TIPOS DE REATORES E SUAS RESPECTIVAS EQUAÇÕES DE BALANÇO

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS – UFAM 
FACULTADE DE TECNOLOGIA – FT 
ENGENHARIA QUÍMICA – FT12 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ANA GABRIELA M. GONÇALVES - 21000409 
1˚ ESTUDO DIRIGIDO DE CINÉTICA E REATORES: 
TIPOS DE REATORES E SUAS RESPECTIVAS EQUAÇÕES DE BALANÇO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
MANAUS∕AM 
REATORES QUÍMICOS 
 
 
 O reator químico é um equipamento onde ocorre uma reação química, 
quer dizer, onde determinadas espécies moleculares são transformadas 
noutras espécies moleculares. No reator, o fluido reacional pode ser aquecido 
ou arrefecido e pode também permutar massa e/ou calor com uma fase 
estagnante. 
 
 
O reator químico constitui assim o "coração das unidades de fabricação 
de produtos químicos, encontrando-se quer em refinarias, complexos 
metalúrgicos ou nas mais variadas fábricas de produtos químicos. Nestas 
unidades industriais, o reator está geralmente rodeado doutros equipamentos 
colocados a montante e a jusante, destinados a tratamentos físicos das 
matérias primas e dos produtos da reação. Os reatores fazem também parte do 
equipamento utilizado na luta contra a poluição para tratar por via química ou 
biológica um certo número de efluentes. 
 
Os equipamentos utilizados para a realização das transformações 
químicas apresentam uma grande diversidade de formas e dimensões. De fato, 
encontram-se nas unidades industriais fornos, caldeiras, tanques, colunas, 
balões, misturadores, ou simples tubos. Deste modo, poder-se-ia ser levado a 
pôr de parte qualquer tentativa de classificação dos reatores químicos, 
pensando que cada aparelho encontrado na prática constituía um caso 
particular. 
 
 Diferentemente dos trocadores de calor ou de massa, os reatores têm 
que levar em consideração um termo de geração no balanço de massa e calor, 
devido à reação química, portanto, a taxa de reação química. 
 
 Os reatores convencionais podem ser basicamente de três tipos: 
Reatores descontínuo (batelada), escoamento contínuo (tubular ou tanque) e 
semibatelada, sendo o primeiro tipo aplicado a processos em pequena escala e 
os do segundo tipo aplicados em processos em grande escala de produção. 
 
 Exemplos dos reatores convencionais: Descontínuo (ou Batelada) – 
Exemplo (a) da Figura abaixo; Contínuo - Exemplo (b) da Figura abaixo e Semi 
Batelada (ou semi contínuo) - Exemplos (c), (d) e (e) da Figura abaixo. 
 
 
 
 
 Para cada uma das formas de alimentação apresentadas na Figura 
anterior, a Tabela abaixo apresenta um resumo da análise da variação do 
volume e da composição do meio reacional em função do tempo em cada tipo 
de reator convencional. 
 
 
 
 
 
 
EQUAÇÃO GERAL DE BALANÇO MOLAR 
 
 
 Para conduzir um balanço molar sobre qualquer sistema, primeiramente, 
deve-se especificar as fronteiras do sistema, através do chamado volume do 
sistema. E em seguida, realizar um balanço molar para a espécie j em um 
volume do sistema, em que a espécie j representa a espécie química particular 
de interesse. 
 
 
 
 Figura 1.0 - Balanço no volume do sistema. 
 
 
 O balanço molar num sistema aberto e para qualquer reação, 
inicialmente a temperatura constante, e em qualquer instante de tempo, t, é 
mostrado no esquema abaixo: 
 
 
Entrada – Saída + Geração = Acúmulo 
 
 Considerando-se Fj o fluxo molar e Gj a taxa de geração formada ou 
consumida, além de Nj o número de moles do componente j, teremos: 
componente j. 
 
Fj0 – Fj + Gj = (dNj ⁄ dt) (Eq 1.0) 
 
 Nota-se que o balanço é feito para qualquer componente, reagente ou 
produto da reação e tem a unidade em moles⁄tempo. 
 
 A taxa gerada ou consumida neste sistema é por unidade de volume, e é 
representada pela taxa de reação dentro de cada elemento de volume ∆V. 
Logo, 
 (Eq 1.1) 
 
 
 Esta é a equação geral do balanço molar para qualquer componente j de 
uma reação química. É partir desta equação geral do balanço molar, que 
podemos desenvolver as equações de projeto para os vários reatores 
industriais: batelada, semibatelada e escoamento contínuo. 
 
 
 
 
 
 
 
REATORES EM BATELADA 
É um tipo de reator tanque com agitação mecânica. Um reator batelada 
não admite entrada nem saída de reagentes ou produtos durante o 
processamento da reação. Todos os reagentes são introduzidos no reator de 
uma só vez. Em seguida são misturados e reagem entre si. Após algum tempo, 
os produtos obtidos também são descarregados de uma só vez. Nesse tipo de 
reator, as variáveis como temperatura e concentração não variam com a 
posição dentro do reator, mas variam com o tempo. Em inglês é conhecido 
como Batch Reactor.. É alimentado através de aberturas no topo. 
Um esquema dum reator descontínuo encontra-se na figura abaixo: 
 
O reator batelada é usado para operação em pequena escala, para teste 
de novos processos que ainda não foram completamente desenvolvidos, para 
a fabricação de produtos caros e para processos que são difíceis de converter 
em operações contínuas. 
 Esse tipo de reator permite que altas conversões possam ser obtidas, 
deixando o reagente no reator por longos períodos de tempo. Quando a 
capacidade de conversão é baixa, o processo em batelada tem menor 
investimento de capital do que o processo contínuo, sendo preferíveis quando 
se está testando um novo produto. Existe uma flexibilidade de operação no 
mesmo reator, podendo-se obter produtos diferentes. É fácil de limpar 
 
No reator em batelada há uma certa dificuldade na produção em grande 
escala. Está associado a alto custo de mão-de-obra por batelada, por causa do 
tempo perdido durante a alimentação, o esvaziamento e a limpeza (o chamado 
“tempo morto”), que pode até inviabilizar o processo. A qualidade do produto é 
mais variável do que em reator de operação contínua. 
 
 Um reator em batelada não tem entrada nem saída de reagentes ou 
produtos, enquanto a reação é realizada: Fj0 = Fj = 0. O balanço geral molar 
resultante para a espécie j é 
 
 
 Se a mistura reacional é perfeitamente misturado, de modo que não há 
nenhuma variação da taxa de reação dentro do volume do reator. podemos 
tomar rj, fora da integral, integrar e escrever o balanço molar na forma 
Eq (1.2) 
 
 Considerando a isomerização da espécie A em um reator em batelada A 
→ B. À medida que a reação prossegue, o número de moles de A diminui e o 
número de moles de B aumenta, como mostra a figura abaixo: 
 
 
 O tempo, t1, necessário para reduzir o número inicial de mols de NAO 
para um número final desejado NAl. Aplicando a equação (1.2) para a 
isomerização 
 Rearranjando 
 
 E integrando com limites que, t = 0, NA = NAO, e em t = tl, NA = NAl, 
obtemos 
Eq (1.3) 
 
 Essa equação é a forma integral do balanço molar em um reator em 
batelada. Ela fornece o tempo, tl, necessário para reduzir o número de mols de 
NAO a NAl e também para formar NBL mols de B. 
 
 
 
 
REATORES EM ESCOAMENTO CONTÍNUO 
 
 
 Reatores com escoamento contínuo são quase sempre operados em 
regime estacionário. Os três tipos são: o reator contínuo de tanque agitado 
(CSTR), o reator com escoamento empistonado (PFR) e o reator de leito fixo 
(PBR). 
 
 
 REATOR CONTÍNUO DE TANQUE AGITADO 
 
 Um tipo de reator usado comumente em processamento industrial é o 
tanque operado continuamente (Figura abaixo): 
 
 
 
 Este tanque é chamado de reator contínuo de tanque agitado (CSTR) ou 
reator de retromistura, sendo usado principalmente para reações em fase 
liquida. 
 
 É normalmente operado em estado estacionário e é considerado estar 
perfeitamente misturado; consequentemente, a temperatura, a concentração ou 
a velocidade de reação dentro do CSTR não depende do tempo ou da posição. 
Assim, a temperaturae a concentração são as mesmas na saída como em 
qualquer outro ponto do tanque. 
 
 Quando a equação geral de balanço molar 
 
 
 É aplicada a um CSTR, operando em um estado estacionário, 
 
 
 Em que não há variações espaciais na velocidade de reação, 
 
 
 Ela adquire a seguinte forma, conhecida como a equação de projeto 
para um CSTR: 
Eq (1.4) 
 
 Esta equação nos fornece o volume V do reator, necessário para reduzir 
a vazão da espécie j que entra, de Fjo para a vazão de saída Fj, quando a 
espécie j está desaparecendo a uma velocidade de –rj. A vazão molar Fj para 
um reator CSTR é o produto da concentração da espécie j e a vazão 
volumétrica v: 
Eq (1.5) 
 
 Combinando as equações 1.4 e 1.5 teremos um balanço para a espécie 
A como 
Eq (1.6) 
 
 
 REATOR CONTÍNUO TUBULAR 
 
 O reator tubular é constituído, na sua forma elementar, por um tubo 
cilíndrico no interior do qual circula o meio reacional numa dada direção e em 
que não existe agitação ou mistura da massa reacional. A permuta de calor, 
necessária quer para fornecer calorias ao sistema, ou para as eliminar, faz-se 
geralmente através da parede do tubo. Este tipo de reator é normalmente 
operado em estado estacionário, assim como o CSTR. Reatores tubulares são 
usados mais frequentemente para reações em fase gasosa. Tal equipamento 
pode ser representado esquematicamente na figura abaixo: 
 
 
 
 A hipótese mais simples de análise deste tipo de reator consiste em 
admitir que a mistura se escoa no interior do tubo ou tubos como um êmbolo se 
desloca no interior dum cilindro, a concentração do reagente limitante diminui 
continuamente ao longo do comprimento do reator. Assim, neste caso, o reator 
designa-se por reacor tubular ideal ou do tipo êmbolo ("plug flow reactor") e 
considera-se que a velocidade de escoamento é constante numa dada secção 
transversal e consequentemente a concentração e a conversão são constantes 
nessa secção reta. Obs: Neste tipo de reator não há variação radial na 
velocidade da reação e o reator é referido como um reator de escoamento 
empistonado (PFR). 
 
 Quando a equação geral de balanço molar 
 
 A equação para projetar PFRs no estado estacionário pode ser 
desenvolvida de duas maneiras: (1) diretamente através da equação anterior, 
por diferenciação com relação ao volume V, ou (2) a partir de um balanço molar 
para a espécie j em um segmento diferencial do volume do reator, ∆V. 
Escolhendo a segunda maneira, teremos: 
 
 O volume diferencial, ∆V, mostrado na figura abaixo, será escolhido 
suficientemente pequeno, de tal modo que não haja variações de velocidade de 
reação no interior desse volume. 
 
 
 Assim, o termo de geração, ∆Gj, é 
 
 
 
Entrada – Saída + Geração = Acúmulo 
Eq (1.7) 
 
 Dividindo por ∆V e rearranjando 
 
 
 
 O termo entre colchetes assemelha-se à definição da derivada 
 
 
 
 Tomando o limite quando ∆V tende a zero, é possível obter a forma 
diferencial do balanço molar em estado estacionário para um PFR. 
Eq (1.8) 
 Obs: O grau de extensão de uma reação alcançado em um reator ideal 
com escoamento empistonado (PFR) não depende de sua forma, mas apenas 
de seu volume total. 
 
 Considerando a isomerização A → B, em um PFR. Á medida que os 
reagentes escoam pelo reator, A é consumido por reação química e B é 
produzido. Logo, a velocidade molar de escoamento de A diminui e a de B 
aumenta como é mostrado na figura abaixo: 
 
 
 
 O volume V2 do reator, necessário para reduzir a vazão molar de entrada 
de A, de FAO par FAl, é calculado da seguinte forma: 
 
 
 E integrando com os limites em V=0, então FA = FA0, e em V=Vl, então 
FA=FAl 
Eq (1.9) 
 
 REFERÊNCIAS 
 
 Levenspiel, O. Engenharia das Reações Químicas, 3◦ ed., Editora 
Edgard Blucher, 2000, Capítulos 5 e 6. 
 
 Schmal, Martin. Cinética e Reatores: Aplicação na Engenharia Química: 
teoria e exercícios ., Editora Synergia, 2010. Capítulo 4.