REATOR DE LEITO FIXO (1)

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UNIVERSIDADE CATÓLICA DO SALVADOR 
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS 
CURSO DE BACHARELADO EM ENGENHARIA QUÍMICA 
 
 
 
 
REATOR DE LEITO FIXO 
 
 
 
 
Relatório solicitado pela 
professor Dr. Alan Silva como 
cumprimento das atividades da 
disciplina: Cálculo de Reatores 
II. 
 
 
 
Catarina Guimarães 
João Vitor Santos 
Mirella Zuza 
 
 
 
SALVADOR 
06/2018 
 
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Sumário 
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................. 3 
2. DIMENSIONAMENTO DO REATOR ........................................................... 6 
3. OBJETIVO ................................................................................................... 8 
4. DESENVOLVIMENTO ................................................................................. 8 
5. CONCLUSÃO ............................................................................................ 11 
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................... 12 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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1. INTRODUÇÃO 
No início do século XX deu-se a descoberta de catalisadores em fase sólida 
e suas aplicações nos processos industriais, o que gerou grandes mudanças 
na indústria química. A maioria dos processos que utilizam catalisadores 
sólidos acontece em reatores de leito fixo (FBR – Fixed Bed Reactors). 
A partir de 1990 a análise de reatores entrou em uma nova fase. De acordo 
com Froment e Bischoff (1990), “o desenvolvimento da engenharia das reações 
químicas como disciplina independente e o aumento das possibilidades 
computacionais conduziram a uma extensiva exploração do projeto e do 
desempenho do reator, em estado estacionário e em estado transiente”. Neste 
cenário de sistematização de conhecimentos básicos da engenharia química e 
aumento da capacidade instrumental de cálculo, passou-se a dispor de 
modelos com diferentes graus de sofisticação, indo-se daqueles muito simples, 
que já podiam ser manipulados antes de 1960, àqueles mais complicados, que 
demandaram um grande esforço computacional. 
Reatores de leito fixo constituem importantes sistemas da engenharia 
química, com muitas aplicações em diversos processos industriais, 
notadamente no campo das indústrias de refino do petróleo e petroquímica. De 
acordo com Elnashai e Elshishini (1993), “não seria superestimar, dizer que 
mais de 90-95% dos reatores gás-sólido catalíticos operando industrialmente 
são do tipo leito fixo”, caracterizando um cenário que certamente não sofreu 
variação marcante, mesmo com o desenvolvimento de novas rotas químicas de 
produção. 
Estes reatores possuem uma vasta aplicação industrial, como: 
● Indústria química de base: reforma a vapor do gás natural, síntese de 
amônia, ácido sulfúrico, metanol 
● Indústria petroquímica: produção de óxido de etileno, acetato de vinila, 
butadieno, anidrido maleico, anidrido ftálico, estireno etc. 
● No refino do petróleo, hidrodessulfurização, isomerização, 
polimerização, hidrocraqueamento etc. 
● Na indústria alimentícia: produção de etanol, tratamento de resíduos, 
separação de melaço, recuperação de aromas, limpeza de gases, 
tratamento de água, secagem de cereais e grãos, processos 
enzimáticos. 
 
Os reatores de leito fixo são utilizados principalmente em unidades de 
grande capacidade, principalmente em reatores do tipo multitubular. A 
figura.1(a). Os tubos são preenchidos com catalisador, Fig.1(b), o fluido passa 
através de um leito de partículas, em baixas velocidades, apenas percorrendo 
os espaços vazios existentes entre as partículas estacionárias, mas as reações 
acontecem principalmente no interior das partículas. 
 
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Figura 1. Reator de leito fixo. (a) reator multitubular (b) o tubo preenchido com 
catalisador. 
Muitas vezes são utilizadas colunas de recheio para promover o maior 
contato entre dois fluidos imiscíveis ou parcialmente miscíveis, podendo ser um 
gás e um líquido, ou dois líquidos. Logo, nos escoamentos em meios porosos 
as fases que estão em contato podem ser: gás-sólido, gás-líquido, líquido-
sólido, líquido-líquido. 
 
 
Figura 2. Leito Fixo ou coluna de recheio. 
 
Comumente o fluxo utilizado é em contracorrente com o gás ou líquido 
menos denso entrando pelo fundo e o fluido mais denso por cima da coluna. 
Obtendo uma boa velocidade de transferência por unidade de volume da 
coluna, tem que se escolher um recheio que promova uma elevada área 
interfacial entre as duas fases e um alto grau de turbulência nos fluidos, com 
uma menor queda de pressão. 
O recheio do leito fixo deve ter as seguintes características: 
• Ser quimicamente inerte ou adequado à aplicação. 
• Ser resistente e ter baixa massa específica. 
• Proporcionar um bom escoamento do fluído sem gerar grande perda de 
carga. 
 
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• Oferecer um contato sólido-fluido efetivo. 
• Custo razoável. 
 
Os recheios podem ser dos seguintes tipos: 
• Sólidos quebrados: mais baratos, não uniformes, por isso seu arranjo 
não é uniforme nem sua porosidade, podendo não ter um fluxo de 
líquido e superfície efetiva satisfatória para a transferência de massa. 
• Recheios de forma definida: são muito usados devido à sua grande área 
superficial, aliada sua baixa perda de carga; seu custo aumenta com a 
diminuição de tamanho; a porosidade varia de 0,45 a 0,95. Os tipos mais 
utilizados são: Anéis de Raschig, Anéis Pall, Anéis Lessing e as Selas 
de Berl. Também pode-se utilizar esferas. Os materiais mais comumente 
utilizados, dependendo da aplicação são: cerâmica, metais, vidro, 
plásticos, carbono e, às vezes, borracha. 
 
 
Figura 3. Tipos de Recheio encontrados nas aplicações industriais: (a)Anéis de 
Rasching, (b) Sela Intalox, (c) Anéis de Pall, (d) Anel Espiralado Cyclohlix, (e) 
Sela de Berl, (f) Anéis de Lessing, (g) Anel Quartelado. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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2. DIMENSIONAMENTO DO REATOR 
Segundo FOGLER, para sistemas com escoamento contínuo, o tempo 
necessário para a conversão ótima aumenta com o aumento do volume do 
reator. Por consequência, a conversão X é uma função do volume do reator V. 
A vazão molar de alimentação de uma substância A para o sistema menos a 
taxa de reação de A dentro do sistema é igual à vazão molar de A, FA. Esta 
sentença pode ser escrita na seguinte afirmação matemática: 
 
𝐹𝐴 = 𝐹𝐴0(1 − 𝑋) 
Onde: 
FA0 = Vazão molar de alimentação de A 
 X= Taxa de conversão de A 
 
A vazão molar de entrada da espécie A, FA0 (mol/s), é apenas o produto 
da concentração na entrada CA0 (mol/dm3), e a vazão volumétrica de entrada v0 
(dm3/s) 
𝐹𝐴0 = 𝐶𝐴0𝑣0 
Para sistemas líquidos, CA0 é dado em termos de molaridade. Já em 
sistemas gasosos, é calculado a partir da temperatura e da pressão de entrada, 
utilizando a lei dos gases adequada para as condições de operação. 
Considerando a lei dos gases ideais, a vazão molar de entrada é dada 
por: 
𝐹𝐴 = 𝑣0𝐶𝐴0 = 𝑣0
𝑦𝐴0𝑃0
𝑅𝑇0
 
Em que: 
CA0 = Concentração de entrada, mol/dm3 
yA0 = Fração molar de A na entrada 
P0 = Pressão total de entrada, kPa 
T0 = Temperatura de entrada, K 
R = Constante universal dos gases ideais 
Ainda segundo FOGLER, devido aos reatores de leito fixo serem 
reatores tubulares, mas com partículas de catalisador, a dedução das formas 
 
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diferencial e integral das equações do projeto se assemelha à dedução para 
um reator tubular de escoamento contínuo (PFR). Portanto, a massa de 
catalisador é dado por: 
𝐹𝐴0
𝑑𝑋
𝑑𝑊
= −𝑟′𝐴 
Sendo que esta forma diferencial da equação tem de ser usada quando 
da análise de reatores que têm uma quedade pressão ao longo do 
comprimento do reator. Na ausência de queda de pressão, podemos integrar: 
𝑊 = 𝐹𝐴0 ∫
𝑑𝑋
−𝑟′𝐴
𝑋
0
 
Esta equação pode ser utilizada para determinar a massa W de catalisador 
necessária para atingir uma conversão X quando a pressão permanece 
constante. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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3. OBJETIVO 
Este trabalho tem como objetivo estudar a aplicação de reator de leito fixo 
considerando a reação de síntese de anidrido ftálico por oxidação de o-xileno, 
observando as perturbações como concentração e temperatura ao longo do 
reator. 
4. DESENVOLVIMENTO 
4.1 Síntese de anidrido ftálico em um reator de leito fixo 
Os reatores de leito fixo, encontrados em muitas indústrias de processos 
químicos, são sistemas complexos cuja operação apresenta distintos desafios, 
tais como forte dependência dos perfis de temperatura e composição em 
relação às condições de entrada. Esses reatores não podem ser operados em 
temperaturas excessivas, visto que neles, muitas vezes, ocorrem reações 
exotérmicas que associadas a perturbações de entrada podem gerar picos 
elevados de temperatura, também conhecidos como pontos quentes (hot spot), 
os quais trazem consequências indesejáveis, tais como descontrole térmico, 
reações secundárias indesejáveis e desativação de catalisadores 
(KARAFYLLIS e DAOUTIDIS, 2002). 
O anidrido ftálico constitui importante intermediário da indústria química e 
farmacêutica, sendo empregado, por exemplo, na fabricação de corantes, 
pigmentos, vernizes e resinas. Basicamente são dois os processos de 
obtenção de anidrido ftálico encontrados na indústria: o processo de oxidação 
do naftaleno e o processo de oxidação do o-xileno, sendo este último o mais 
utilizado atualmente tendo em vista que o o-xileno se encontra disponível em 
grande quantidade, obtido em refinarias de petróleo, e apresenta menor preço 
e facilidade de transporte em relação ao naftaleno (DIAS et al.,1995). 
 Na prática, podem ser empregadas várias configurações de reatores de 
leito fixo para a síntese de anidrido ftálico (PAPAGEORGIOU e 
FROMENT,1996), as quais têm como objetivo básico proporcionar uma troca 
térmica eficiente entre o leito catalítico e o fluido térmico, utilizando-se 
comumente para este fim um sal fundido de alta capacitância térmica. A 
corrente de alimentação de o-xileno e ar contém um grande excesso de ar, 
para eliminar a possibilidade de ignições e reduzir a elevação da temperatura, 
em decorrência do caráter fortemente exotérmico das reações envolvidas. As 
temperaturas de operação são da ordem de 400oC e utilizam-se catalisadores 
não porosos suportados à base de V2O5/TiO2. 
A Figura 4 ilustra a configuração usual de um reator multitubular com um 
fluido térmico escoando na carcaça. De acordo com Lopes (1994), a produção 
de anidrido ftálico a partir do o-xileno utilizando-se reatores de leito fixo 
multitubulares tornou-se o processo preferido. Chen e Sun (1991) mencionam 
que um sistema industrial típico para a síntese de anidrido ftálico é constituído 
por 2500 tubos de 2,50 cm de diâmetro, cheios de partículas catalíticas de 
V2O5/TiO2e resfriados por sal fundido. 
 
 
 
 
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Figura 4. Esquema representativo de um reator de leito fixo multitubular para a 
síntese de anidrido ftálico 
 
Um esquema simplificado considera três reações básicas a saber: a 
reação de interesse que é a oxidação parcial do o-xileno a anidrido ftálico, a 
reação consecutiva indesejável de oxidação do anidrido ftálico dando dióxido 
de carbono, e a reação de oxidação total do o-xileno para formar dióxido de 
carbono. Estas reações são dadas pelas seguintes equações químicas: 
 
 
4.2 Picos de temperatura e concentração 
 
De acordo com Chou e Wu (2007), para reatores de leito fixo onde ocorrem 
reações fortemente exotérmicas faz-se necessário controlar simultaneamente picos 
de temperatura e concentração de saída, de modo a prevenir elevações excessivas 
de temperatura no reator – que podem conduzir a situações de fuga de temperatura 
(runaway) perturbações nas variáveis Tc0, T0 e CA0 têm uma grande influência nos 
perfis de temperatura, notadamente na região próxima à entrada do reator, onde se 
desenvolve o pico de temperatura (hot spot). 
Em relação a Tc0 especificamente, o seu efeito se dá em termos da evolução 
de perfis de temperatura diferentes não apenas na região do pico, mas ao longo de 
todo o leito. Quanto aos perfis de concentração estes são mais afetados pelas 
variáveis Tc0 e CA0. 
A velocidade do fluido reacional (vg) afeta fortemente a concentração do 
produto na saída do reator, porém sua influência na magnitude do pico de 
temperatura é insignificante. 
Já a velocidade do fluido refrigerante (vc) não apresenta influência nos perfis 
de concentração e de temperatura, por conta das características do fluido refrigerante 
considerado, o qual constitui um sistema de arrefecimento especial, adequado para a 
remoção de calor em reatores onde ocorrem reações fortemente exotérmicas. 
 
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Para todas as condições, representativas da faixa em que o sistema é 
comumente operado industrialmente, verificou-se que o pico de temperatura se forma 
próximo à região de entrada do reator. 
 
Legenda 
Concentração dos constituintes o-xileno (A) anidrido ftálico (B) na fase gasosa 
(CA e CB) 
 Concentração na superfície da partícula (CP,A e CP,B) 
 (Tc) ao longo do reator 
T temperatura do fluido reacional 
Tc temperatura do fluido refrigerante 
 TP temperatura na superfície da partícula de catalisador 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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5. CONCLUSÃO 
 
Neste trabalho, apresentou-se uma revisão referente ao reator de leito fixo e 
a reação de síntese de anidrido ftálico, com objetivo de proporcionar uma visão 
geral acerca do universo dos catalisadores, além de suas problemáticas, 
possibilidades de modelagem e controle desses sistemas químicos. 
Cabe ressaltar a análise da obtenção do anidrido ftálico, que é um 
importante intermediário para diversas indústrias, que possui diversas 
configurações para sua síntese. Trouxemos apenas uma dessas possibilidades 
com o objetivo de ilustrar a importância dos catalisadores para as mais 
diversas indústrias químicas. 
Este trabalho ainda demonstra aos estudantes a complexidade dos estudos 
de catalisadores e suas aplicações industriais, sendo necessárias mais 
investigações para encontrar catalisadores e processos cada vez mais 
eficientes, tanto pela modelagem cinética, quanto pelo controle e automação 
dos processos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 
[1] FOGLER, S. C., Elementos de Engenharia das Reações Químicas, 3ª 
ed., Editora LTC, 2002. 
[2] LEVENSPIEL, O., Engenharia das Reações Químicas, Tradução da 3ª 
ed., Editora Blucher, 2000. 
[3] FOUST, A. S. et.al. (1982). “Princípios das Operações Unitárias” – Ed 
LTC, Rio de Janeiro – RJ, 2ª edição. 
[4] GEANKOPLIS, C. J. (1993). “Transport Processes and Unit Operations” 
– Ed Allyn and Bacon, London. 
[5] GOMIDE, R. (1980). “Operações Unitárias”, vol. 3 – Ed do Autor, São 
Paulo. 
[6] Portal Laboratórios Virtuais de Processos Químicos 
(http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php) 
[7] JESUS, Josias Máximo de. (2013). “Modelagem matemática de um 
reator de leito fixo para síntese de anidrido ftálico e controle utilizando 
estratégias convencionais e fuzzy”. 2013. 61-62 p. tese de doutorado 
(Engenharia Química) - Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 
SP. Disponível 
em:<http://repositorio.unicamp.br/bitstream/REPOSIP/266578/1/Jesus_J
osiasMaximode_D.pdf>.Acesso em: 01 jun. 2018.