parte 3-2

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Parte 3-2: Escolha do Reator 
 
 
Ana Maria Furtado 
Sexto trocador de calor da unidade 400 (Planta de estireno) 
Segunda bomba da unidade 400 (Planta de estireno). Existe 
uma bomba reserva instalada. 
Equipamentos: 
Reator: 2 
Trocador de calor: 9 
Aquecedor de chama direta: 1 
Vaso separador: 3 
 
Compressor: 1 
Torre: 2 
Bombas: 12 
Total: 30 
R-401 
H2 
Benzeno e 
tolueno 
bomba P-404 A/B vapor 
cw 
T-401 
Falta a identificação da corrente (24) 
Certo 
T10= 530C 
T11= 267C 
T12= 180C 
T13= 65C 
 
bfw: boiler feed water 
T-402 
A composição da corrente 2 não 
pode ser igual a da corrente 1! 
 
A composição da corrente 2 é 
igual a da corrente 3! 
Reator 
Definição: 
É um vaso de pressão, normalmente fabricado em 
aço, projetado para trabalhar com temperaturas e 
pressões previamente estabelecidas. 
São os equipamentos 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 Ideais e não-ideais 
Conceito de idealidade: 
 Mistura ou escoamento perfeitos. 
Reatores Ideais 
Reatores Ideais e não-ideais 
É necessário um tratamento matemático específico em 
função das peculiaridades da reação e/ou do reator. 
Reatores não- ideais 
Exemplos de estados tipicamente não-ideais 
 Formação de padrões de fluxo. 
 Formação de perfis de temperatura e/ou concentração. 
 Processos de segregação. 
 Mistura incompleta dos reagentes. 
Conceito de idealidade: 
 Mistura ou escoamento perfeitos. X 
Reatores 
 
 
Classificados quanto ao: 
Modo de Operação 
 Configuração ou Geometria 
Quanto ao Modo de Operação 
 Descontínuo ou em Batelada. 
 
 Contínuo. 
 
 Semibatelada ou semicontínuo/semidescontínuo. 
Referência: modo de operação aplicado na Alimentação e na 
Descarga. 
Classificação dos Reatores 
Quanto a Configuração 
Existem basicamente dois tipos: 
 Tanques agitados, geralmente no forma cilíndrica, 
usados para as operações em batelada (Batch) ou 
contínua com mistura (CSTR). 
 
 Tubular (formato de tubo) usado em operações 
contínuas (PFR). 
 
Classificação dos Reatores 
Reator Tanque para uso em Batelada 
Nomenclatura 
 Reator Batelada. 
 Tanque Agitado. 
 BSTR (Batch Stirred Tank Reactor). 
 Batch. 
Reator Tanque para uso em Batelada 
Conceito de idealidade : 
MISTURA PERFEITA ou IDEAL 
1) Os reagentes são alimentados 
no vaso. 
Reator Batelada 
2) Em seguida, os reagentes são misturados, a temperatura é ajustada e 
a reação se processa como uma MISTURA PERFEITA OU IDEAL. 
Reator Batelada 
3) O processo é interrompido 
assim que o grau de conversão 
for atingido. Em seguida, os 
produtos são descarregados e 
seguem para a etapa de 
separação. 
Reator Batelada 
Um reator batelada é um 
sistema fechado, que opera 
em regime não estacionário 
Parâmetros de 
Processo 
Posição no 
Reator 
tempo 
Temperatura Mesma Altera 
Concentração do 
reagente/produto 
Mesma Altera 
Parâmetros de 
Processo 
Posição no 
Reator 
tempo 
Temperatura 
Concentração do 
reagente/produto 
Parâmetro de projeto: 
Como será a variação das propriedades abaixo em função da posição e do tempo? 
Parâmetro de projeto: TEMPO DE REAÇÃO. 
Mazzuco, 2003 
Fundo arredondado 
 (evita pontos sem 
mistura) 
A principal função do 
redutor de velocidade 
é aumentar o 
torque 
Alterar a 
velocidade 
O movimento do fluido (ou padrão de fluxo) depende das 
características do fluido, tamanho e proporções do tanque 
(geometria), dos inibidores de vórtices e do tipo de agitador. 
Reator Batelada 
Vantagem: 
Altas conversões podem ser obtidas por unidade de 
volume, desde que os reagentes possam permanecer no 
reator no tempo necessário. 
 
Desvantagem: 
 volume de Produção  Reatores grandes ou vários 
reatores. 
 
Reator Batelada 
Principais Aplicações: 
 
 Reações em fase líquida que requerem um tempo 
longo para atingir altas conversões. 
 Processos que apresentam dificuldade na operação 
contínua, como, por exemplo a presença de sólidos 
em suspensão e fluidos com altas viscosidades. 
 Teste de novos produtos e fabricação de materiais 
com alto valor comercial. 
 Produção de produtos com baixo volume de venda 
ou que são sazonais. 
Reator Semibatelada 
Sistema aberto, que opera em regime não estacionário 
Reator semibatelada 
Diferentes modos de operação de reatores tanque em 
processos semibatelada. 
Reator semibatelada 
Exemplo de uso: 
 Reações contendo matérias-primas muito reativas (decompõe, 
polimerizam etc.). 
 Melhor controle da temperatura nas reações altamente 
exotérmicas (controle eficiente de temperatura). 
 Minimização das reações secundárias. 
 Reações que envolvem Gás + Líquido (borbulhado o gás) 
 
Vantagens e desvantagens: as mesmas apresentadas para os 
reatores em batelada. 
Reator Tanque para uso Contínuo 
Continuous Stirred-tank Reactor (CSTR) 
Também conhecido por: 
• Reator tanque continuamente agitado, 
• Reator tanque com agitação contínua, 
• Reator de mistura perfeita ou 
• Reator de retromistura. 
 
 
Consiste em tanques cilíndricos, perfeitamente 
agitado, com escoamento contínuo e sem 
acúmulo de reagentes ou produtos. 
 
 
 Sistema Aberto 
 Regime estacionário 
 Utilizado principalmente em fase líquida. 
Continuous Stirred-tank Reactor (CSTR) 
Operação: o reator CSTR é continuamente suprido com a 
alimentação ao mesmo tempo que igual volume é descarregado de 
forma a manter o volume reacional constante. 
O meio reacional é constantemente agitado, garantindo uma 
MISTURA PERFEITA. 
 
Continuous Stirred-tank Reactor (CSTR) 
Perfeitamente agitado 
(Mistura Perfeita)! 
 
Interior do reator 
Não variam com o 
tempo e nem com a 
posição no reator. 
Como será o 
efluente do reator ? 
Igual a do interior 
do reator 
Composição 
Temperatura 
Concentração 
Taxa da reação 
Qual será a variação das 
propriedades abaixo em função 
da posição e do tempo? 
Continuous Stirred-tank Reactor (CSTR) 
Perfeitamente agitado! 
 
OBS: Como a mistura é perfeita, um elemento do 
fluido pode deixar o reator no instante em que 
entra ou pode ficar por um período maior. Deste 
modo, o tempo de residência dos elementos de 
fluido variam dentro do reator. 
Continuous Stirred-tank Reactor (CSTR) 
Continuous Stirred-tank Reactor (CSTR) 
Vantagens 
 Baixos custos operacionais por unidade de produto, 
especialmente para produção de grandes quantidades. 
 Facilidade no controle do processo e produto (controle 
automático de processo). 
 Facilidade no controle da temperatura. 
Continuous Stirred-tank Reactor (CSTR) 
Desvantagens 
 A conversão do reagente por unidade de volume do reator é a 
menor dentre os reatores com escoamento contínuo. 
 Para aumentar a conversão é necessário aumentar o tamanho 
do reator. 
Emprego de reatores CSTR em série. 
Para CSTR o parâmetro de projeto é o VOLUME DE REAÇÃO. 
Solução: 
 O primeiro reator operaria numa taxa ou velocidade intermediária de reação e o 
meio reacional (produto + matérias-primas ainda não-reagidas) seria a 
alimentação do segundo reator, e assim por diante, até que a conversão desejada 
fosse atingida. 
  Número de reatores  volume de cada reator. Quanto mais reatores 
conectados em série,menor o volume de cada reator. 
 Existe um fator econômico limitante para esse sistema em série que seria o custo 
envolvido no sistema de troca de calor, nas tubulações e conexões e em todos os 
elementos envolvidos no controle da vazão do sistema. 
Continuous Stirred-tank Reactor (CSTR) em série 
Série 
Exemplos de aplicações do CSTR: 
 Reações em fase líquida envolvendo líquidos e gases 
 Alto volume de produção 
Disposição do CSTR em paralelo: 
Motivo ? 
Aumentar a capacidade de produção 
Reator Tubular para uso Contínuo 
Reator Contínuo Tipo Tubular com Fluxo Pistonado 
ou Plug-Flow Reactor (PFR) 
Consiste de um tubo, normalmente 
cilíndrico, operando no estado 
estacionário. 
Plug-Flow Reactor (PFR) 
 O reator tubular pode ser sob a forma de um único tubo longo 
ou vários reatores menores dispostos em paralelo 
 Troca térmica: tubos imersos em banhos, colocados dentro de 
camisa, imersos em fornos etc. 
Plug-Flow Reactor (PFR) 
Oxidação de compostos 
nitrogenados: Temperatura 
de operação 800-1100ºC. 
 Diâmetros dos tubos: de centímetros a metros. A definição do 
diâmetro é baseada no custo de construção, custo de 
bombeamento, tempo de residência e necessidade de transferência 
de calor. 
 
 Para reações em alta pressão, tubos cilíndricos de menor diâmetro 
são usados. 
Plug-Flow Reactor (PFR) 
Plug-Flow Reactor (PFR) 
Composição 
Concentração 
Temperatura 
Taxa da reação 
Tranversal (radial) Longitudinal (axial) 
Altera Não altera 
Conceito de idealidade: 
Escoamento perfeito. 
Posição no reator Qual será a variação das 
propriedades abaixo em função 
da posição e do tempo? 
Reator PFR (Modelo do fluxo pistonado): 
 Todas as partículas numa dada seção reta têm velocidades 
idênticas na direção do movimento. 
 
 Todas as partículas tem o mesmo tempo de residência no 
reator. 
 
 Não há mistura na direção longitudinal (ao longo do caminho 
do fluxo). 
Para PFR, o parâmetro de projeto é o VOLUME DE REAÇÃO ou o 
COMPRIMENTO DO REATOR 
Plug-Flow Reactor (PFR) 
Plug-Flow Reactor (PFR) 
Observações quanto ao uso: 
 
 
 Preferencialmente nas reações em fase gasosa, mas 
pode ser também utilizado em fase líquida. 
 
 Podem ser dispostos em paralelo, visando aumentar a 
capacidade de produção. Este tipo de disposição forma 
bancos de tubos, o que facilita a remoção de calor, 
reduzindo os gastos de operação. 
Vantagens 
 Permitem alta conversão por unidade de volume 
(maior que o CSTR). 
 Fácil manutenção quando não existem partes 
moveis. 
 Mecanicamente simples 
 Homogeneidade no produto (qualidade) 
 Adequado para o estudo de reações rápidas 
 Adequado para processos em grande escala 
Plug-Flow Reactor (PFR) 
Velocidade ou 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.m3.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. 
Se V = constante  
𝒓𝒊 = 𝒌𝒊 𝑪𝒊
𝒂 
Escolha do Modelo ideal de Reator 
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 
 
 
1º Caso: Reações Simples: 
Escolha do Modelo ideal de Reator 
Escolha do Modelo idealizado de Reator 
 
 
1º Caso: Reações Simples: 
A taxa da reação é expressa por uma única equação 
cinética. 
A  B + C 
  Taxa da reação 
Desejável: 
 Taxa ou velocidade da reação  
  CA 
Assim, para uma dada condição de reação (T, P): 
Escolha do Modelo idealizado de Reator 
 
 
1º Caso: Reações Simples: 
A  B + C 
CA : é o mesma em qualquer posição 
do reator e reduz com o tempo de 
reação. 
CA: a alimentação é imediatamente 
diluída no produto que já foi formado. 
CA: diminui em função do 
comprimento do reator. 
Batelada 
CSTR 
PFR 
 CA 
 𝑪𝑨CSTR < 𝑪𝑨PFR e 𝑪𝑨batelada 
Escolha do Modelo idealizado de Reator 
1º Caso: Reações Simples: 
A  B + C 
Batelada 
CSTR 
PFR 
 CA 
 𝒓CSTR < 𝒓PFR e 𝒓batelada 
CSTR opera com baixa concentração 
de reagente 
Assim Volume CSTR > Volume PFR/Batelada 
Escolha do Modelo idealizado de Reator 
1º Caso: Reações Simples: 
A  B + C 
Batelada 
CSTR 
PFR 
PARA REAÇÕES SIMPLES 
RECOMENDA-SE A 
ESCOLHA DOS MODELOS 
BATELADA OU PFR 
 
 
2º Caso: a) Reações múltiplas em paralelo 
Escolha do Modelo ideal de Reator 
Escolha do Modelo idealizado de 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. 
k1 e k2 : constante de velocidade ou cinética da reação. 
a1 e a2: ordem da reação. 
CA: Concentração molar do reagente no reator 
 
Meta:  Produção de D 
Escolha do Modelo idealizado de Reator 
 
 
CA : é o mesmo em qualquer posição 
do reator e reduz com o tempo de 
reação. 
CA: a alimentação é imediatamente 
diluída no produto que já foi formado. 
CA: diminui em função do 
comprimento do reator. 
Batelada 
CSTR 
PFR 
2º Caso: a) Reações múltiplas em paralelo 
 
Lembrete: 
Escolha do Modelo idealizado de Reator 
 𝑪𝑨CSTR < 𝑪𝑨PFR e 𝑪𝑨batelada 
• 𝒂1 > 𝒂2  a formação de produto D é favorecida para 𝑪𝑨  
 
 A  D 
 A  I 
𝑟1 = 𝑘1 𝐶𝐴
𝑎1 (eq. 1) 
𝑟2 = 𝑘2 𝐶𝐴
𝑎2 (eq. 2) 
• 𝒂1 < 𝒂2  a formação de produto D é favorecida para 𝑪𝑨  
Assim, para uma dada condição de reação (T, P), se: 
• 𝒂1 > 𝒂2  
• 𝒂1 < 𝒂2  
Batelada ou PFR 
CSTR 
2º Caso: a) Reações múltiplas em paralelo 
 
Lembrete! 
Escolha do Modelo idealizado de Reator 
 
 A  D 
 A  I 
𝑟1 = 𝑘1 𝐶𝐴
𝑎1 (eq. 1) 
𝑟2 = 𝑘2 𝐶𝐴
𝑎2 (eq. 2) 
Resumo: 
Se a ordem da reação do produto desejável for 
maior do que a do indesejável, especificar um 
reator batelada ou PFR. Caso contrário, usar um 
CSTR. 
2º Caso: a) Reações múltiplas em paralelo 
 
Observação: 
 
 A  D 
 A  I 
𝑟1 = 𝑘1 𝐶𝐴
𝑎1 (eq. 1) 
𝑟2 = 𝑘2 𝐶𝐴
𝑎2 (eq. 2) 
• 𝒂1 < 𝒂2  a formação de produto D é favorecida para 𝑪𝑨  
 reator especificado é um CSTR 
2º Caso: a) Reações múltiplas em paralelo 
 
Mas se o Reator tiver que ser um Batelada? 
A concentração da alimentação deve ser minimizada 
(diluída) - adição lenta (semibatelada), por exemplo: 
adicionar A em no reator contento um solvente. 
2º Caso: a) Reações múltiplas em paralelo 
 
Escolha do Modelo idealizado de Reator 
2º Caso: a) Reações múltiplas em paralelo 
 
Escolha do Modelo idealizado de Reator 
𝑪𝐅𝐄𝐄𝐃CSTR < 𝑪𝐅𝐄𝐄𝐃 PFR e 𝑪𝐅𝐄𝐄𝐃batelada Lembrete! 
𝒂 1 > 𝒂 2 𝒃 1 > 𝒃 2 
 logo C FEED 1 e C FEED 2 devem ser altas  Batelada e PFR 
e 1º Caso: 
2º Caso: a) Reações múltiplas em paralelo 
 
Escolha do Modelo idealizadode Reator 
𝑪𝐅𝐄𝐄𝐃CSTR < 𝑪𝐅𝐄𝐄𝐃 PFR e 𝑪𝐅𝐄𝐄𝐃batelada Lembrete! 
𝒂 1 < 𝒂 2 𝒃 1 < 𝒃 2 
 logo C FEED 1 e C FEED 2 devem ser baixas  CSTR 
e 2º Caso: 
2º Caso: a) Reações múltiplas em paralelo 
 
Escolha do Modelo idealizado de Reator 
𝒂 1 < 𝒂 2 𝒃 1 < 𝒃 2 e 2º Caso: 
NOTA : Se o processo tiver que ser um batelada? 
Solução: Semibatelada 
A concentração das duas alimentações 
devem ser minimizadas por meio da adição 
progressiva ou por diluição prévia. 
OBSEVAÇÃO 
2º Caso: a) Reações múltiplas em paralelo 
 
Escolha do Modelo idealizado de Reator 
𝑪𝐅𝐄𝐄𝐃CSTR < 𝑪𝐅𝐄𝐄𝐃 PFR e 𝑪𝐅𝐄𝐄𝐃batelada Lembrete! 
𝒂 1>𝒂 2 𝒃 1 < 𝒃 2 e 3º Caso: e ou 𝒂 1 < 𝒂 2 𝒃 1 > 𝒃 2 
2º Caso: a) Reações múltiplas em paralelo 
 
 Se C FEED 1 e C FEED 2 : uma alta e a outra baixa  ? 
𝒂 1 > 𝒂 2 𝒃 2 < 𝒃 1 e  C FEED1  e C FEED 2  
2º Caso: a) Reações múltiplas em paralelo 
 
 Se C FEED 1 e C FEED 2 : uma alta e a outra baixa  ? 
𝒂 1 < 𝒂 2 𝒃 1 > 𝒃 2 e  C FEED1  e C FEED 2  
Resumo Reações múltiplas em paralelo 
 
 
3º Caso: a) Reações múltiplas em série 
Escolha do Modelo ideal de Reator 
Escolha do Modelo idealizado de Reator 
3º Caso: b) Reações múltiplas em série 
 
 
 A  D (Formação do Produto) 
 D  I (Consumo do Produto) 
 
 
𝑟𝐷 = 𝑘1 𝐶𝐴
𝑎1 (eq. 1) 
−𝑟𝐷 = 𝑘2 𝐶𝐷
𝑎2 (eq. 2) 
A taxa total (líquida) de reação em relação a D é: 
𝑟𝐷 = 𝑘1 𝐶𝐴
𝑎1 - 𝑘2 𝐶𝐷
𝑎2 
Escolha do Modelo idealizado de Reator 
2º Caso: b) Reações múltiplas em série 
 
 
 A  D (Formação do Produto) 
 D  I (Consumo do Produto) 
 
 
𝑟𝐷 = 𝑘1 𝐶𝐴
𝑎1 (eq. 1) 
−𝑟𝐷 = 𝑘2 𝐶𝐷
𝑎2 (eq. 2) 
1ª Caso: A primeira reação é mais lenta que a segunda. 
2ª Caso: A primeira reação é mais rápida que a segunda. 
O produto D é consumido com maior velocidade do que é formado, 
ou seja, a produção de B pode ser inviável dependendo da relação 
custo/benefício. 
 
Será formado uma grande quantidade de D, no entanto se o tempo 
de reação for muito longo, o produto D será consumido. 
Escolha do Modelo idealizado de Reator 
3º Caso: b) Reações múltiplas em série 
 
 
 A  D 
 D  I 
 
Variável importante neste 
caso é tempo de residência de 
uma unidade de fluido 
reacional. 
Escolha do Modelo idealizado de Reator 
 
 
Batelada 
CSTR 
PFR 
2º Caso: b) Reações múltiplas em série 
 
 A  D 
 D  I 
Tempo de residência de uma unidade de fluido reacional. 
É o tempo de reação (parâmetro de projeto) 
Um elemento do fluido pode deixar o reator no 
instante em que entra ou ficar por um período 
maior. O tempo de residência dos elementos de 
fluido dentro do reator variam. 
Será proporcional ao comprimento/volume do 
reator (parâmetros de projeto) 
Escolha do Modelo idealizado de Reator 
2º Caso: b) Reações múltiplas em série 
 
 
 A  D 
 D  I 
 
Como neste caso é desejável a “manipular o 
tempo de residência”, os modelos preferidos 
são o batelada e o PFR. 
 
 
4º Caso: a) Reações múltiplas em paralelo/série 
Escolha do Modelo ideal de Reator 
Escolha do Modelo idealizado de Reator 
3º Caso: b) Reações múltiplas em paralelo/série 
 
 1) Reações em Série: 
 2) Reações em Paralelo: 
 
𝒂 1>𝒂 2  Batelada ou PFR 
𝒂 1<𝒂 2  CSTR 
Batelada ou PFR 
Analisar cada reação separadamente: 
OK 
Mesmo 
tipo Não OK. 
Tipos 
diferentes 
Escolha do Modelo idealizado de Reator 
3º Caso: b) Reações múltiplas em paralelo/série 
 
𝒂 1<𝒂 2  Possíveis arranjos 
1) Reator CSTR em Série 
Escolha do Modelo idealizado de Reator 
3º Caso: b) Reações múltiplas em paralelo/série 
 
𝒂 1<𝒂 2  Possíveis arranjos 
2) Reator PFR com reciclo 
Escolha do Modelo idealizado de Reator 
3º Caso: b) Reações múltiplas em paralelo/série 
 
𝒂 1<𝒂 2  Possíveis arranjos 
3) Combinação de CSTR e PFR em série 
Observação: O melhor arranjo deve ser escolhido em 
função do menor custo da unidade. 
Correlação: Reator Ideal – Reator Real 
Aulas 
04/nov: aula - Tipos e escolha do Reator Ideal 
11/nov: aula - Parâmetros do Reator 
18/nov: Lista de Exercício (fazer na aula) 
25/nov: 1ª Prova 
Trabalho em Grupos: Sistema de Separação 
Objetivo: Fazer uma descrição geral do equipamento 
Aplicação do equipamento (o que é possível separar - exemplo de 
utilização). 
Descrever o funcionamento do equipamento. Princípios físicos e 
químicos, cuidados, restrições etc. 
 Regras heurísticas (baseada na experiência). 
 Parâmetros e auxiliares de processo (quais?). 
 Se aplicável, tipos de recheios, cuidados especiais, variáveis de 
projeto, etc. 
Grupo Equip. /Processo Data da apresentação 
1 Decantador/Sedimentador 
02/dez 
2 Flotador 
3 Filtração e Separação por membranas 
4 Ciclone/Hidrociclone 
 
09/dez 
5 Evaporador 
6 Cristalizador e precipitador 
7 Secador 
8 Absorvedor/Adsorvedor 
16/dez 
9 Destilação 
10 Extração e Lixiviação 
Trabalho em Grupos: Sistema de Separação