitos fixos se aproxima do pistonado (PFR) ➢ Difícil controle de temperatura devido à baixa condutividade térmica ▪ Reações altamente exotérmicas podem desativar os catalisadores ➢ Não é recomendado o uso de partículas catalisadores muito pequenas porque elas podem obstruir a passagem promovendo uma alta queda de pressão SISTEMAS CATALÍTICOS REATORES DE LEITO FIXO SISTEMAS CATALÍTICOS CAMPO DE TEMPERATURA REATORES DE LEITO FIXO EM REAÇÕES EXOTÉRMICAS SISTEMAS CATALÍTICOS REATORES DE LEITO FLUIDIZADO ➢ Elevada mistura do catalisador com o fluido, fazendo com que a composição seja homogênea em todo o reator ▪ Escoamento complexo mais difícil de ser controlado ➢ A rápida mistura de sólidos possibilita que as operações sejam praticamente isotérmicas, com fácil controle da temperatura ➢ Permite o uso de partículas catalisadores bem pequenas, aumentando o contato do sólido com a fase fluida e, com isso, favorecendo a transferência de massa ASSISTIR: https://www.youtube.com/watch?v=lFhrpSJZzck SISTEMAS CATALÍTICOS REATORES DE LEITO FLUIDIZADO FATORES QUE INFLUENCIAM O PROJETO DE UM REATOR HETEROGÊNEO ➢ Rota química, estequiometria e a taxa de reação ➢ Energia das reações ➢ Conversão da reação ➢ Demanda de energia; ➢ Taxa de produção requerida; ➢ O capital disponível para o projeto; ➢ A disponibilidade de espaço; ➢ Segurança e meio ambiente. TRANSFERÊNCIA DE MASSA TRANSFERÊNCIA DE CALOR BIBLIOGRAFIA ➢ Levenspiel, Octave. Engenharia das Reações Químicas, Editora Blucher, 2017 ➢ Fogler, H. Scott. Elementos de Engenharia das Reações