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Cálculo de reatores I Tipos de reatores Prof.: Magmir Metzker Soares Tipos de reatores: batelada 1) Reator batelada: Um reator de batelada não tem nem entrada nem saída de reagentes ou produtos enquanto a reação é realizada (Fj0= Fj = 0). O resultado geral do balanço molar para a espécie j é: Se a mistura reacional é perfeitamente misturada de modo que não haja variação na taxa de reação em todo o volume do reator, pode-se tomar rj fora da integral e escrever o balanço molar da seguinte forma: 2 Tipos de reatores Tipos de reatores: batelada 3 Ao utilizar um reator batelada, os reagentes são inicialmente inseridos, dando início a reação. Os reatores batelada são sistemas fechados que operam em condições não estacionárias. Os produtos formados e os reagentes residuais são então removidos e o processo é reiniciado. Os reatores batelada contem orifícios para adição de reagentes e remoção de produtos, podendo ser estruturados com trocadores de calor e sistema de agitação. Tipos de reatores Tipos de reatores: batelada 4 Vantagens: Altos valores de conversão são obtidos para elevados tempos de reação; São versáteis e podem ser utilizados para produção em série; São indicados para pequenas escalas de produção; São fáceis de limpar. Desvantagens: Alto custo por unidade de produção; Apresentam dificuldades para produção em larga escala; As paradas acarretam em prejuízo. Tipos de reatores Tipos de reatores: batelada 5 Tipos de reatores Tipos de reatores: CSTR 6 2) Reator contínuo de mistura perfeita (CSTR): Um tipo de reator usado comumente no processamento industrial é o reator contínuo de mistura perfeita. Ele é denominado de continuous-stirred tank reactor (CSTR). O CSTR é normalmente utilizado em processos contínuos e é normalmente operado de modo que os reagents são muito bem misturado. Como resultado desta última qualidade do CSTR, ele geralmente é projetado para não apresentar variações na concentração, temperatura ou a taxa de reação dentro do vaso. Uma vez que a temperatura e concentração são idênticos em todos os lugares dentro do recipiente de reação, eles são o mesmo também no ponto de saída. Tipos de reatores Tipos de reatores: CSTR 7 Assim, a temperatura e a concentração na corrente de saída são calculados como sendo o mesmo do interior do reator. Em sistemas em que a mistura é altamente imperfeita, o projeto é inadequado e temos de recorrer a outras técnicas de modelagem, tais como distribuições de tempo de residência, para obter resultados significativos. Reagentes Produtos Tipos de reatores Tipos de reatores: CSTR 8 Quando a equação geral do balanço de massa é aplicada a um CSTR operado no estado estacionário (isto é, as condições não mudam com o tempo) e que não existem variações espaciais na taxa de reação, toma a forma familiar conhecida como a equação de design para um CSTR: Tipos de reatores Tipos de reatores: CSTR 9 A equação de projeto de um CSTR fornece o volume necessário para reduzir a taxa de fluxo de entrada da espécies j, Fj0, para o fluxo de saída Fj. Nota-se que o CSTR é modelado de tal modo que as condições do fluxo de saída (por exemplo, concentração e temperatura) são idênticas às do tanque. A vazão molar F é apenas o produto da concentração da especie j e a vazão volumétrica u: Tipos de reatores Tipos de reatores: CSTR 10 Tipos de reatores Tipos de reatores: CSTR 11 O reator CSTR é um sistema aberto que opera em estado estacionário. Os reagentes são continuamente alimentados, enquanto os produtos são removidos. Os CSTRs promovem uma excelente mistura do meio reacional, fazendo com que a mistura tenha propriedades uniformes (temperatura, densidade, entre outros). As propriedades da carga que sai do tanque são as mesmas da carga que permanece nele. Tipos de reatores Tipos de reatores: CSTR 12 Os CSTRs consistem em um tanque, geralmente com volume constante, e um sistema de agitação. Ainda, a alimentação e retirada são feitas por tubos que estão introduzidos no tanque. Tipos de reatores Tipos de reatores: CSTR 13 Vantagens: O controle de temperatura do sistema é mantido com facilidade; Baixo custo de construção; O reator possui uma elevada capacidade de troca térmica; O interior do reator é facilmente acessado. Desvantagens: Se comparado com o reator batelada, atinge menores valores de conversão. Tipos de reatores Tipos de reatores: PFR 14 Além dos reatores CSTR e batelada, um outro tipo de reator comumente utilizado na indústria é o reator tubular. É constituído por um tubo cilíndrico e é normalmente operado no estado estacionário, assim como o CSTR. Serão considerados apenas sistemas com fluxo altamente turbulento e com a consideração de que o campo de escoamento é pistonado. Isto é, não há nenhuma variação radial da velocidade, sendo o reator chamado de plug- flow reactor (PFR). No reator tubular, os reagentes são continuamente consumidos ao fluir ao longo do comprimento do reator. No projeto do reator tubular, assume-se que a concentração varia continuamente na direção axial através do reator. Tipos de reatores Tipos de reatores: PFR 15 Consequentemente, a taxa de reação também irá variar axialmente. A equação geral do balanço molar é dada como: Para desenvolver a equação de projeto do PFR, deve-se dividir (conceitualmente) o reator num determinado número de subvolumes, de modo que dentro de cada subvolume ΔV a taxa de reação pode ser considerada uniforme. O subvolume está localizado a uma distância y de entrada do reator. Se Fj(y) representa a vazão molar da j espécies em um volume ΔV em y e Fj(y + Δy) o fluxo molar de espécies j fora do volume no local (y + Δy). Tipos de reatores Tipos de reatores: PFR 16 Se os volumes ΔV são uniformes: ΔV Tipos de reatores Tipos de reatores: PFR 17 Para o reator tubular operando em regime permanente: Nesta expressão, rj é uma função indireta de y. Isto é, uma função da concentração dos reagentes, o que é uma função da posição y ao longo do reator. O volume ΔV é o volume do produto da área da seção transversal A de um reator e o comprimento reator Δy. Ao substituir ΔV da equação acima e em seguida dividir Δy, obtemos: ΔV Tipos de reatores Tipos de reatores: PFR 18 Pela definição da derivada: Assumindo o limite em Δy -> 0: É geralmente mais conveniente ter o volume V, em vez do comprimento do reator, como a variável independente. Assim, pode-se mudar as variáveis utilizando a relação dV= A.dy para obter uma nova concepção da equação para um reator tubular. Tipos de reatores Tipos de reatores: PFR 19 Este reator recebe na literatura os nomes de reator com escoamento pistonado (PFR – Plug Flow Reactor), reator tubular ideal (Ideal Tubular Flow) e reator com escoamento sem mistura (Unmixed Flow). Consiste de um tubo vazio por onde passa a mistura reacional. Os reagentes são continuamente consumidos à medida que avançam no reator ao longo de seu comprimento. Normalmente encontrado tanto na forma de um tubo longo, quanto na de vários reatores menores em um feixe de tubos. Tipos de reatores Tipos de reatores: PFR 20 Vantagens: Manutenção relativamente fácil; Produz a conversão mais alta por volume de reator dentre os reatores com escoamento. Desvantagem: Difícil de controlar a temperatura do reator, podendo ocorrer pontos quentes quando a reação é exotérmica. Tipos de reatores Tipos de reatores: PFR 21 Tipos de reatores Até a próximaaula! Contato: magmir@ucl.com 22 Tipos de reatores
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