parte 3-3

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Parte 3-3: Escolha do Reator 
 
 
Parâmetros ou variáveis de processo: 
 Concentração; Temperatura; Pressão e Fases. 
Parâmetros ou variáveis de processo: 
 
Concentração, Temperatura e Pressão 
 conversão e a seletividade 
Concentração 
Objetivo: 
Manipular a concentração do reator de modo a 
aumentar a conversão e/ou a seletividade 
Exemplos de ações que alteram a concentração: 
 Reagente em excesso 
 Remoção de produtos 
 Usar um material Inerte 
Reagente em excesso 
O excesso de um reagente na alimentação pode forçar o 
outro componente à conversão completa. 
 
Deslocar o equilíbrio em reações reversíveis para 
aumentar a seletividade e/ou conversão. 
 
Concentração 
Concentração 
 Reagente em excesso 
Exemplo: Reação Simples - Irreversível 
Como aumentar a conversão da reação? 
Adicionando etileno ou cloro em excesso 
 
Critérios utilizados na escolha do reagente que será adicionado em 
excesso? 
 Processo de separação mais fácil (reduzir o custo de separação). 
 
 Menos perigoso (forçar a conversão completa do mais perigoso) 
OBS: Neste exemplo o etileno é adicionado em excesso 
Concentração 
 Reagente em excesso 
Reações Múltiplas 
 Paralelo 
 
 
 Série 
 
 
Manipular a C  aumentar a seletividade 
Concentração 
 Reagente em excesso 
A + B  D 
 
A + B  I 
Exemplo: Reações Múltiplas em Paralelo 
Maior produção de D   Seletividade (𝒓𝟏 > 𝒓𝟐) 
Qual será o reagente em excesso? 
A ou B? 
Concentração 
 Reagente em excesso 
A + B  D 
 
A + B  I 
𝑟1 = 𝑘1𝐶𝐴
a1𝐶𝐵
b1 
𝑟2 = 𝑘2𝐶𝐴
a2𝐶𝐵
b2 
Ex: Reações Múltiplas em Paralelo 
Maior produção de D   Seletividade 
𝑟1
𝑟2
=
𝑘1
𝑘2
𝐶𝐴
a1 − a2 ∗ 𝐶𝐵
(b1 − b2) 
𝑟2
𝑟1
=
𝑘2
𝑘1
𝐶𝐴
a2 − a1 ∗ 𝐶𝐵
(b2 − b1) 
 
 
Exemplo 1 
A + B  D 
 
A + B  I 
𝑟1 = 𝑘1𝐶𝐴
4 𝐶𝐵
2 
𝑟2 = 𝑘2𝐶𝐴
2 𝐶𝐵
 
𝑟1
𝑟2
=
𝑘1
𝑘2
𝐶𝐴
2 𝐶𝐵
 A em excesso 
𝑟2
𝑟1
=
𝑘2
𝑘1
1
𝐶𝐴
2𝐶𝐵
 
 
 
 
A em excesso 
A: expoente: 4 - 2 = 2 
 
B: expoente: 2 - 1= 1 
Concentração 
 Reagente em excesso 
Concentração 
 Reagente em excesso 
Exemplo 2 
A + B  D 
 
A + B  I 
𝑟1 = 𝑘1𝐶𝐴
4 𝐶𝐵
3 
𝑟2 = 𝑘2𝐶𝐴
3 𝐶𝐵
 
𝑟1
𝑟2
=
𝑘1
𝑘2
𝐶𝐴𝐶𝐵
2 
𝑟2
𝑟1
=
𝑘2
𝑘1
 
1
𝐶𝐴 𝐶𝐵
2
 
 
 
B em excesso 
B em excesso 
Concentração 
 Reagente em excesso 
 Seletividade    
(a2 – a1) (b2 – b1) 
( 3 – 4 ) ( 1 – 3 ) 
(-1) > (-2) 
Concentração 
 Reagente em excesso 
Exemplo: Reações Múltiplas em Série 
Qual será o reagente em excesso? 
Tolueno ou o H2 
Excesso de H2 aumenta a conversão e a seletividade – 
inibindo a reação em série. 
Observação 
Normalmente, a quantidade ótima do 
excesso de um reagente é definida pelo 
equilíbrio entre seu efeito benéfico e o 
custo de recuperação e reciclo. 
Concentração 
 Reagente em excesso 
Remoção do Produto 
Concentração 
Concentração – 
Remoção de produtos 
Exemplo 1: Reação Simples - Reversível 
A conversão pode ser aumentada através da remoção continua do 
produto (ou um dos produtos) ou ainda conduzindo a reação em 
estágios com etapas intermediarias de retiradas do produto. 
Observação: Reação Múltiplas em Paralelo 
Reação secundária reversível: Reciclar o produto 
indesejado (deslocar o equilíbrio da reação secundária). 
Concentração – 
Remoção de produtos 
Como aumentar a seletividade? 
Exemplo 2: Reação Múltiplas em Série 
Operar com  CProduto, ou seja,  conversão. 
Remover continuamente o produto 
Para a inibir a reação secundária é necessário que a concentração de 
produto seja baixa. Isto pode ser obtido por meio de uma conversão 
baixa. 
 
Outra maneira de manter a concentração de produto baixa é remover o 
produto na medida em que a reação avança. Separação 
intermediária é mais apropriada quando a separação do produto dos 
reagentes é simples. 
Concentração – 
Remoção de produtos 
Observação: Reação Múltiplas em Série 
Operar com  C Produto, ou seja,  conversão. 
Remover continuamente o produto. 
Concentração – 
Remoção de produtos 
Reciclar o subproduto. 
Material Inerte 
Concentração 
Concentração – 
Material Inerte 
Pontos Negativos: 
 Aumenta o volume do Reator 
 
 Aumenta o custo de Separação 
OBSERVAÇÃO: MOTIVOS PARA ADIÇÃO DE INERTE 
 Controlar reações exotérmicas e potencialmente explosivas (ex. 
alterar a concentração dos componentes para valores fora dos 
limites de inflamabilidade). 
 Suprir energia para a reação. 
 Tamponar reações 
 Deslocar o equilíbrio químico. 
Produção do estireno : desidrogenação catalítica do 
etilbenzeno em presença de vapor d’água. 
Possíveis reações secundárias 
Vapor H2O: 
 Oxida os depósitos de C 
 Supre o calor necessário à reação 
 Desloca o equilíbrio químico, aumentando a produção de 
estireno 
Pressão constante: 
Adição de uma gás inerte  Aumenta o volume  o 
equilíbrio se deslocará na direção que tem o maior número 
de mol 
 
Concentração – 
Material Inerte 
Temperatura 
Objetivo: 
Manipular a temperatura do reator de modo a 
aumentar a conversão e a seletividade. 
 Temperatura do reator 
Admitindo que a reação obedeça a lei de Arrhenius 
Sendo: 
k0 = fator de frequência. 
E = energia de ativação. 
R = constante universal dos gases. 
Outros Fatores: 
 Segurança, 
 Limitações do material de construção, 
 Redução da vida útil do catalisador etc. 
A determinação da temperatura do reator deve considerar que: 
 
 Temperatura  taxa de reação   volume do reator. 
Temperatura do reator 
Reações: 
 
(a) Endotérmicas (reversível e irreversível): 
 Temperatura   Conversão 
 Temperatura   taxa de reação 
 
Resumo: Para reações endotérmicas, a temperatura deve ser 
mantida o mais alta possível, consistente com a segurança, 
degradação das matérias-primas e produtos, limitações do 
material de construção e vida do catalisador. 
Temperatura do reator 
Reações: 
(b) Exotérmicas Irreversível: 
Devem ser operadas com a maior temperatura possível (consistente 
com a segurança, degradação das matérias-primas e produtos, 
limitações do material de construção do equipamento e vida do 
catalisador) a fim de aumentar a taxa da reação (volume do 
reator). 
Temperatura do reator 
(c) Exotérmicas Reversível: 
 Temperatura   Conversão 
 Temperatura   taxa de reação (volume do reator). 
 
Assim, no inicio do processo é aconselhável operar o reator a uma alta 
temperatura, no entanto à medida que a conversão for atingindo o 
equilíbrio, a temperatura deve ser reduzida, em outras palavras, para 
reações exotérmicas reversíveis, é recomendável que a temperatura seja 
continuamente reduzida a medida que a conversão aumenta. 
Nota: considerando as capacidades caloríficas molares médias dos reagentes e 
produtos são constantes 
Conversão de equilíbrio pode ser aumentada 
dividindo a reação em estágios e resfriando 
os reagentes entre os estágios 
T inicial 
T final 
2) Temperatura do reator 
Reações Múltiplas Série e Paralelo: 
 
 Temperatura   taxa de reação 
 Temperatura 
se k1 > k2: operar com alta temperatura 
favorece a principal. 
se k1 < k2: operar com baixa temperatura, 
porém ao custo de maior volume de reator – 
fazer o balanço econômico. 
Temperaturado reator 
O tipo preferencial de operação do reator é o 
Adiabático (+ simples e + econômico). 
 
Quando a operação adiabática não for a opção técnica, 
as trocas térmicas podem ser feitas por: 
 
(a) Transferência de calor indireta ao reator: 
É feita através de uma superfície responsável pela 
troca térmica, que pode estar dentro do reator 
(serpentina) ou ao redor deste (camisa). 
Temperatura do reator 
(b) Injeção: 
A injeção de matéria-prima fresca no reator em determinadas 
etapas: 
“injeção fria ou cold shot”: para reações exotérmicas. 
 
“injeção quente ou hot shot”: para reações endotérmicas (matéria-
prima previamente aquecida). 
Temperatura do reator 
(c) Carreador de calor: 
Um material inerte pode ser introduzido no reator junto 
com a alimentação com o objetivo de: 
 “reduzir” o aumento da temperatura em reações 
exotérmicas. 
ou 
“reduzir” a queda da temperatura em reações 
endotérmicas. 
Ex: Polimerização do poliestireno (exotérmica): Etilbenzeno atua 
como solvente para reduzir a viscosidade do meio reacional e auxilia 
no controle da temperatura através da evaporação (consome o calor 
reacional). 
Exemplos de troca Térmica – Fase gasosa 
a) Reação Exotérmica (de leve a moderada) 
Reator é constituído de uma série de leitos 
adiabáticos seguido por troca térmica (ex. injeção de 
matéria-prima ou trocador de calor) 
Temperatura do reator 
 Reações Altamente Exotérmicas. 
A troca térmica deve ocorrer simultaneamente a 
reação. 
Reator Casco tubo (a reação ocorre nos tubos 
contendo catalisador e o fluido de troca térmica no 
casco) 
Temperatura do reator 
HTM: HEAT TRANSFER MEDIUM 
Reação gera calor. 
Se a troca térmica for insuficiente  
 T  gera ainda + Calor  
“hot spots” (pontos quentes): 
mais para o centro do reator. 
Reação fora de controle! 
Danos no catalisador e no reator (segurança). 
Observação: Quando o efluente do reator precisa 
ser resfriado rapidamente (ex. interromper a 
reação – formação de subprodutos). 
 
 Trocador de calor (indireta) 
 
 Mistura com outro fluido (direta) 
Motivos (exemplos): 
a. Efluentes muitos “quentes e corrosivos” – danos no 
trocador de calor (vida útil curta), material de construção 
especial (custo). 
b. Efluentes que causam depósitos nas paredes do trocador 
de calor 
 
Temperatura do reator 
Pressão 
Objetivo: 
Manipular a Pressão do reator de modo a aumentar a 
conversão e a seletividade. 
 
Garantir que o meio reacional esteja na fase desejada 
para uma dada T. reação. 
 
Pressão no reator 
Reações em fase líquida: 
Efeito na seletividade: Desprezível. 
Assim a escolha da pressão deve ser feita de modo a: 
• Prevenir vaporização dos componentes da reação ou; 
• Permitir vaporização de líquido no reator, de tal modo que possa 
ser condensado e voltar como refluxo ao reator, como estratégia de 
remover calor de reação; 
• Permitir a vaporização de um dos componentes em uma reação 
reversível de tal forma a maximizar a conversão. 
Pressão no reator 
Reações em fase gasosa: 
 
 
Reações Simples e Irreversível : 
 
Efeito da Pressão 
Aumentar a Pressão leva a um aumento 
 na taxa de reação ( volume do reator), pois aumenta a atividade 
dos reagentes. 
 
Pressão no reator 
Reações em fase gasosa: 
 
Reações Simples Reversíveis : 
A escolha da pressão dependerá ser existir um aumento ou 
diminuição da quantidade de mols na reação. 
 
 
 
 
 
Reação que envolve o aumento no 
No. mols/unidade de volume 
Reação que envolve a diminuição do 
No. mols/unidade de volume 
Pressão no reator 
Reações Simples Reversíveis: 
 
 mol/unidade de volume 
A reação com redução na quantidade de mol implica na 
 Volume (a medida que os reagentes 
são convertidos a produto ). 
 
Como Vreator é fixo , isto significa que há uma redução na pressão a 
medida que a reação prossegue. 
 
Se a Pressão   o equilíbrio da reação é deslocado no sentido da 
contração, logo aumenta a conversão no equilíbrio. 
 
 
1) 
Além disso , o  P   conversão no equilíbrio 
Pressão no reator 
Reações Simples Reversíveis: 
  mols/unidade de volume 1) 
Para reações reversíveis, que se caracterizam com decréscimo na 
quantidade de mols, deve-se operar o reator a uma Pressão mais 
alta quanto possível. 
 
Nota: Operar com alta pressão necessita do uso de compressores 
(equipamentos caros), custo maiores de fabricação dos 
equipamentos, energia, além disso, aumenta o risco de acidentes 
(segurança). 
Pressão no reator 
Reações Simples Reversíveis: 
 
 mol/unidade de volume 2) 
P    conversão no equilíbrio. 
 
 
P    taxa da reação   volume do reator. 
 
Solução: No inicio da reação é recomendável operar com P para 
favorecer a velocidade da reação. A medida que a conversão vai 
atingido o equilíbrio, a P deve ser  para aumentar a conversão, ou 
seja, é recomendável que a pressão seja continuamente reduzida a 
medida que a conversão aumenta. 
Operar vácuo ou adição inerte (reduzir a pressão parcial dos componentes) 
Pressão no reator 
Reações Múltiplas em fase gasosa: 
 Utilizar os mesmos princípios aplicados as reações 
simples, entretanto observar que, para as reações 
múltiplas, a seletividade e a conversão são fatores mais 
importantes que o volume do reator. Assim sendo, as 
ações tem que ser tomadas com o objetivo de reduzir, 
tanto quanto possível, as taxas das reações secundárias 
em relação à reação primária. 
Fase do Sistema Reacional 
A fase do sistema reacional é função da temperatura e da pressão 
previamente estabelecidas. No entanto, quando ainda existe a 
possibilidade de escolher a fase, normalmente a fase liquida é a 
selecionada. 
 
Tipos de fases: 
 
 Liquida (PREFENCIAL) 
 
 Gasosa 
 
 Multifase (liquido + gás) 
 Calimentação. 
 Facilidade de mistura/operação. 
Considerações sobre P e T (reator) 
Obs: Sem dificuldades de operação 
Pressão: 1 – 10 bar 
Temperatura: 40 – ~250ºC 
Considerações sobre P e T (reator) 
1) Por que operar com Pressão entre 1-10bar? 
 
 Fase Gasosa: PV = nRT  P   V reator 
 
 
< 1bar > 10bar 
Vácuo (Equipamentos 
especiais) 
Equipamentos grandes 
espessura do metal 
Equipamentos especiais 
Custo 
Considerações sobre P e T (reator) 
2) Por que operar com 40  Temperatura  ~250ºC? 
 
 Custo de fabricação do Equipamento 
T  Prop. Mecânicas , fluência (material + caro). 
 T < 0  Aço Carbono tem comportamento frágil 
(material + caro) 
 
 Disponibilidade de Utilidade 
 vapor de baixa: até ~ 10 bar 
 vapor de media: ~10 a ~40 bar 
 vapor de alta: acima ~40bar (max.~100bar – energia elétrica) 
 H2O refrigeração: ~30ºC (T< usar fluidos refrigerantes) 
 
V. baixa 
V. media 
V. alta 
< 40ºC > 250ºC > 400ºC 
Refrigeração 
Criogenia 
Forno/ 
Aquecedor 
(Custo) 
Material de 
construção 
especial 
2) Por que operar com 40  Temperatura  ~250ºC? 
Considerações sobre P e T (reator)