Reatores Aula 1 Introdução à Engenharia de Reatores

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U S P – E E L - E s c o l a d e E n g e n h a r i a d e L o r e n a 
Reatores – Aula 1 – Introdução a Engenharia de Reatores 
 
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Notas de Aula - Reatores – Prof. Dr. Marco Antonio Pereira 
 
1 - Introdução 
 “A cinética química e o projeto de reatores estão no coração de quase todos os produtos 
químicos industriais. É, principalmente, o conhecimento da cinética química e o projeto do reator 
que distinguem o engenheiro químico dos outros engenheiros” 
(Fogler – Capítulo 1 – Introdução de seu livro) 
 
 
2 – Objetivos do Curso 
- Familiarizar estudantes com a terminologia e conceitos das Engenharias das Reações 
Químicas. 
- Integrar para o estudante o uso da Cinética Química no projeto de reatores químicos. 
- Desenvolver e reforçar habilidades matemáticas necessárias para o projeto de reatores 
químicos. 
 
 
3 – Estrutura 
 A idéia central do curso de reatores é permitir que o aluno faça a integração entre os 
conhecimentos de química e a sua aplicação na Engenharia. 
 
Os pilares da Engenharia das Reações Químicas, segundo Fogler, estão representados na 
Figura 1. 
 
 
Figura 1 - Os pilares da Engenharia das Reações Químicas 
 
 
 
4 – Equação Geral de Balanço de Massa 
 O ponto inicial para o estudo de reatores é o balanço de massa das espécies químicas 
(reagentes ou produtos) que participam de uma reação química. 
 
Este balanço de massa é representado, de uma forma geral, pela equação 1. 
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⎥⎥
⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢
⎣
⎡
+
⎥⎥
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢
⎣
⎡
+
⎥⎥
⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢
⎣
⎡
=
⎥⎥
⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢
⎣
⎡
 volumede elemento
no reagente do
acúmulo de Taxa
 volumede elemento
no Química Reação
à devido reagente
de consumo de Taxa
 volumede elemento
do fora para reagente
de escoamento de Taxa
 volumede elemento do
dentro para reagente
de escoamento de Taxa
 
 [Entra] = [Sai] + [Reage] + [Acumula] 
___________________________________________________________ 
Equação 1 – Balanço de Massa Genérico 
 
 
Para um elemento de volume do reator, o balanço de massa é representado na Figura 2. 
 
 
Figura 2 – Balanço de massa para um elemento de volume do reator (Levenspiel) 
 
 
 
5 – Equação Geral de Balanço de Energia 
 Uma análise mais completa de um reator implica também no estudo do balanço de energia 
das espécies químicas (reagentes ou produtos) que participam de uma reação química. 
 
Este balanço de energia é representado, de uma forma geral, pela equação 2. 
 
⎥⎥
⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢
⎣
⎡
+
⎥⎥
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢
⎣
⎡
+
⎥⎥
⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢
⎣
⎡
=
⎥⎥
⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢
⎣
⎡
 volumede elemento
no energia de
acúmulo de Taxa
 volumede elemento
no química reação
pela consumida
energia de Taxa
 volumede elemento
do sai que
energia de Taxa
 volumede elemento
no entra que
energia de Taxa
 
 
 [Entra] = [Sai] + [Reage] + [Acumula] 
___________________________________________________________ 
Equação 2 – Balanço de Energia Genérico 
 
Para um elemento de volume do reator, o balanço de energia é representado na Figura 3. 
 
 
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Figura 3 – Balanço de energia para um elemento de volume do reator (Levenspiel) 
 
 
6 – Reatores Ideais e Não Ideais 
Reatores Ideais são aqueles para os quais se desenvolve um modelo matemático 
específico a partir de condições pré-estabelecidas e que aplicado às condições reais se ajusta 
adequadamente. 
 
Reatores Não Ideais são aqueles para os quais é necessário um tratamento matemático 
específico em função de peculiaridades de reação e/ou reator. 
 
O foco do nosso curso estará em Reatores Ideais. 
 
 
7 – Tipos de Processos 
 Os três tipos de processos mais comuns são os seguintes: 
• Descontínuo (ou Batelada) – Exemplo (a) da Figura 4 
• Contínuo - Exemplo (b) da Figura 4 
• Semi Batelada (ou semi contínuo) - Exemplos (c), (d) e (e) da Figura 4 
 
 
Figura 4 – Formas de alimentação de um sistema (Levenspiel) 
 
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Para cada uma das formas de alimentação apresentadas na Figura 4, a Tabela 1 
apresenta um resumo da análise da variação do volume e da composição do meio reacional em 
função do tempo. 
 
EXEMPLO OPERAÇÃO VOLUME COMPOSIÇÃO 
(a) Batelada Constante Variável 
(b) Contínua Constante Constante (no mesmo ponto) 
(c) Semi Batelada Variável Variável 
(d) Semi Batelada Variável Constante 
(e) Semi Batelada Constante Variável 
Tabela 1 - Análise da variação do volume e da composição do meio reacional 
em função do tempo para diferentes formas de operação de um reator. 
 
 
8 – Os 3 principais Reatores Ideais Básicos (foco nas reações homogêneas) 
8.1- Reator descontínuo (ou batelada) – é um tanque com agitação mecânica no qual 
todos os reagentes são introduzidos no reator em uma única vez. Em seguida são misturados e 
reagem entre si. Após um tempo, os produtos obtidos são descarregados de única vez deste 
reator. 
Em inglês é conhecido como: Batch Reactor (vide figura 5a) 
 
8.2 – Reator Tubular – é um tubo sem agitação no qual todas as partículas escoam com a 
mesma velocidade na direção do fluxo. 
Em inglês é conhecido como: Tubular Reactor ou Plug Flow Reactor (PFR). (vide figura 5b) 
 
8.3 – Reator de mistura – é um tanque agitado com escoamento contínuo e sem acúmulo 
de reagentes ou produtos e é operado de acordo com as seguintes características: 
ƒ composição uniforme dentro do reator 
ƒ a composição de saída é igual à composição do interior do reator 
ƒ a taxa da reação é a mesma em todo o reator, inclusive na saída. 
Em inglês é conhecido como: Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR). (vide figura 5c) 
 
 
Figura 5 – Principais Tipos de Reatores Ideais 
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 Para cada um destes três principais tipos de reatores ideais, uma pergunta básica que 
permite distinguir bem os três reatores entre si é a seguinte: 
 
O que ocorre com a composição no meio reacional do reator (___________) 
se forem coletadas alíquotas de seu interior: 
(1) em tempos diferentes de um mesmo local? 
(2) em locais diferentes ao mesmo tempo? 
 
Reator (1) Variação de Ci com o tempo (2) Variação de Ci no espaço 
Batch varia não varia 
CSTR Não varia não varia 
PFR não varia varia 
Tabela 2 - Análise da variação da concentração em função do tempo em uma posição fixa ou 
da variação da concentração em função da posição no reator num tempo fixo. 
 
 
9 – Reatores para Reações Heterogêneas 
 
9.1 – Reator de Leito Fixo 
 
 
 É um reator onde normalmente o meioreacional se encontra em uma fase (líquida ou 
gasosa) e existe um catalisador na fase 
sólida. Normalmente, também é chamado de 
reator catalítico de leito fixo, onde o 
catalisador sólido é constituído de inúmeras e 
pequenas partículas depositadas ao longo do 
comprimento de um tubo. 
 Em inglês é conhecido como Packed-
Bed Reactor (PBR). 
 
 Dos três tipos de reatores ideais apresentados, este reator (PBR) assmelha-se ao reator 
tubular. A diferença é o “recheio” de partículas sólidas que existem nele. 
 
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9.2 – Reator de Leito Fluidizado 
 
 
 O funcionamento deste reator é parecido com 
o PBR. Entretanto na prática trata-se de um tubo 
vertical onde pequenas partículas sólidas são 
suspensas em uma corrente de fluxo ascendente. 
 
 A velocidade do fluxo é suficiente para 
“suspender“ as partículas, mas não grande o 
suficiente para arrastá-las para fora do reator. Em 
função deste efeito, as partículas sólidas “dançam” 
no fluido e permitem que se forme uma excelente 
mistura entre ambos (partículas sólidas e fluido). 
 
Exemplos de Reatores Industriais 
Leituras Complementares Sugeridas 
Missen – capítulo 11 – páginas 283 a 292 
Missen – capítulo 21 – páginas 512 a 515 
Missen – capítulo 23 – páginas 569 a 571 
Fogler – capítulo 1 – páginas 16 a 24 (Exemplos de Reatores Industriais) 
 Fogler – capítulo 12 – páginas 786-787 (Reator de Leito Fluidizado) 
 
Fotos de reatores industriais - http://www.engin.umich.edu/~cre/01chap/master.htm 
 
 
10 – Considerações Gerais 
10.1 – Parâmetros Relacionados com Projeto de Reatores 
1. Tipo de processo: Descontínuo, Contínuo ou Semi Batelada. 
2. Tipo e natureza do sistema reagente: 
Reagente(s) e produto(s) 
Reação Simples e Complexa 
Estequiometria 
Número de Fases Presentes 
Reação Catalítica ou Não Catalítica 
Reação Endotérmica ou Exotérmica 
3. Tipo e tamanho do Reator 
Batelada 
Contínuo (Mistura, Tubular, Leito Fixo, Leito Fluidizado,...) 
4. Modo de Operação 
Um único reator ou vários reatores 
Reatores em série e/ou paralelo 
Operação Isotérmica ou não isotérmica 
Operação Adiabática ou não adiabática 
5. Condições do Processo 
Perfil de Temperatura 
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Perfil de pressão 
Composição da alimentação 
Composição de saída do reator 
6. Otimização 
das Condições do Processo 
do Tamanho do Reator 
da Distribuição dos Produtos 
da Conversão de Saída 
dos Custos do Processo 
7. Controle e Estabilidade de Operação 
Instrumentação 
Utilização de Catalisador (desativação, envenenamento) 
Variáveis Sócio-Econômicas 
Custos 
Meio Ambiente 
Segurança 
8. Materiais da Construção 
9. Procedimentos de Scale Up e Start Up 
 
10.2 – Dados Requeridos para o Projeto de Reatores 
 
Dados Tipos de Dados 
Químicos Reagentes Produtos 
Cinéticos Lei da Velocidade (ordem, constante de velocidade) Energia de ativação’ 
Físico-Químicos 
Equilíbrio Químico 
Dados Termoquímicos (entalpia de reação, calores de formação, 
capacidades caloríficas) 
Densidade 
Viscosidade 
 
10.3 – Ferramentas a serem utilizadas 
1. Cinética Química 
2. Transferência de Calor 
3. Transferência de Massa (Difusão) 
4. Termodinâmica Química (Equilíbrio Químico e Equilíbrio de Fases) 
5. Matemática Avançada 
6. Softwares computacionais 
 
Leitura Complementar 
Levenspiel – Capítulo 4 – pagina 67-69 
 
BIBLIOGRAFIA DO CAPÍTULO 
 
Tópico Bibliografia 
Equação Geral de Balanço de 
Massa e de Balanço de Energia 
Fogler - capítulo 1 – páginas 6 a 8 
Levenspiel – Capítulo 4 – paginas 67-69 
Reatores Ideais Básicos (reações 
homogêneas) 
Fogler – capítulo1 – páginas 8 a 14, 16 a 21 
Missen – capítulo 2 – páginas 26,29,33,294-295, 335-336, 365-366 
Ferramentas do estudo de Reatores Missen – capítulo 11- páginas 279 a 283 
 
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Avaliação do Aprendizado 
 
 
1 – (Fogler 1.9) – Consultando o texto do livro e as referencias adicionais sobre reatores comerciais 
fornecidas ao final deste capitulo, preencha a seguinte tabela. 
 
Tipo de 
Reator Características 
Tipos de 
Fases 
Presentes 
Uso Vantagens Desvantagens 
Batch 
CSTR 
PFR 
PBR 
 
 
 
2 – (Fogler 1.14) – Escreva um resumo de um parágrafo de um artigo de um periódico de cinética 
química ou engenharia de reatores químicos. O artigo deve ter sido publicado nos últimos cinco anos. O que 
você aprendeu deste artigo? Por que este artigo é importante? 
 
 
 
3 – (Fogler 1-17) – Veja as fotografias e os esquemas de reatores no CD-ROM (na biblioteca) ou no 
website do livro (na web), na seção “Elements of Chemical Reaction Engineering – Chapter 1”. 
Escreva um parágrafo descrevendo dois ou mais dos reatores. Que diferenças e semelhanças você 
observa entre as fotos de reatores na Web e os reatores que você vê nos livros textos? 
 
 
4 – (P1 – 2003) - Você está começando a sua vida profissional em uma indústria química. Seu chefe 
sai com você para mostrar a fabrica e ao longo do trajeto vai lhe fazendo comentários sobre os diversos 
tipos de reatores que lá estão. 
 
Na primeira planta a ser visitada, seu chefe mostra a você um reator e diz : “Este é um reator 
______________, e ele possui controle automáticos de temperatura e pressão que o monitoram o tempo 
todo. Este é um tanque, que muitas vezes é confundido com um misturador. Sua principal característica é 
__________________________________________________________________________” 
 
Em seguida passando por uma outra planta industrial, seu chefe comenta: “Ih....este reator 
_______________ agora é complicado, porque o maior desafio que temos é mantê-lo funcionando 
continuamente a temperatura constante. Isto é muito difícil. Entretanto, dentre os reatores que operam em 
fluxo continuo, este reator possui uma grande vantagem que é: ___________________________________ 
____________________________________________________________________________. Este reator 
deve ser usado, preferencialmente, em reações em fase __________________. 
 
Por outro lado, os reatores ____________________________ são usados quando a produção é 
pequena ou quando as reações de segurança exigem que se opere pequenas quantidades de cada vez, 
como é o caso de explosivos.