Cálculo de Reatores AULA02

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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:
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Tipos de reatores: batelada
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 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
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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
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 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
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 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
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 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
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 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
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Tipos de reatores: CSTR
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 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
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 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.
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Tipos de reatores: CSTR
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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
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 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
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 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
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 Se os volumes ΔV são uniformes:
ΔV
Tipos de reatores
Tipos de reatores: PFR
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 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
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 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
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 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
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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
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Até a próximaaula!
Contato: magmir@ucl.com
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