parte 3-1

Prévia do material em texto

Parte 3-1: Escolha do Reator 
 Rota química 
 Desempenho do Reator 
Ana Maria Furtado 
Escolha do Reator 
INTRODUÇÃO 
 O reator é o coração de quase todos os processos 
químicos. 
 Conhecimento da cinética das reações e do projeto do 
reator é o que distingue o engenheiro químico dos demais 
engenheiros. 
 
Escolha do Reator 
INTRODUÇÃO 
 Reatores são normalmente projetos para atender a necessidade 
especifica. 
 Mesmo no caso do reatores Tanques agitados, o equipamento é 
customizado (tipo de agitador, pontos de alimentação e de 
retirada de produto, superfície de troca térmica e 
instrumentação). 
 
INTRODUÇÃO 
 Poucos reatores industriais são projetados 
exclusivamente com base em modelagem. 
 
 Normalmente, os reatores são projetados a partir de 
reatores de planta piloto ou de projetos anteriores. 
Escolha do Reator 
Reator 
Operação de maneira segura e eficiente. 
 
O bom desempenho do reator é o principal fator para 
que o processo seja economicamente e 
ambientalmente viável 
 (reduzir ou evitar a formação de resíduos). 
Escolha do Reator 
Escolha do Reator 
Fatores : 
• Rota química 
• Desempenho do Reator 
• Parâmetros ou variáveis de processo: 
Concentração de reagentes; 
Temperatura; 
Pressão; 
Fases presentes no meio reacional; 
Sistema catalítico, quando houver. 
 
 
Escolha da rota 
Várias rotas que podem levar a produção de um produto. 
Objetivo: Produzir o produto A 
A 
ROTA 1 
ROTA 2 
ROTA 3 
ROTA 4 
Escolha da rota 
Como escolher a Rota? 
Quais são os critérios? 
 
Fatores considerados na escolha da rota + viável: 
 Econômico (Lucro) 
 Técnico 
 Segurança/Saúde 
 Sustentabilidade 
 
Escolha da rota 
Exemplos de tópicos abordados: 
• Análise econômica inicial: Potencial econômico: $ das MP, 
produtos e subprodutos 
• Fornecimento MP e auxiliares de processo, estoques, tendências de 
mercado etc. – exemplo: Catalisadores 
• Características das MP e subprodutos (limites de explosividade, 
toxidez etc.) 
• Menor formação de subprodutos. 
• Tipos de reações: reversível, simples, múltiplas. 
Avaliação Econômica Inicial 
Através dos custos das Matérias-primas e dos 
produtos, verificar se rota é atrativa economicamente, 
considerando que um rendimento estequiométrico é 
obtido. 
Escolha da rota 
Exemplo (bem simples!) de avaliação econômica: 
Produção de cloreto de vinila. 
 
 
CAS: é um número de registro no banco de dados do Chemical Abstracts Service (divisão da 
Chemical American Society) que auxilia na identificação do produto em banco de dados. 
www.cetesb.so.gov.br/userfiles/file/laboratorios/fil/cloreto_de_vinila.pdf 
Escolha da rota 
 
 Rotas Possíveis 
1 C2H2 + HCl  C2H3Cl 
 
 
 
2 
C2H4 + Cl2  C2H4Cl2 
 
C2H4Cl2  C2H3Cl + HCl 
 
 
3 
C2H4 + ½ O2 + 2HCl  C2H4Cl2 + H2O 
 
C2H4Cl2  C2H3Cl + HCl 
 
4 C2H4 + ½ Cl2 + 
 1/4 O2  C2H3Cl + ½ H2O 
(acetileno) 
(eteno) (dicloroetano) 
Escolha da rota 
 
 Material Custo $/kg Massa molar 
kg/kmol 
C2H3Cl 0,42 62 
C2H2 0,94 26 
C2H4 0,53 28 
HCl 0,35 36 
Cl2 0,21 71 
Nota: O2 e H2O com custos desprezíveis 
 
 
Potencial econômico = 
(valor Produto) – (custo Matéria-prima) 
Potencial econômico 
=
 𝒄𝒐𝒆𝒇. 𝒆𝒔𝒕 ∗ 𝑴.𝑴𝒐𝒍𝒂𝒓 ∗ 𝒄𝒖𝒔𝒕𝒐 − 𝒄𝒐𝒆𝒇. 𝒆𝒔𝒕 ∗ 𝑴.𝑴𝒐𝒍𝒂𝒓 ∗ 𝒄𝒖𝒔𝒕𝒐 𝒎𝒑𝒑𝒓𝒐𝒅 
 
C2H2 + HCl  C2H3Cl 
 
PE = (62 * 0,42) – (26*0,94 + 36*0,35) = 26,04 – 37,04 = -11,00 $/Kmol 
Potencial Econômico ($/Kmol) - Rota 1 
 
 
Potencial Econômico ($/Kmol) - Rota 2 
C2H4 + Cl2  C2H4Cl2 
C2H4Cl2  C2H3Cl + HCl 
 
Situação 1: Subproduto HCl não será comercializado 
PE = (62 * 0,42) – (28*0,53 + 71*0,21) = 26,04 – 29,75 = -3,71 $/Kmol 
Situação 2: Subproduto HCl será comercializado 
PE = (62 * 0,42 + 36*0,35) – (28*0,53 + 71*0,21) = 38,64-29,75 = 8,89 $/Kmol 
C2H4 + Cl2  C2H3Cl + HCl 
 
 
Potencial Econômico ($/Kmol) - Rota 3 
PE = (62 * 0,42) – (28*0,53 + 36*0,35) = 26,04 – 27,44 = -1,40 $/Kmol 
C2H4 + ½ O2 + 2HCl  C2H4Cl2 + H2O 
C2H4Cl2  C2H3Cl + HCl 
C2H4 + ½ O2 + HCl  C2H4Cl2 + H2O 
 
 
Potencial Econômico ($/Kmol) - Rota 4 
PE = (62 * 0,42) – (28*0,53 + ½*71*0,21) = 26,04 – 22,29 = 3,75 $/Kmol 
C2H4 + ½ Cl2 + 
 1/4 O2  C2H3Cl + ½ H2O 
Obtenção do monômero Cloreto de vinila (MVC) 
Rota eteno/cloro ou “processo balanceado” (Rota 4) 
rota: cloração do eteno (rota 2) 
rota: oxicloração do eteno (rota 3) 
Ref. : Tecnologia do PVC - 2ª edição | Revista e ampliada 
Ref. : Tecnologia do PVC - 2ª edição | Revista e ampliada 
Fluxograma de Blocos 
Desempenho do Reator 
Conversão = 
𝑟𝑒𝑎𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜 𝑛𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑡𝑜𝑟
𝑟𝑒𝑎𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎çã𝑜 
 
Seletividade = 
𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑜
𝑟𝑒𝑎𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜 
 * fator estequiométrico 
Rendimento= 
𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑜
𝑟𝑒𝑎𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎çã𝑜 
 * fator estequiométrico 
fator estequiométrico = 
𝑚𝑜𝑙 𝑟𝑒𝑎𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜
𝑚𝑜𝑙 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 
 
Para outros tipos de reação: 
Nota: 
Reação de Polimerização: O desempenho é avaliado através da medição da 
distribuição do peso molecular do polímero (propriedades) 
Reações bioquímicas: O desempenho é normalmente avaliado por resultados de 
laboratório, devido a dificuldade de prever tais reações teoricamente. 
Exemplo – Produção de Benzeno 
 
 
 
 
 
 
 
 
Determine a conversão, seletividade e a produtividade da 
produção do benzeno em relação ao tolueno e ao H2. 
Vazões de Alimentação e efluentes do Reator 
Exemplo – Produção de Benzeno 
Conversão Tolueno= 
372−93
372
 = 0,75 
Seletividade Benzeno/tolueno= 
282−13
(372−93)
 ∗ 1 = 0,96 
Seletividade Benzeno/H2= 
282−13
(1858 −1583)
 ∗ 1 = 0,98 
Rendimento Benzeno/H2= 
282−13
1858
 ∗ 1 = 0,14 
Rendimento Benzeno/tolueno= 
282−13
372
 ∗ 1 = 0,72 
Conversão H2 = 
1858−1583
1858
 = 0,15 
Desempenho do Reator 
Conversão = 
𝑟𝑒𝑎𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜 𝑛𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑡𝑜𝑟
𝑟𝑒𝑎𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎çã𝑜 
 
Seletividade = 
𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑜
𝑟𝑒𝑎𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜 
 * fator estequiométrico 
Rendimento = 
𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑜
𝑟𝑒𝑎𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎çã𝑜 
 * fator estequiométrico 
Reagente na alimentação = Reagente Virgem + Reagente Reciclado 
O rendimento do reator é importante para os casos onde não é 
possível ter o reciclo. 
Desempenho do Reator 
 
 
 A conversão do reator tem grande influência sobre o restante 
do processo, logo uma ESTIMATIVA DA CONVERSÃO 
deve ser feita! 
 A produção de subprodutos deve ser minimizada (custos de 
matéria-prima, energia e tratamento/disposição) - 
SELETIVIDADE 
Objetivo: Ter o máximo de Seletividade para uma 
dada Conversão. 
Tipos básicos de Reações 
 
 
1) Simples 
 
 
2) Múltiplas: onde, pelo menos um reagente 
pode ser consumido em mais de uma reação. 
 
• Paralelas ou competitivas 
• Série ou consecutivas 
• Série e paralelo 
Tipos básicos de Reações 
 
 
Reações Simples: 
Tipos básicos de Reações 
 
 
Reações múltiplas em paralelo: 
 
Tipos básicos de ReaçõesReações múltiplas em série: 
Tipos básicos de Reações 
 
 
Reações múltiplas em série e paralelo: 
 
Taxa de reação 
A taxa de reação de um dado componente é definida por: 
 
 
 
Onde: 
ri é taxa ou velocidade da reação do componente i 
(kmol.m-3.s-1). 
Ni é o número de mols do componente i (kmol). 
V é o volume reacional (m3). 
t é o tempo (s). 
 
Velocidade ou taxa de reação pode ser definida como sendo 
a mudança de concentração de um dos reagentes dividida 
pelo intervalo de tempo no qual a mudança ocorre. 
Taxa de reação 
Se V = constante  
𝑟𝑖 = 𝑘𝑖 𝐶𝑖
𝑎 
Onde: 
 𝑘𝑖 é a constante de velocidade da reação 
 𝑎 é a ordem da reação 
Desempenho do Reator 
 
 
1º Caso: Reações Simples: 
A taxa da reação é expressa por uma única equação 
cinética. 
A  B + C 
 
 
 
 
 
 
Não é possível manipular a Seletividade. 
A Seletividade não sofre influência da conversão 
 
Objetivo: Ter o máximo de Seletividade para uma 
dada Conversão. 
Seletividade = 
𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑜
𝑟𝑒𝑎𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜 
 * fator estequiométrico 
Desempenho do Reator 
 
 
 
1º Caso: Reações Simples: 
 
Assim, neste caso, o objetivo será minimizar o 
custo do reator (volume do reator) 
 para uma dada conversão. 
 
 META INÍCIAL: 
 
 Seletividade é característica da reação 
 
 Conversão : 95% (reações irreversíveis) 
 
 Conversão : 95% do equilíbrio (reações reversíveis) 
Desempenho do Reator 
1º Caso: Reações múltiplas 
 
São sistemas onde é necessário mais de uma equação 
cinética para expressar a taxa da reação. 
 
 
 
 
Problema: 
 Produção do Produto Indesejado  
 
 Custo Separação 
 
 Eficiência no Reator 
Desempenho do Reator 
1º Caso: Reações múltiplas 
 
Custo da matéria-prima domina 
o custo global do processo. 
 
 
 
Objetivo é minimizar a formação 
de subproduto (maximizar a Seletividade) 
 para uma dada conversão. 
 
Desempenho do Reator 
2º Caso: a) Reações múltiplas em paralelo 
 
 A  D 
 A  I 
 
 
𝑟1 = 𝑘1 𝐶𝐴
𝑎1 (eq. 1) 
𝑟2 = 𝑘2 𝐶𝐴
𝑎2 (eq. 2) 
Onde: 
r1 e r2 : taxas ou velocidades da reação (kmol.m
-3.s-1). 
k1 e k2 : constante de velocidade ou cinética da reação. 
a1 e a2: ordem da reação. 
CA: Concentração molar do reagente no reator 
 
Desempenho do Reator 
2º Caso: a) Reações múltiplas em paralelo 
 
 A  D 
 A  I 
 
 
𝑟1 = 𝑘1 𝐶𝐴
𝑎1 (eq. 1) 
𝑟2 = 𝑘2 𝐶𝐴
𝑎2 (eq. 2) 
Dividindo as equações (2) por (1)  
𝑟2
𝑟1
=
𝑘2
𝑘1
𝐶𝐴
(𝑎2−𝑎1) 
 
 Seletividade   
𝒓𝟐
𝒓𝟏
 
 
𝑟2
𝑟1
=
𝑘2
𝑘1
𝐶𝐴
𝑎 
 
𝑠𝑒𝑛𝑑𝑜 𝑎 = 𝑎2 − 𝑎1 
ou  
𝒓𝟏
𝒓𝟐
 
Desempenho do Reator 
2º Caso: a) Reações múltiplas em paralelo 
 
 
Qual será a meta para a Conversão e Seletividade? 
𝑟2
𝑟1
=
𝑘2
𝑘1
𝐶𝐴
𝑎 
 
Seletividade máxima  r2/r1 
𝐦𝐢𝐧𝐢𝐦𝐨 
Sabendo que alta conversão no reator tende a decrescer 
𝐶𝐴 , 𝑡𝑒𝑚𝑜𝑠 𝑞𝑢𝑒: 
Caso 1: 𝒂2 > 𝒂1  𝒂 = (+) 
Caso 2: 𝒂2 < 𝒂1  𝒂 = (-) 
Desempenho do Reator 
Caso 1: 𝒂2 > 𝒂1  𝒂 = (+) 
 
 
 
 
A medida que Conversão   
 𝐶𝐴 
 
 
𝒓𝟐
𝒓𝟏
 
Seletividade 
𝑟2
𝑟1
=
𝑘2
𝑘1
𝐶𝐴
𝑎 = 𝑘′𝐶𝐴
𝑎 
 
 Seletividade   
𝑟2
𝒓𝟏
 
A  D 
A  I 
 
 
 
Desempenho do Reator 
 𝒂2 > 𝒂1  𝒂 = (+)  
Se a Conversão   Seletividade  
Desempenho do Reator 
Caso 2: 𝒂2 < 𝒂1  𝒂 = (-) 
 
 
 
 
A medida que Conversão   
 𝐶𝐴 
 
 
𝒓𝟐
𝒓𝟏
 
Seletividade 
 Seletividade   
𝑟2
𝒓𝟏
 
A  D 
A  I 
 
 
 
𝑟2
𝑟1
=
𝑘2
𝑘1
𝐶𝐴
𝑎 = 
𝑘′
𝐶𝐴
𝑎
 
 
 
Desempenho do Reator 
 𝒂2 < 𝒂1  𝒂 = (-)  
Se a Conversão   Seletividade  
Desempenho do Reator 
2º Caso: a) Reações múltiplas em paralelo 
 
META INÍCIAL DE DESEMPENHO: 
 
Quando a Seletividade aumentar com o aumento da Conversão: 
 
Conversão : 95% (reações irreversíveis) 
Conversão : 95% do equilíbrio (reações reversíveis) 
Seletividade = f(conversão) 
 
 
Quando a Seletividade diminuir o aumento da Conversão 
Conversão : 50% (reações irreversíveis) 
Conversão : 50% do equilíbrio (reações reversíveis) 
Seletividade = f(conversão) 
 
Desempenho do Reator 
2º Caso: b) Reações múltiplas em série 
 
 A  D 
 D  I 
 
 
𝑟1 = 𝑘1 𝐶𝐴
𝑎1 (eq. 1) 
𝑟2 = 𝑘2 𝐶𝐷
𝑎2 (eq. 2) 
Qual será a meta para a Conversão e Seletividade? 
𝑟2 baixo CD baixa. 
Isto significa que o reator deve ser operado com baixa concentração 
do produto, ou seja, com baixa conversão. 
Seletividade será máxima mantendo 𝑟2 baixo. 
Desempenho do Reator 
2º Caso: b) Reações múltiplas em série 
 
META INÍCIAL DE DESEMPENHO: 
 
Conversão : 50% (reações irreversíveis) 
Conversão : 50% do equilíbrio (reações reversíveis) 
Seletividade = f(conversão) 
 
Desempenho do Reator 
OBSERVAÇÃO: 
 
Reações múltiplas também podem ocorrer devido a 
impurezas presentes na alimentação. Neste caso, estas 
reações também deverão ser minimizadas, entretanto, a 
maneira mais eficiente não é alterando as condições do 
reator e sim através da inclusão do sistema de 
separação na alimentação (retirar as impurezas).