Aula 1 Cinética Química Conceitos iniciais

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AULA 1 
1. Apresentação 
 
2. Introdução 
“A cinética química e o projeto de reatores estão no coração de quase todos os 
produtos químicos industriais. É, principalmente, o conhecimento da cinética 
química e o projeto do reator que distinguem o engenheiro químico dos outros 
engenheiros” (Fogler – Capítulo 1 – Introdução de seu livro) 
 
3. Objetivo da disciplina 
- Familiarizar estudantes com a terminologia e conceitos das Engenharias das 
Reações Químicas. 
 
- Integrar o uso da Cinética Química no projeto de reatores químicos. 
 
- Desenvolver e reforçar habilidades matemáticas necessárias para o projeto de 
reatores químicos. 
 
4. Estrutura 
A ideia central do curso de reatores é permitir que o aluno faça a integração entre os 
conhecimentos de química e a sua aplicação na Engenharia. 
 
 
 
Figura 1 – Pilares da disciplina de Cinética e Cálculo de Reatores. 
 
5. Programa do curso (Aulas e conteúdo) 
 
6. Provas 
Prova 1: 06/04 
Prova 2: 08/06 
SUB: 15/06 
EXAME: 22/06 
 
7. Exercícios em sala/atividades 
 
Bibliografia: 
 Levenspiel - “Engenharia das Reações Químicas” 
 Fogler- “Elements of Chemical Reaction Engineering” 
o Elementos de Engenharia das Reações Químicas 
 
CONCEITOS 
8. Reatores ideais e não-ideais 
Reatores ideais são aqueles para os quais se desenvolve um modelo matemático 
específico a partir de condições pré-estabelecidas e que aplicado às condições reais, se 
ajusta adequadamente. 
Reatores Não-Ideais são aqueles para os quais é necessário um tratamento matemático 
específico em função de peculiaridades de reação e/ou reator. 
 
O foco do nosso curso estará em Reatores Ideais. 
 
9. Tipos de processo 
Os três tipos de processos mais comuns são os seguintes: 
 
 Descontínuo (ou Batelada) – Exemplo (a) da Figura 2 
 Contínuo - Exemplo (b) da Figura 2 
 Semi Batelada (ou semi-contínuo) - Exemplos (c), (d) e (e) da Figura 2 
 
 
Figura 2 – Formas de alimentação de um sistema (Levenspiel) 
 
10. Os 3 principais Reatores Ideais Básicos para reações homogêneas 
 
10.1. Reator descontínuo (ou batelada) 
É um tanque com agitação mecânica no qual todos os reagentes são introduzidos no 
reator em uma única vez. Em seguida são misturados e reagem entre si. Após um 
tempo, os produtos obtidos são descarregados de uma única vez do reator. 
Em inglês é conhecido como: Batch Reactor (vide figura 3a) 
 
10.2. Reator Tubular (PFR) 
É um tubo sem agitação no qual todas as partículas escoam com a mesma velocidade 
na direção do fluxo. 
Em inglês é conhecido como: Tubular Reactor ou Plug Flow Reactor (PFR). (vide 
figura 3b) 
 
10.3. Reator de mistura (CSTR) 
É um tanque agitado com escoamento contínuo, sem acúmulo de reagentes ou 
produtos e é operado de acordo com as seguintes características: 
 
 composição uniforme dentro do reator 
 a composição de saída é igual à composição do interior do reator 
 a taxa da reação é a mesma em todo o reator, inclusive na saída. 
Em inglês é conhecido como: Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR). (vide figura 
3c) 
 
 
Figura 3 – Principais Tipos de Reatores Ideais 
 
Para cada um destes três principais tipos de reatores ideais, uma pergunta básica que 
permite distinguir bem os três reatores entre si é a seguinte: 
 
O que ocorre com a composição no meio reacional do reator se forem coletadas 
alíquotas de seu interior: 
(1) em tempos diferentes de um mesmo local? 
(2) em locais diferentes ao mesmo tempo? 
 
Tabela 1 - Análise da variação da concentração em função do tempo em uma posição fixa 
ou da variação da concentração em função da posição no reator num tempo fixo. 
Reator (1) Variação de Ci com o tempo (2) Variação de Ci no espaço 
Batch varia não varia 
CSTR Não varia não varia 
PFR não varia varia 
 
 
11. Reatores para Reações Heterogêneas 
 
12.1.Reator de Leito Fixo 
É um reator em que normalmente o meio 
reacional se encontra em uma fase (líquida 
ou gasosa) e existe um catalisador na fase 
sólida. Normalmente, também é chamado 
de reator catalítico de leito fixo, onde o 
catalisador sólido é constituído de inúmeras 
e pequenas partículas depositadas ao longo 
do comprimento de um tubo. 
Em inglês é conhecido como Packed- Bed 
Reactor (PBR). 
Dos três tipos de reatores ideais apresentados, este reator (PBR) assemelha-se ao 
reator tubular. A diferença é o “recheio” de partículas sólidas que existem nele. 
 
12.2.Reator de Leito Fluidizado 
 
 
O funcionamento deste reator é parecido com o 
PBR. Entretanto, na prática trata-se de um tubo 
vertical onde pequenas partículas sólidas são 
suspensas em uma corrente de fluxo ascendente. 
 
A velocidade do fluxo é suficiente para 
“suspender” as partículas, mas não grande o 
suficiente para arrastá-las para fora do 
reator. Em função deste efeito, as partículas 
sólidas se movem no fluido e permitem que 
se forme uma excelente mistura entre 
ambos (partículas sólidas e fluido). 
 
 
 
13. Considerações Gerais - Parâmetros Relacionados com Projeto de Reatores 
Tipo de processo: Descontínuo, contínuo ou semi-batelada. 
Tipo e natureza do sistema reagente: 
Reagente(s) e produto(s) 
Reação Simples e Complexa 
Estequiometria 
Número de Fases Presentes 
Reação Catalítica ou Não Catalítica 
Reação Endotérmica ou Exotérmica 
Tipo do Reator 
Batelada 
Contínuo (Mistura, Tubular, Leito Fixo, Leito Fluidizado...) 
Modo de Operação 
Um único reator ou vários reatores 
Reatores em série e/ou paralelo 
Operação Isotérmica ou não-isotérmica 
Operação Adiabática ou não-adiabática 
Condições do Processo 
Perfil de temperatura 
Perfil de pressão 
Composição da alimentação 
Composição de saída do reator 
Otimização 
das condições do processo 
do tamanho do reator 
da conversão de saída 
dos custos do processo 
Materiais da Construção 
Procedimentos de Scale Up e Start Up