Aula 2 - Integração de calor nos reatores

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Integração de calor nos reatores
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Os reatores podem ser basicamente de três tipos: 
 reator descontinuo ou por partidas 
 reator contínuo 
- reator semi-descontínuo ou semi-contínuo
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Trabalhar em descontínuo ou intermitente (batch reactor) é uma operação em estado não estacionário, cuja composição varia com o tempo, todavia, num instante qualquer, a composição ao longo do reator é constante.
 Descontínuo, significa alimentar os reagentes no reator e deixar a transformação química desenvolver-se em função do tempo. Classificam-se por vezes estes aparelhos de sistemas fechados, porque durante o tempo em que decorre a transformação não há entrada ou saída de matéria do sistema. 
Reator descontinuo 
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No reator descontínuo, os reagentes entram no reator, são misturados e aí permanecem durante um certo período, no qual ocorre a reação. A mistura resultante é então descarregada.
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Uma variante do sistema descontínuo é realizada quando parte dos reagentes é introduzida ao longo do processo, enquanto que a descarga dos produtos se faz apenas quando terminada a reação. Este modo de operação é classificado por semi-contínuo. 
reator semi-continuo 
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Por sua vez, os sistemas contínuos, classificados de sistemas abertos, são providos de uma ou várias entradas para introduzir os reagentes e de uma ou várias saídas para evacuação dos produtos da transformação.
Reator contínuo 
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Numa operação contínua, há a considerar no interior do reator um percurso para as 
diversas fases desde os seus pontos de entrada até aos pontos de saída. Este 
escoamento interno pode revestir várias formas dependendo da estrutura do 
equipamento. Dois tipos de escoamento para modelos ideais são considerados em 
teoria: 
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- o escoamento tipo pistão ou reator tubular (plug flow), tal como o que é realizado quando se faz circular a grande velocidade um fluido pouco viscoso num tubo; sem retorno e sem mistura (unmixed flow reactor): 
- o escoamento através dum recipiente perfeitamente agitado ou reator de mistura (CSTR-constant flow stirred tank reactor), todo o conteúdo é agitado mantendo-se constante a composição ao longo do reator.
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A integração de calor em reatores depende das decisões tomadas para a remoção ou adição de calor nesses equipamentos e das características da mistura reacional. 
CONDIÇÃO DE TRABALHO:
	- PROCESSO ADIABÁTICO
não ocorre troca de calor
com o meio externo 
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EM REATORES EXOTÉRMICOS
OCORRE AUMENTO CALOR NA UNIDADE
EM REATORES ENDOTÉRMICOS
OCORRE DIMINUIÇÃO CALOR NA UNIDADE
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calor da reação 
INFLUÊNCIA NAS CORRENTES DE SAÍDA
reação exotérmica 
No caso de:
aumento da temperatura
da corrente de saída (efluente)
reação endotérmica 
diminuição da temperatura
da corrente de saída (efluente)
Obs: a agitação de fluidos em reatores pode gerar calor
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Reatores ou vasos podem conter camisas de resfriamento ou aquecimento (usando água, vapor, refrigerantes, fluido térmico) para manter as temperaturas dentro da unidade. 
 Fluido de transferência de calor flui em torno da camisa e é injetado em alta velocidade via bocais. 
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Fluidos de transferência de calor passam através do revestimento (camisa) normalmente através de serpentinas para adicionar ou remover calor.
 Camisa externa simples → MAIS USADA
 Camisa de meia serpentina ou serpentina de meia-cana
 Camisa de resfriamento de fluxo constante
Tipos de camisas:
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Camisa externa simples
 O projeto de camisa simples ou única consiste de uma camisa externa
 a qual circunda o vaso.
 
 Fluido de transferência de calor flui em torno da camisa e é injetado
em alta velocidade via bocais.
 A temperatura na camisa é controlada para aquecimento ou 
resfriamento regulado.
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 O projeto de camisa simples é provavelmente o mais antigo desenho de camisa de resfriamento externo. Apesar de ser uma solução experimentada e testada, tem algumas limitações:
	em vasos grandes, pode demorar vários minutos para ajustar a temperatura do fluido na camisa de refrigeração. Isso resulta em controle de temperatura lento.
 	a distribuição do fluido de transferência de calor também é distante da ideal e o aquecimento ou resfriamento tende a variar entre as paredes laterais e a superfície do fundo.
 a temperatura de entrada do fluido de transferência de calor que pode oscilar (em resposta à válvula de controle de temperatura) ao longo de um ampla faixa de temperatura causando regiões quentes ou frias nos pontos de entrada da camisa.
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Correntes de alimentação podem ser pré-resfriadas quando ocorre reação exotérmica no reator.
 Correntes de alimentação podem ser pré-aquecidas quando ocorre reação endotérmica no reator.
 
Alimentações pré-resfriadas ou pré-aquecidas:
Controle da temperatura
vaso/reator
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A quantidade calor requerida para troca térmica com o reator será:
onde:
QREACT = aquecimento ou resfriamento do reator requerido
ΔHSTREAMS = variação de entalpia entre as correntes de alimentação e saída
ΔHREACT = entalpia da reação (negativa no caso de reações exotérmicas) 
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LOCALIZAÇÃO DE REATORES EM RELAÇÃO AO PONTO PINCH
A disposição apropriada de reatores quando a integração energética é abordada deve atender:
 reatores exotérmicos devem ser integrados acima do ponto pinch
 reatores endotérmicos devem ser integrados abaixo do ponto pinch
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reatores exotérmicos devem ser integrados
acima do ponto pinch
reatores endotérmicos devem ser integrados
abaixo do ponto pinch
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Reator químico com e sem integração energética
ESTUDO CASO:
CARACTERÍSTICAS DO PROCESSO:
obtendo produto final de qualidade superior
necessidade de
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COMPARANDO
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