Capítulo 4 Introdução ao Projeto de reatores

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Capítulo 4 - Introdução Ao Projeto de Reatores
Geral
A cinética química e o projeto de reatores são o coração de quase todos os produtos químicos
industriais e juntos formam a engenharia das reações químicas. É principalmente o
conhecimento da cinética das reações e o projeto de reatores que distingue o engenheiro químico
dos outros engenheiros. A seleção do sistema de reação que opera de maneira segura e eficiente
pode ser a chave para o sucesso econômico ou falhas em um planta química. Por exemplo, se
uma reação produz uma quantidade grande de produtos indesejáveis, a subseqüente purificação
e separação dos produtos indesejáveis pode tornar o processo economicamente inviável. A
cinética das reações químicas estuda a equação da velocidade, que indica a rapidez com que um
componente se forma ou desaparece do meio reacional e no projeto de reatores queremos saber o
tamanho e o tipo de reator a ser usado e que método de operação é o mais adequado para se
atingir um determinado objetivo. Porém, antes de entrarmos nessas discussões, é necessário
contabilizar as várias espécies químicas entrando e saindo do sistema de reação. Este processo
de contabilidade é atingido através do balanço molar global das espécies individuais dentro do
sistema reacional.
Equação Geral de Balanço Molar
Para conduzir um balanço molar sobre qualquer sistema, primeiramente, deve-se especificar as
vizinhanças do sistema, através do chamado volume de controle.
Figura 1 - Balanço sobre um Volume de Controle
Rj
Fjo
Fj
Volume de
controle



±








−








=








)/(
)/()/()/(
tempomole
VCdodentrojdereaçãodeTaxa
tempomole
VCdosaique
jdemolarTaxa
tempomole
VCnoentraque
jdemolarTaxa
tempomole
VCdodentro
jdeacúmulodeTaxa
 Acúmulo = Entra - Sai ± Reage
 dnj/dt = Fjo - Fj ± Rj
Equação 1 – Equação Geral do Balanço Molar
onde:
nj representa o número de moles das espécies j.
Se todas as variáveis do sistema (isto é, temperatura, atividade catalítica, concentração das espécies químicas)
estão espacialmente uniformes através do volume de controle, a taxa de reação da espécie j, Rj, é somente o
produto da equação da velocidade de consumo ou de geração da espécie j, +/-rj pelo volume do meio
reacional V.
Rj = +/- rj V
Termo de reação com taxa de reação constante dentro do VC
volume
volumetempo
moles
tempo
moles
.
=
Suponha agora que as variáveis do sistema variam dentro do volume de controle, isto é, a velocidade da
reação da espécie j varia dentro do volume de controle, conforme figura abaixo:
rj1
rj2
∆V1
∆V2∆V2
Volume de
controle
Dentro do pequeno volume ∆V1, a equação da velocidade de geração ou consumo da espécie j é +/- rj1 e a taxa
de reação é ∆Rj1, dentro do volume ∆V2, a equação da velocidade de geração ou consumo espécie j é +/-rj2 e a
taxa de reação é ∆Rj2 e assim por diante, de tal forma que a taxa de reação da espécie j dentro de todo o
volume de controle é o somatório dos M subvolumes ∆Vi, isto é:
∑ ∑
= =
∆±=∆=
M
i
M
i
ijijij VrRR
1 1
Do cálculo, pela definição de integral, podemos escrever a equação acima da seguinte forma:
∫±=
V
jj dVrR
Termo de reação com taxa de reação variável dentro do VC
Incluindo agora, este termo de reação na equação geral de balanço molar, temos:
dt
dn
dVrFF j
V
jjj =±− ∫0
Tipos de Reatores
Em termos de configurações físicas encontradas, existem basicamente somente dois tipos de reatores: o reator
tanque e o reator tubular. Nesse momento, vamos discutir os tipos de reatores usados na prática industrial para
reações homogêneas na fase fluida.
Reator Tanque Ideal
O reator tanque ideal é aquele no qual a agitação é tão eficiente que as variáveis de processo, composição e
temperatura são sempre uniformes dentro desse tipo de reator. Um reator tanque simples pode ser operado
numa variedade de formas: batelada, semibatelada e fluxo contínuo como mostrado nas figuras abaixo:
 Reator Batelada (BATCH) Reator de Fluxo Contínuo (CSTR)
 Adição de reagentes Contínuo com relação Remoção contínua de
a um reagente e batelada produtos
com relação a outro
• No reator batelada simples, as variáveis como temperatura e concentração não variam com a posição
dentro do reator, mas variam com o tempo.
• O reator tanque agitado, pode também ser operado de forma semibatelada. Neste modo, o tanque é
parcialmente preenchido com reagente(s) e reagente(s) adicionais são adicionados progressivamente
até a composição desejada ser atingida. Alternativamente, pode-se carregar todos os reagentes de
uma única vez e continuamente remover os produtos quando eles vão sendo formados.
• Dentro do reator tanque continuamente agitado (CSTR), o reator tanque é continuamente suprido
com a alimentação ao mesmo tempo em que igual volume é descarregado de forma a manter
constante o nível dentro do tanque. A composição da corrente efluente é idêntica aquela que
permanece dentro do tanque.
Reator Tubular Ideal (PFR)
É aquele no qual elementos de fluido reagentes (plugs) movem-se através de um tubo, como plugs
movendo paralelo ao eixo do tubo. Este modelo de fluxo é referido como plug flow ou fluxo
empistonado. O perfil de velocidade em uma dada seção transversal é achatado e assume-se que não
existe difusão axial ou mistura de elementos de fluido. As variáveis como temperatura e composição
variam com a posição ao longo do comprimento do reator.
Escolha entre os diferentes modos de operação de reatores
Reator Batelada
Características:
Reatores batelada são usualmente tanques cilíndricos e a orientação usualmente é vertical. Vasos cilíndricos
são empregados porque ele são mais fáceis de serem fabricados e limpos e os custos de construção para
unidades de alta pressão são consideravelmente menores do que configurações alternativas. Agitação pode
ser conseguida por agitadores de vários tipos ou por circulação através de bomba. Em situações onde é
necessário aumentar a área interfacial gás-líquido por evaporação, ou o fluido seja muito viscoso ou uma
lama, utiliza-se orientação horizontal. Devido aos efeitos de energia envolvidos em uma reação, é usualmente
necessário empregar um trocador de calor através de jaquetas ou serpentinas externas ou internas, embora
possa-se usar resistência elétrica ou fogo direto.
Usos:
! Reações em fase líquida particularmente quando a produção é pequena ou para produzir diversos
produtos no mesmo equipamento. Também, quando é necessária limpeza regular do reator, como no
caso de constante contaminação por fuligem ou culturas de fermentação também emprega-se o reator
batelada, devido a sua grande flexibilidade para limpeza e procedimentos de sanitação. Por esses
motivos, encontram largo uso na indústria farmacêutica ou para produção de alguns produtos
químicos especiais, onde a flexibilidade é desejada e também para produtos sazonais.
√ Reações em fase gasosa a alta pressão, considerações de segurança são extremamente importantes e
cuidado deve ser tomado para garantir projeto mecânico adequado. Esses reatores são comumente
chamados de autoclaves.
Vantagens:
! Quando a capacidade de produção é baixa, processos baseados em reatores batelada terão
usualmente, menor investimento de capital do que os chamados processos contínuos, tanto que
reatores batelada são preferíveis quando está setestando um novo produto. Além disso, as
necessidades de construção e instrumentação são mais baratas e simples para reatores batelada.
Desvantagens:
! As desvantagens associadas ao uso do reator batelada, incluem os altos custos de mão-de-obra e
custos de manipulação de materiais envolvidos no preenchimento, esvaziamento e limpeza do reator.
Enquanto o reator batelada está sendo preenchido, esvaziado, limpo, aquecido até a temperatura de
reação ou resfriado até a temperatura de descarga, o reator não está produzindo produto, deixando de
haver lucro. Para grande quantidade de produção, esse tempo morto deve ser contabilizado.
Reatores Semi-batelada
Características:
Operações semi-batelada usualmente ocorrem em equipamentos muito similares aos reatores batelada. Pode-
se operar um reator semi-batelada de diversas maneiras. Uma delas envolve carregar algum dos reagentes
dentro do tanque e então alimentar o material remanescente gradualmente. Este modo de operação é vantajoso
quando grandes efeitos de transferência de calor acompanham a reação. Reações exotérmicas devem ser
conduzidas lentamente e o controle de temperatura mantido, regulando a taxa na qual um dos reagentes é
alimentado. Este modo de operação é também desejável, quando altas concentrações de reagentes favorecem
a formação de produtos laterais indesejáveis. Outro modo de operação semi-batelada envolve o uso de uma
corrente de purga para remover continuamente um ou mais dos produtos de uma reação reversível. Por
exemplo, água deve ser removida nas reações de esterificação pelo uso de uma corrente de purga ou por
destilação de uma mistura reagente. Remoção contínua de produtos aumenta a taxa líquida da reação, por
alterar a constante de equilíbrio.
Processos semi-batelada estão entre os mais difíceis de analisar do ponto de vista de projeto de
reatores porque trata com um sistema aberto em condições não estacionárias, tornando as equações
diferenciais mais complexas.
Reatores de Fluxo Contínuo(CSTR e PFR)
Características:
São utilizados principalmente para reações em fase líquida quando apreciável tempo de residência
são requeridos.
Vantagens:
! Quase que invariavelmente, os reatores de fluxo contínuo são preferíveis aos reatores batelada,
quando a capacidade de processamento requerida é grande. Embora o investimento de capital
necessário seja maior, os custos operacionais por unidade do produto são menores para operação
contínua do que batelada.
! Facilidade do controle de qualidade dos produtos devido ao controle automático do processo.
Observações:
Freqüentemente, a decisão para selecionar um modo de processamento batelada ou contínuo, envolve
a determinação da contribuição relativa das despesas de capital e despesas operacionais para o custo total do
processo para o nível de capacidade proposto. Como apontado por Denbigh, o que é melhor para um país
altamente industrializado, com custos mais altos de mão-de-obra, não necessariamente é o melhor para um
país menos desenvolvido.
Em muitos casos, considerações de seletividade determinam o modo de operação, particularmente
quando a reação em estudo é acompanhada por reações laterais indesejáveis. O rendimento para o produto
desejado pode diferir consideravelmente entre uma operação contínua e batelada e também entre dois tipos de
processos contínuos. Quando o rendimento é menor para um processo contínuo, este fator deve ser tão
importante dentro da economia global do processo que é necessário optar por um reator batelada.
Reatores CSTR
Características:
O CSTR é usado extensivamente na indústria de processos químicos. Ambos, tanques simples ou em bateria
de tanques conectados em série são usados. Em muitos aspectos como mecânicos e de transferência de calor,
são similares aos reatores batelada. Entretanto, é necessários ter uma entrada para adição contínua de
reagentes e saída para corrente de produtos.
É possível empregar ou tanques múltiplos individuais em série ou unidades contendo múltiplos estágios
dentre um casco simples. Tanques múltiplos são mais caros, mais provêem maior flexibilidade de uso, desde
que eles são mais rapidamente alterados se variarem as necessidades do processo. Para minimizar as
necessidades de bombas e manutenção, freqüentemente escolhe-se fluxo por gravidade entre os estágios.
Reatores CSTR são empregados quando trabalha-se com sólidos ou líquidos, não sendo recomendados para
operações à altas pressões.
Reatores PFR
O reator tubular é assim chamado devido a sua configuração física, tal que a reação ocorre dentro de um tubo
ou comprimento de tubo. Pode-se usar tanto no caso onde o tubo é empacotado com um catalisador sólido e
no caso onde a fase fluida sozinha está presente. A maioria dos reatores tubulares são classificados em três
principais categorias:
1. tubo simples
2. trocadores de calor casco-tubo
3. fornos tubulares, onde os tubos são expostos à radiação térmica e transferência de calor a partir de
gases de combustão.
O tubo simples é utilizado quando não se necessita de eficiente troca térmica e os trocadores casco-tubo ao
contrário, podendo a reação ocorrer tanto dentro do tubo, quanto fora, no casco. Os fornos tubulares são
utilizados somente para reações endotérmicas.
FOTOS
Exercícios
1 – O que caracteriza um reator tubular como ideal?
2 - O que caracteriza um reator tanque como ideal?
3 - Que tipo de reator é um CSTR e como ele opera?
4 – Qual a diferença entre (– rA ) e ( rA ) ?
5 – É a taxa de reação (–rA ) uma quantidade extensiva? Explique
6 – Citar um uso do reator tanque batelada
7 – Citar um uso do reator tanque semi-batelada
8 – Citar um uso do reator tanque contínuo. Como ele é comumente chamado?
9 – Citar um uso do reator tubular PFR