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Capítulo 7 Sistemas de Reação I Escolha do Reator

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Um bom design do reator é de suma importância na determinação da viabilidade econômica do projeto geral e
fundamentalmente importante para o impacto ambiental do processo.
Além dos produtos desejados, os reatores produzem subprodutos indesejados.
Uma vez que as especificações do produto foram estabelecidas é preciso determinar o caminho da reação. É possível
existir vários caminhos diferentes para o mesmo produto.
Etanol:
Rota 1: Reação do etileno com água para produzir etanol.
Rota 2: Reação do metanol como com gás de síntese (uma mistura de monóxido de carbono e hidrogênio).
Rota 3: Fermentação de um carboidrato.
Os problemas que devem ser abordados para o projeto do reator incluem: tipo de reator, catalisador, tamanho,
condições de funcionamento (T e P), fases e condições de alimentação (concentração e temperatura).
O objetivo aqui tomar decisões básicas sobre estas questões para seleção de um reator adequado.
Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
Bibliografia
1. Smith, R. (2005). Chemical Process Design and Integration. England: John Wiley & Sons. (Caps. 5, 6 e 7)
2
Dado o objetivo de manufaturar um determinado produto pode haver um número de caminhos de reação
alternativos .
Caminhos que utilizem matérias-primas mais baratas e que produzam a menor quantidade de subprodutos devem
ser preferencialmente escolhidos.
No entanto, há vários outros fatores a serem considerados na escolha do caminho de reação, tais como:
• Comercial: Incertezas sobre futuros preços de matéria-prima e produto.
• Técnico: segurança e consumo de energia, etc.
• A falta de catalisadores adequados é a causa mais comum da falta de busca por novas rotas químicas.
• Nos primeiros estágios de desenvolvimento de um novo processo é impossível prever todas as
consequências de escolher uma rota ou outra.
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.1 Rota de Reação
3
As reações químicas podem ser classificados em seis tipos:
❑ Reação única
❑ Múltiplas reações em paralelo produzindo subprodutos
❑ Múltiplas reações em série produzindo subprodutos
❑ Reações mistas em série e em paralelo produzindo subprodutos
❑ Reações de polimerização
❑ Reações bioquímicas
Sistema Unirreacional:
Sistema descrito por uma única reação. Na prática a maioria dos sistemas de reação envolve múltiplas reações. Mas, 
algumas vezes, as reações secundárias podem ser desprezadas deixando uma única reação primária a considerar. As 
reações simples são do tipo:
FEED ➔ PRODUCT
FEED ➔ PRODUCT + BYPRODUCT
FEED1 + FEED2 ➔ PRODUCT
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.2 Tipos de Sistemas de Reacionais
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FEED ➔ PRODUCT
FEED ➔ PRODUCT + BYPRODUCT
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.2 Tipos de Sistemas de Reacionais
Exemplos de Sistema Unirreacional:
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Sistema com Múltiplas Reações (Reações em Paralelo):
Ao invés de uma única reação, reações secundárias podem ocorrer gerando subprodutos em paralelo com a reação 
primária. A reações múltiplas em paralelo são do tipo:
FEED ➔ PRODUCT
FEED ➔ BYPRODUCT
FEED ➔ PRODUCT + BYPRODUCT1
FEED ➔ BYPRODUCT2 + BYPRODUCT3
FEED1 + FEED2 ➔ PRODUCT
FEED1 + FEED2 ➔ BYPRODUCT
FEED1 + FEED2 ➔ PRODUCT
FEED1 + FEED2 ➔ BYPRODUCT1 + BYPRODUCT2
Reações múltiplas paralelas resultam em perda de regente muitas vezes caro e, às vezes, geram subprodutos que se 
concentram, depositam ou envenenam catalisadores.
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.2 Tipos de Sistemas de Reacionais
Um exemplo de um sistema de reação paralelo ocorre 
na produção de óxido de etileno:
Reação principal
Reação lateral
6
Sistema com Múltiplas Reações (Reações em Série):
Ao invés das reações primárias e secundárias ocorrerem em paralelo elas podem ocorrer em série. A reações
múltiplas em série são do tipo:
FEED ➔ PRODUCT ➔ BYPRODUCT
FEED ➔ PRODUCT + BYPRODUCT1
PRODUCT ➔ BYPRODUCT2 + BYPRODUCT3
FEED1 + FEED2 ➔ PRODUCT ➔ BYPRODUCT1 + BYPRODUCT2
FEED1 + FEED2 ➔ PRODUCT + BYPRODUCT1
PRODUCT ➔ BYPRODUCT2 + BYPRODUCT3
Tal como acontece com as reações paralelas, as reações em série não só podem levar a perda de materiais e
produtos úteis, mas também levar subprodutos a serem depositados ou envenerarem catalisadores.
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.2 Tipos de Sistemas de Reacionais
Reação principal
Reação consecutiva
7
Sistema com Múltiplas Reações (Reações Série/Paralelo):
São reações mais complexas que combinam reações paralelas e em série. As reações série/paralelo são do tipo:
FEED ➔ PRODUCT ➔ BYPRODUCT
FEED ➔ BYPRODUCT
FEED ➔ PRODUCT ➔ BYPRODUCT2
FEED ➔ BYPRODUCT1
FEED1 + FEED2 ➔ PRODUCT ➔ BYPRODUCT2 + BYPRODUCT3
FEED1 + FEED2 ➔ BYPRODUCT1
FEED1 + FEED2 ➔ PRODUCT
FEED1 + PRODUCT ➔ BYPRODUCT1
FEED1 + BYPRODUCT1 ➔ BYPRODUCT2
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7.2 Tipos de Sistemas de Reacionais
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.2 Tipos de Sistemas de Reacionais
Sistema com Múltiplas Reações (Reações Série/Paralelo): Exemplo
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.2 Tipos de Sistemas de Reacionais
Reações de Polimerização:
Em reações de polimerização, moléculas de monômeros reagempara formar um polímero de elevado peso
molecular. Dependendo das propriedades mecânicas necessárias do polímero, uma mistura de monômeros pode
ser feita reagir em conjunto para produzir um copolímero de elevado peso molecular. Existem dois tipos amplos
de reações de polimerização:
• aquelas que envolvem um passo de término da reação;
• aquelas que não envolvem um passo de término da reação.
Um exemplo que envolve um passo de terminação é a polimerização por radicais livres de uma molécula de
alceno, conhecida como polimerização de adição. Um radical livre é um átomo ou fragmento livre de uma
molécula estável que contém um ou mais elétrons desemparelhados.
A polimerização requer um radical livre a partir de um composto iniciador tal como um peróxido. O iniciador
quebra para formar um radical livre (por exemplo, •CH3 ou •OH) que se liga a uma molécula de alceno e, assim,
gera outro radical livre e a reação vai acontecendo em cadeia.
As reações com o passo de término da reação seguem os passos de iniciação, propagação e término da reação.
Como exemplo podemos citar a polimerização do cloreto de vinila para a produção do policloreto de vinila (PVC).
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Em um radical livre, um dos
átomos contém um ou mais
elétrons sem seu par.
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.2 Tipos de Sistemas de Reacionais
Reações com etapa de terminação - Polimerização do cloreto de vinila:
Iniciação: 
Propagação: reação em cadeia 
Terminação: a reação é encerrada por etapas como a união de dois radicais que são consumidos mas não geram radicais
Levando a moléculas da estrutura
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.2 Tipos de Sistemas de Reacionais
Observações:
O passo de terminação interrompe o crescimento subseqüente da cadeia de polímero.
O período durante o qual o comprimento da cadeia cresce, isto é, antes da terminação, é conhecido como a vida
ativa do polímero.
São possíveis outras etapas de término.
A orientação dos grupos ao longo da cadeia de carbono, sua estereoquímica, é fundamental para as propriedades do
produto.
A estereoquímica da polimerização de adição pode ser controlada pela utilização de catalisadores.
Um polímero em que as unidades de repetição têm a mesma orientação relativa é denominado estereorregular.
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.2 Tipos de Sistemas de Reacionais
Reações sem etapa de terminação - Policondensação:
Aqui, o polímero cresce por esterificação sucessiva com eliminação de água e sem passo de terminação.
Os polímeros formados por monômeros de ligação com grupos de ácido carboxílico e aqueles que possuem grupos 
de álcool (são conhecidos como poliésteres).
Os polímeros deste tipo são amplamente utilizados na produção de fibras artificiais. Por exemplo, a esterificação
de ácido tereftálico com etilenoglicol produz poli (tereftalato de etileno ou PET).
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7.2 Tipos de Sistemas de Reacionais
Reações Bioquímicas:
As reações bioquímicas, muitas vezes referidas como fermentações, podem ser divididas em dois grandes tipos.
No primeiro tipo, a reação explora as vias metabólicas em micro-organismos selecionados (especialmente
bactérias, leveduras, fungos e algas) para converter a alimentação (substrato) em produto desejado. A forma geral
de tais reações é:
Ou:
Durante a reação os micro-organismos se reproduzem
Em tais reações os micro-organismos se reproduzem. Além do substrato outros nutrientes precisão ser adicionados
para a sobrevivência dos micro-organismos (exemplo, mistura contendo fósforo, magnésio, potássio, etc.). As
reações envolvendo micro-organismos incluem:
• hidrólise
• oxidação
• esterificação
• redução.
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.2 Tipos de Sistemas de Reacionais
Reações Bioquímicas - Produção de ácido cítrico a partir de glicose:
No segundo grupo, a reação é promovida por enzimas. As enzimas são as proteínas catalíticas produzidas por
micro-organismos que aceleram as reações bioquímicas com micro-organismos. As reações bioquímicas
empregando enzimas são da forma geral:
Ao contrário das reações que envolvem micro-organismos, nas reações enzimáticas o agente catalítico (a enzima) 
não se reproduz. Um exemplo no uso de enzimas é a isomerização de glicose para frutose:
Embora a natureza forneça muitas enzimas úteis, elas também podem ser “engenheiradas” para melhorar o
desempenho e as novas aplicações. As reações bioquímicas têm a vantagem de operar sob condições de reação
de temperatura e pressão medianas e geralmente são realizadas em um meio aquoso em vez de usar um
solvente orgânico.
15
Com exceção das reações de polimerização e bioquímicas, a performance de reação pode ser medida através dos 
seguintes parâmetros: 
 
Conversão = 
reagente consumido
reagente alimentado
 
Rendimento = 
produto desejado
reagente alimentado
fator estequiométrico
 
Seletividade = 
produto desejado
reagente consumido
fator estequiométrico
 
Fator estequiométrico = 
mols (estequiométrico) de reagente
mols (estequiométrico)de produto
Quando é necessário mais de um
reagente (ou mais de um produto
desejado produzido), as duas
equações abaixo podem ser
aplicadas a cada reagente (ou
produto)
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.3 Performance do Reator
Rendimento = Conversão x Seletividade
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Exemplo: Benzeno é produzido a partir do tolueno de acordo com a seguinte reação,
Parte do benzeno formado sofre uma reação secundária em série formando produtos indesejados, tal como o
difenil:
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.3 Performance do Reator
A Tabela a seguir fornece as composições das vazões de alimentação do reator e efluentes:
Componente Vazão de Entrada ((kmol/h) Vazão de Saída(kmol/h)
H2 1858 1583
CH4 804 1083
C6H6 - benzeno 13 282
C6H5CH3 - tolueno 372 93
C12H10 - difenil 0 4
Calcular a conversão, a seletividade e 
o rendimento com respeito a:
1. alimentação de tolueno.
2. alimentação de hidrogênio para a
produção de benzeno
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Exemplo: Produção de Benzeno - PFD
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.3 Performance do Reator
18
1. Calcular a conversão, a seletividade e o rendimento com respeito ao tolueno
 
Conversão = 
tolueno consumido
tolueno alimentado
=
372−93
372
= 0,75
 
Seletividade = 
benzeno produzido
tolueno consumido
fator est.=
282−13
372−93
.1= 0,96
 
Rendimento = 
benzeno produzido
tolueno alimentado
fator est.=
282−13
372
.1= 0,72
Exemplo: Produção de Benzeno – Solução
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.3 Performance do Reator
Comp.
Vazão de Entrada 
(kmol/h)
Vazão de Saída 
(kmol/h)
H2 1858 1583
CH4 804 1083
C6H6 13 282
C6H5CH3 372 93
C12H10 0 4
19
2. Calcular a conversão, a seletividade e o rendimento com respeito ao hidrogênio
 
Conversão = 
hidrogênio consumido
hidrogênio alimentado
=
1858−1583
1858
= 0,15
 
Seletividade = 
benzeno produzido
hidrogênio consumido
fator est.=
282−13
1858−1583
.1= 0,98
 
Rendimento = 
benzeno produzido
hidrogênio alimentado
fator est.=
282−13
1858
.1= 0,14
Exemplo: Produção de Benzeno – Solução
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to
r
Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.3 Performance do Reator
Embora a análise de performance possa ser conduzida para
ambos os reagentes, o foco de atenção deve ser o tolueno por
ser o reagente mais caro e limitante.
Comp.
Vazão de 
Entrada 
(kmol/h)
Vazão de 
Saída 
(kmol/h)
H2 1858 1583
CH4 804 1083
C6H6 13 282
C6H5CH3 372 93
C12H10 0 4
20
Observações:
1. Para reações reversíveis, a conversão na condição de equilíbrio é a maior conversão alcançável e sempre 
menor que 100%;
2. Seletividade é mais eficaz que rendimento para analisar a performance do reator.
3. Isto é devido a seletividade estar baseada no reagente consumido no reator e o rendimento está baseado
no reagente alimentado no reator. Este, o reagente alimentado, pode advir de alimentação “fresca” mais
advindo da corrente de reciclo.
4. Nem todo reagente alimentado é convertido em produto:
 
Seletividade = 
produto desejado
reagente consumido
fator estequiométrico
 
Rendimento = 
produto desejado
reagente alimentado
fator estequiométrico
P
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r
Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.3 Performance do Reator
21
Para se definir taxa de reação, um componente deve ser escolhido e a taxa de reação é definida em termos daquele
componente. Para reações homogêneas a taxa de reação é definida como o número de moles formado ou
consumido por unidade de tempo e por unidade de volume da mistura reacional:
 
r
i
=
1
V
dN
i
dt






ri : taxa de reação do componente i;
Ni : mols do componente i formado;
V : volume ocupado pela reação;
t : tempo 
P
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r
Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.4 Taxa de Reação
Se o volume for constante:
 
r
i
=
1
V
dN
i
dt






 
r
i
=
d
N
i
V






dt 
r
i
=
dC
i
dt






• ri < 0 se i for um reagente
• ri > 0 se i for um produto
22
Dada a seguinte reação irreversível geral: bB + cC + ... ➔ sS + tT + ...
As taxas de reação são relacionadas por:
 
−
r
B
b
= −
r
C
c
= −... =
r
S
s
=
r
T
t
= ...
Se a etapa controladora da reação for a colisão entre as moléculas reagentes, então a reação é dita elementar e a
taxa de reação segue a estequiometria:
 
−r
B
= k
B
C
B
bC
C
c...
 
−r
C
= k
C
C
B
bC
C
c ...
 
r
S
= k
S
C
B
bC
C
c...
 
r
T
= k
T
C
B
bC
C
c...
Ou seja, os expoentes a, b,... são as ordens de reação. As taxas de reação
também são função da temperatura. Geralmente seguem a lei de
Arrhenius, isto é, k= k0exp(-Ea/RT). Das expressões da taxa de reação acima
se obtém:
P
ro
f.
 H
u
m
b
e
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 M
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H
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n
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r
Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.4 Taxa de Reação
 
k
B
b
=
k
C
c
= ... =
k
S
s
=
k
T
t
= ...
Se não houver correspondência direta entre a estequiometria da reação e a taxa de reação, as reações são
chamadas de reações não elementares, e neste caso, as constantes de reação e as ordens de reação (β, δ, ε, ξ)
devem ser determinados experimentalmente:
 
−r
B
= k
B
C
B
C
C
...C
S
C
T
...
 
−r
C
= k
C
C
B
C
C
...C
S
C
T
...
 
r
S
= k
S
C
B
C
C
...C
S
C
T
...
 
r
T
= k
T
C
B
C
C
...C
S
C
T
...
➔
Se o mecanismo de reação envolver vários passos e reações intermediárias a forma que das equações das taxas de
reação pode ser bem mais complexa.
23
Se a reação for reversível: bB + cC + ... sS + tT + ...
 
−r
B
= k
B
C
B
bC
C
c...−k '
B
C
S
sC
T
t ...
 
−r
C
= k
C
C
B
bC
C
c...−k '
C
C
S
sC
T
t ...
 
r
S
= k
S
C
B
bC
C
c...−k '
S
C
S
sC
T
t ...
 
r
T
= k
T
C
B
bC
C
c...−k '
T
C
S
sC
T
t ...
Em que k e k' são as constantes das reações direta e inversa, respectivamente.
Se as reações direta e reversa não são elementares, talvez envolvam formação de intermediários em múltiplos
passos, a forma das equações da taxa de reação pode ser bem mais complexa do que as Equações acima.
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.4 Taxa de Reação
24
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.5 Modelos de Reatores Ideias
Reator Batelada Ideal
Neste tipo de reator os reagentes são carregados no início da operação. Os componentes são mantidos em mistura
perfeita durante o tempo de reação quando então os produtos são descarregados. A concentração muda com o
tempo, mas a mistura perfeita garante que tanto a concentração como a temperatura se mantêm uniforme em todo
o reator.
 
Mols do reagente
convertido





 = −ri = −
1
V
dN
i
dt






que integrando, chega-se a:
 
t =
dN
i
r
i
VNi 0
N
it

Em que:
t : tempo de batelada;
Ni0 : mols iniciais do componente i;
Nit : mols finais do componente i depois do tempo t
O balanço material para o componente reagente i leva a:
25
 
X
i
=
N
i0
−N
it
N
i0
N
it
= 1− X
i( )Ni 0
 
t = N
i0
dX
i
−r
i
V0
X
it

Em que:
“t” é o tempo de batelada. 
“Xit“ : conversão do componente i no tempo t.
Alternativamente, a taxa de reação pode ser expressa em termos de conversão da seguinte forma:
 
−r
i
=
N
i 0
V
dX
i
dt






 
−r
i
= −
1
V
dN
i
dt






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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.5 Modelos de Reatores Ideias
Para o caso em que o volume de reação permanece constante:
 
−r
i
= −
1
V
dN
i
dt






 
−r
i
= −
dC
i
dt






 
t = −
dC
i
−r
i
C
i 0
C
it

Em que:
t : tempo de batelada.
Ci0 : concentração inicial do componente i.
Cit : concentração final do componente i depois do tempo t.
26
Continuous Stirred Tank Reator (CSTR)
Neste reator a alimentação e a retirada são contínuos e o conteúdo do reator é mantido em mistura perfeita. A
concentração não muda com o tempo e a mistura perfeita garante que tanto a concentração como a temperatura se
mantêm uniforme em todo o reator. O tempo de residência de um elemento de fluido varia, podendo sair assim
que entrar no reator ou permanecer por um longo período
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.5 Modelos de Reatores Ideias
Substituindo Ni,out = Ni,in(1-Xi) na Equação acima:
Para o caso especial de um sistema de densidade constante, a Equação 
anterior pode ser substituída por dar:
27
Continuous Stirred Tank Reator (CSTR)
Tempo espacial (τ): é tempo gasto para processar o volume de um reator.
Velocidade espacial (s): é número de volumes de reatores processados em uma unidade de tempo. É o recíproco da 
velocidade espacial.
Em que F é a vazão volumétrica da alimentação.
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.5 Modelos de Reatores Ideias
28
Plug Flow Reactor (PFR)
Neste reator há uma mistura perfeita na direção radial e um fluxo empistonado na direção axial. Isso implica em
afirmar que não há diferença de concentração na direção radial mas existe diferença na direção axial. Considera-se
também que não há difusão axial. Devido ao movimento empistonado, todos os elementos de volume levam o
mesmo tempo para percorrer toda a extensão do reator.
P
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f.
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.5 Modelos de Reatores Ideias
Balanço de massa:
➔ ➔
➔
29
Plug Flow Reactor (PFR)
P
ro
f.
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.5 Modelos de Reatores Ideias
Para o caso especial de sistemas de densidade constante as equações anteriores podem ser escritas como:
Em que F é a vazão volumétrica da alimentação. 
30
τ (space-time) ➔ tempo gasto para processar o volume de um reator
 
t
batelada ideal
= 
PFR
 
t = −
dC
i
−r
iCi 0
C
it

 
 = −
dC
i
−r
iCi ,in
C
i ,out

Tempo espacial de um PFR x Reator Batelada Ideal
P
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r
Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.5 Modelos de Reatores Ideias
31
Comparação do tempo de residência entre um PFR/Reator Batelada Ideal e um CSTR para as mesmas 
concentrações de entrada e saída.
 
 =
V
F
 

CSTR
=
V
CSTR
F 

PFR
=
V
PFR
F
 

CSTR

PFR
para um mesmo F
 
V
CSTR
V
PFR
No caso do reator CSTR, a concentração
Ci,in é rapidamente baixada para Ci,out
diluindo-se a entrada e diminuindo o a
taxa de reação, por isso o reator necessita
de um maior tempo reação.
Tempo espacial de um PFR x CSTR
P
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.5 Modelos de Reatores Ideias
32
No caso de reação autocatalítica a taxa começa baixa porque pouco produto está presente. Mas aumenta à
medida que o produto é formado. A taxa atinge o máximo e depois diminui à medida que o reagente é consumido.
Isso está ilustrado na Figura abaixo. Em tal situação, seria melhor usar uma combinação de tipos de reator para
minimizar o volume de um determinado fluxo.
Tempo espacial de um PFR x CSTR
P
ro
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 H
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.5 Modelos de Reatores Ideias
Deve ser utilizado um reator CSTR misto até atingir a taxa
máxima e o produto intermédio alimentado a um reator PFR.
Alternativamente, se a separação e reciclo de material não
convertido for possível, um reator CSTR deve ser usado até o
pontoonde a velocidade máxima é alcançada, então o material
não convertido é separado e reciclado de volta para a entrada
do reator.
Se essa opção de separação e reciclo é econômica ou não
dependerá do custo de separação e de reciclagem de material.
33
7.6.1 Sistema Unirreacionais
Considere o sistema reacional:
Em que:
r : taxa de reação.
k : constante da taxa de reação.
CFEED : concentração molar de FEED.
a : ordem da reação.
• Quanto maior a concentração maior é a taxa de reação.
• No CSTR a alimentação é instantaneamente diluída pelo produto que já foi formado.
• A taxa de reação é, portanto, menor no reator CSTR do que no PFR.
• Reator CSTR requer um volume maior do que um reator PFR ou batelada.
• Para reações simples um reator PFR ou batelada rende menor volume de reator.
• Quando o foco está no custo de construção do reator se o sistema é unirreacional reator PFR ou batelada 
deve ser escolhido.
CFEED ↑ ➔ ri ↑ ➔ VCSTR > VPFR 
P
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.6 Escolha do Modelo de Reator Ideal
34
FEED ➔ PRODUCT Reação Primária
 
r
1
= k
1
C
FEED
a
1
FEED ➔ BYPRODUCT Reação Secundária r2 = k2CFEEDa2
 
r
1
r
2
=
k
1
k
2
C
FEED
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1
−a
2
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.6 Escolha do Modelo de Reator Ideal
7.6.2 Reações Múltiplas em Paralelo que Produzem Subprodutos
Em que:
r1 e r2 : taxas de reação.
k1 e k2 : constantes da taxa de reação.
CFEED : concentração molar de FEED
a1 e a2 : ordens de reação.
Seletividade ↑ ➔ razão ↑ 
Se a1 > a2➔ quanto maior a concentração CFEED maior a razão r1/r2 e maior a seletividade para o produto desejado.
Portanto, deve-se usar o reator PFR ou Batelada Ideal por render com maiores concentrações.
Se a1 < a2➔ quanto maior a concentração CFEED menor a razão r1/r2 e menor a seletividade para o produto
desejado. Portanto, deve-se usar o reator CSTR por render com menores concentrações.
Reações do tipo:
35
FEED1 + FEED2 ➔ PRODUCT Reação Primária
 
r
1
= k
1
C
FEED1
a
1 C
FEED2
b
1
FEED1 + FEED2 ➔ BYPRODUCT Reação Secundária
 
r
2
= k
2
C
FEED1
a
2 C
FEED2
b
2
 
r
1
r
2
=
k
1
k
2
C
FEED1
a
1
−a
2 C
FEED2
b
1
−b
2
P
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.6 Escolha do Modelo de Reator Ideal
7.6.2 Reações Múltiplas em Paralelo que Produzem Subprodutos
Reações do tipo:
Em que:
r1 e r2 : taxas de reação.
k1 e k2 : constantes da taxa de reação.
CFEED1 e CFEED2 : concentrações molares dos reagentes
a1 e b1 : ordens de reação da reação primária
a2 e b2 : ordens de reação da reação secundária.
Seletividade ↑ ➔ razão ↑ 
a1 > a2 e b1 > b2: quanto maior as concentrações CFEED1 e CFEED2 maior a razão r1/r2 maior será a seletividade para o 
produto desejado. Portanto, deve-se usar o reator PFR ou Batelada Ideal por render maiores 
concentrações.
a1 < a2 e b1 < b2: quanto maior as concentrações CFEED1 e CFEED2 menor a razão r1/r2 e menor a seletividade para o 
produto desejado. Portanto, deve-se usar o reator CSTR por render menores concentrações.
36
FEED1 + FEED2 ➔ PRODUCT Reação Primária
 
r
1
= k
1
C
FEED1
a
1 C
FEED2
b
1
FEED1 + FEED2 ➔ BYPRODUCT Reação Secundária
 
r
2
= k
2
C
FEED1
a
2 C
FEED2
b
2
 
r
1
r
2
=
k
1
k
2
C
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1
−a
2 C
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1
−b
2
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.6 Escolha do Modelo de Reator Ideal
7.6.2 Reações Múltiplas em Paralelo que Produzem Subprodutos
Reações do tipo:
Em que:
r1 e r2 : taxas de reação.
k1 e k2 : constantes da taxa de reação.
CFEED1 e CFEED2 : concentrações molares dos reagentes
a1 e b1 : ordens de reação da reação primária
a2 e b2 : ordens de reação da reação secundária.
Seletividade ↑ ➔ razão ↑ 
a1 > a2 e b1 < b2: neste caso deve-se manter CFEED1 alta e CFEED2 baixa para que se tenha maior razão r1/r2 e maior 
seletividade para o produto desejado. Portanto, deve-se usar um dos reatores abaixo:
37
FEED1 + FEED2 ➔ PRODUCT Reação Primária
 
r
1
= k
1
C
FEED1
a
1 C
FEED2
b
1
FEED1 + FEED2 ➔ BYPRODUCT Reação Secundária
 
r
2
= k
2
C
FEED1
a
2 C
FEED2
b
2
 
r
1
r
2
=
k
1
k
2
C
FEED1
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−a
2 C
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.6 Escolha do Modelo de Reator Ideal
7.6.2 Reações Múltiplas em Paralelo que Produzem Subprodutos
Reações do tipo:
Em que:
r1 e r2 : taxas de reação.
k1 e k2 : constantes da taxa de reação.
CFEED1 e CFEED2 : concentrações molares dos reagentes
a1 e b1 : ordens de reação da reação primária
a2 e b2 : ordens de reação da reação secundária.
Seletividade ↑ ➔ razão ↑ 
a1 < a2 e b1 > b2: neste caso deve-se manter CFEED1 baixa e CFEED2 alta para que se tenha maior razão r1/r2 e maior 
seletividade para o produto desejado. Portanto, deve-se usar um dos reatores abaixo:
Conclusão: Para reações múltiplas em paralelo com formação de subprodutos o foco passa a ser a seletividade e a
seleção do reator depende da(s) ordem(ens) da(s) reação(ões).
38
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.6 Escolha do Modelo de Reator Ideal
7.6.2 Reações Múltiplas em Paralelo que Produzem Subprodutos
39
Assim, reatores bateladas ou tubulares (PFR) devem ser usados para reações múltiplas em série.
FEED ➔ PRODUCT Reação Primária
 
r
1
= k
1
C
FEED
a
1
PRODUCT ➔ BYPRODUCT Reação Secundária
 
r
2
= k
2
C
PRODUCT
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2
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.6 Escolha do Modelo de Reator Ideal
7.6.3 Reações Múltiplas em Série que Produzem Subprodutos
Reações do tipo:
r1 ↑ e r2 ↓ ➔ PFR ou batelada
Conclusão: Para reações múltiplasem série com formação de subprodutos o foco é a seletividade mas que,
neste caso, a seleção também coincide com o reator de menor volume
40
FEED ➔ PRODUCT Reação Primária
Em que:
r1, r2 e r3 : taxas de reação.
k1, k2 e k3 : constantes da taxa de reação.
CFEED e CPRODUCT : concentrações molares de FEED e PRODUCT.
a1, a2 e a3 : ordens de reação da reações primária e secundárias.
 
r
1
= k
1
C
FEED
a
1
FEED ➔ BYPRODUCT Reação Secundária
 
r
2
= k
2
C
FEED
a
2
PRODUCT ➔ BYPRODUCT Reação Secundária
 
r
3
= k
3
C
PRODUCT
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3
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.6 Escolha do Modelo de Reator Ideal
7.6.4 Reações Múltiplas em Paralelo e em Série Produzindo Subprodutos
Reações do tipo:
 
r
1
r
2
=
k
1
k
2
C
FEED
a
1
−a
2
No que se refere à reação paralela do subproduto, para uma alta seletividade, se:
a1 > a2 : quanto maior a concentração CFEED maior a razão r1/r2 e maior a seletividade para o produto desejado. 
Portanto, deve-se usar o reator PFR ou Batelada Ideal por render concentrações maiores.
a1 < a2 : quanto maior a concentração CFEED menor a razão r1/r2 e menor a seletividade para o produto desejado. 
Portanto, deve-se usar o reator CSTR por render concentrações menores.
(Analisando reações 1 e 2)
41
FEED ➔ PRODUCT ➔ BYPRODUCT r1 = k1CFEED
a
1
 
r
2
= k
2
C
FEED
a
2
 
r
3
= k
3
C
PRODUCT
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3
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.6 Escolha do Modelo de Reator Ideal
7.6.4 Reações Múltiplas em Paralelo e em Série Produzindo Subprodutos
A reação em série que forma subproduto a partir do produto requer um reator PFR ou batelada porque eles
mantêm CFEED elevado e CPRODUCT mais baixo.
Então, para o sistema paralelo e em série como um todo, se:
a1 > a2 : Reação em paralelo ➔ PRF/Batelada e Reação em série ➔ PRF/Batelada ➔ PFR/Batelada é o escolhido.
a1 < a2 : Reação em paralelo ➔ CSTR e Reação em série ➔ PRF/Batelada ➔ E ai??????
(Analisando reações 1 e 3)
Neste caso, a reação paralela demanda um reator CSTR e a reação em série demanda um reator PFR ou 
Batelada. Portanto, a solução será um arranjo entre estes dois tipos de reatores.
42
FEED ➔ PRODUCT Reação Primária
 
r
1
= k
1
C
FEED
a
1
FEED ➔ BYPRODUCT Reação Secundária
 
r
2
= k
2
C
FEED
a
2
PRODUCT ➔ BYPRODUCT Reação Secundária
 
r
3
= k
3
C
PRODUCT
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3
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.6 Escolha do Modelo de Reator Ideal
7.6.4 Reações Múltiplas em Paralelo e em Série Produzindo Subprodutos
Reações do tipo:
Se a1 < a2 então possíveis soluções seriam:
Série de reatores CSTR➔
Reator PFR com reciclo➔
Combinação em série de reatores PFR e CSTR➔
Neste caso, o reciclo acaba diluindo 
FEED no reator, mas ao mesmo tempo 
permite ter maior concentração de 
PRODUCT dentro do reator 
O arranjo que dá a maior seletividade global só pode ser
deduzido por uma análise detalhada e otimização do sistema
de reação. Isso será tratado em capítulo a parte!!!
43
Os polímeros são caracterizados pela distribuição de peso molecular em torno de um peso molecular médio. A
distribuição do peso molecular tem impacto nas propriedades mecânicas do polímero, entre outras.
A orientação dos grupos ao longo da cadeia, assim como a ligação cruzada das cadeias de polímeros afetam as
propriedades do polímero.
A distribuição do peso molecular depende fortemente do tipo de reator utilizado.
Duas classes de reações de polimerização são identificadas:
• Reações com etapa de terminação
• Reações sem etapa de terminação
O foco deve ser peso molecular médio das cadeias de polímeros formadas, visto que a distribuição de peso
molecular afeta as propriedades mecânicas e outras propriedades finais do polímero.
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.6 Escolha do Modelo de Reator Ideal
7.6.5 Reações de Polimerização
44
Reações com Etapa de Terminação
Quando a polimerização se dá envolvendo radicais livres, a vida destes centros ativos de crescimento pode ser
extremamente curta por conta da etapa de término quando dois radicais livres se unem. Este processo é
influenciado pela concentração dos radicais livres, a qual é proporcional à concentração do monômero.
Em reatores batelada e PFR as concentrações de monômero e radicais livre diminuem com o tempo ou posição
axial, respectivamente. Desta forma, o crescimento de cadeias de polímeros são favorecidos mas que podem
apresentar distribuição de peso molecular. O reator CSTR mantém concentração uniforme de monômero e,
portanto, taxa de finalização (término) constante. O tempo de residência não tem efeito importante.
Reações sem Etapa de Terminação
Em reatores batelada e PFR o tempo de residência de todas as moléculas é o mesmo e sem o efeito da etapa de
terminação. Todas as moléculas crescem com aproximadamente igual em comprimento. Em reatores CSTR, por
outro lado, há uma distribuição de peso molecular devido à distribuição do tempo de residência.
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.6 Escolha do Modelo de Reator Ideal
7.6.5 Reações de Polimerização
45
Existem duas classes de reações bioquímicas:
1. Reações que exploram uma rota metabólica em micro-organismos selecionados:
 A
C
⎯→⎯ R+ C
 
−r
A
= k
C
C
C
A
C
A
+C
MEm que:
rA : taxa de reação;
k : constante da taxa de reação (influenciada por vários fatores);
CC : concentração de células (microorganismos)
CA : concentração de alimentação
CM : constante de Michaelis que é função da reação e condições
Temperatura,
vitaminas, substâncias
tóxicas, intensidade
de luz, etc.
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.6 Escolha do Modelo de Reator Ideal
7.6.6 Reações Bioquímicas
• A taxa de reação depende não somente da alimentação A, mas também dos rejeitos produzidos pelos micro-
organismos que impedem sua multiplicação.
• Excesso de A ou micro-organismos torna a reprodução mais lenta.
46
Existem duas classes de reações bioquímicas:
1. Reaçõesque exploram uma rota metabólica em micro-organismos selecionados:
 A
C
⎯→⎯ R+ C
 
−r
A
= k
C
C
C
A
C
A
+C
M
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.6 Escolha do Modelo de Reator Ideal
7.6.6 Reações Bioquímicas
Ci
-1/ri
• Desconsiderando o envenenamento na cinética de reação
devido ao acúmulo de material excretado pelos micro-
organismos, a taxa de reação gera uma curva com as
mesmas características de uma reação auto-catalítica
47
Ci,inCi,out
Ci
-1/ri
τ = V/F
CSTR
1. Reações que exploram uma rota metabólica em micro-organismos selecionados:
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.6 Escolha do Modelo de Reator Ideal
7.6.6 Reações Bioquímicas
• A seleção do reator depende da concentração da alimentação e da concentração de saída do reator. Pode-se
requerer apenas um PFR, um CSTR, a combinação deles ou um CSTR com reciclo.
48
Ci,inCi,out
Ci
-1/ri
τ = V/F
PFR
1. Reações que exploram uma rota metabólica em micro-organismos selecionados:
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.6 Escolha do Modelo de Reator Ideal
7.6.6 Reações Bioquímicas
• A seleção do reator depende da concentração da alimentação e da concentração de saída do reator. Pode-se
requerer apenas um PFR, um CSTR, a combinação deles ou um CSTR com reciclo.
49
Ci,inCi,out
Ci
-1/ri
τ = V/F
PFR
τ = V/F
CSTR
1. Reações que exploram uma rota metabólica em micro-organismos selecionados:
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.6 Escolha do Modelo de Reator Ideal
7.6.6 Reações Bioquímicas
• A seleção do reator depende da concentração da alimentação e da concentração de saída do reator. Pode-se
requerer apenas um PFR, um CSTR, a combinação deles ou um CSTR com reciclo.
50
 A
Enzimas
⎯ →⎯⎯ R
 
−r
A
= k
C
E
C
A
C
A
+C
M
Em que:
rA : taxa de reação;
k : constante de reação
CE : concentração de enzimas
CA : concentração de alimentação
CM : constante de Michaelis
A algumas substâncias são conhecidas como inibidoras por competir com o substrato A por sítios ativos da enzima 
ou por ocupar um sítio ativo e impedindo que A chegue até o sítio vizinho por conta de sua ocupação espacial 
(impedimento estérico).
A taxa de reação é favorecida por altas concentrações de enzimas e de A, o que requer um PFR ou um reator
batelada.
2. Reações catalisadas por enzimas:
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.6 Escolha do Modelo de Reator Ideal
7.6.6 Reações Bioquímicas
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.7 Performance do Reator
Agora é possível definir os objetivos para a escolha do reator nesta fase do projeto. O material não convertido
geralmente pode ser separado e reciclado mais tarde. Devido a isso, a conversão do reator não pode ser fixada até
o projeto ter avançado muito mais do que apenas escolher o reator. Como se verá mais adiante, a escolha da
conversão do reator tem uma grande influência sobre o resto do processo.
No entanto, algumas decisões devem ser tomadas em relação ao reator para que o projeto prossiga. Para isso uma
conversão inicial é considerada com o conhecimento de que isso provavelmente mudará quando detalhes são
adicionados ao projeto total do sistema.
FEED ➔ PRODUCT
 
r
1
= k
1
C
FEED
a
1
FEED ➔ BYPRODUCT
 
r
2
= k
2
C
FEED
a
2
a1 > a2
FEED
PRODUCT
BYPRODUCT
FEED
FEED não reagido
FEED
PRODUCT
PRODUCT
BYPRODUCT
Reator??? 
PFR!!!
52
Explorar o projeto do reator!!!
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.7 Performance do Reator
Vreator ↑ → FEEDreagido ??? Vreator ↑ → FEEDreagido ↑ 
FEED
PRODUCT
BYPRODUCT
FEED
FEED não reagido
FEED
PRODUCT
PRODUCT
BYPRODUCT
53
Afeta o sistema de separação
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.7 Performance do Reator
FEEDreagido ↑ → PRODUCT e BYPRODUCT ???
FEEDNão reagido ???
FEEDreagido ↑ → PRODUCT e BYPRODUCT ↑
FEEDNão reagido ↓
FEED
PRODUCT
BYPRODUCT
FEED
FEED não reagido
FEED
PRODUCT
PRODUCT
BYPRODUCT
54
FEED
FEED
PRODUCT
BYPRODUCT
FEED não 
reagido
PRODUCT
BYPRODUCT
PRODUCT
Novo sistema de separação
P
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.7 Performance do Reator
55
• Em reações deste tipo o objetivo é minimizar o capital de investimento do reator o que, muitas vezes, 
significa reduzir seu volume. No entanto, ao se reduzir o volume, pode-se diminuir a conversão.
• Para reações simples irreversíveis considera-se inicialmente conversão igual a 95%.
• Para reações simples reversíveis considera-se inicialmente conversão igual a 95% da conversão de equilíbrio.
7.7.1 Reações Simples
FEED ➔ PRODUCT
FEED ➔ PRODUCT + BYPRODUCT
FEED1 + FEED2 ➔ PRODUCT
P
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f.
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.7 Performance do Reator
56
Reações do tipo:
• Reações Múltiplas em ParaleloProduzindo Subprodutos
• Reações Múltiplas em Série Produzindo Subprodutos
• Reações Múltiplas em Paralelo e em Série Produzindo Subprodutos
$
Matéria Prima
Dominam os 
resultados 
econômicos de um 
projeto
Foco na 
seletividade
7.7.2 Reações Múltiplas
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.7 Performance do Reator
57
• Reações Múltiplas em Paralelo Produzindo Subprodutos: maximizar a seletividade!
FEED ➔ PRODUCT
FEED ➔ BYPRODUCT
 
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1
r
2
=
k
1
k
2
C
FEED
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2
 
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= k
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C
FEED
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1
 
r
2
= k
2
C
FEED
a
2
Se a1 > a2➔ seletividade diminui com o aumento da conversão!
• Para reações irreversíveis considera-se inicialmente conversão igual a 50% (PFR de volume pequeno).
• Para reações reversíveis considera-se inicialmente conversão igual a 50% da conversão de equilíbrio.
Altas conversões 
significa que CFEED
é baixa
Valores alterados a media que há progresso 
no desenvolvimento do projeto
7.7.2 Reações Múltiplas
P
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f.
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.7 Performance do Reator
58
FEED ➔ PRODUCT
FEED ➔ BYPRODUCT
 
r
1
r
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=
k
1
k
2
C
FEED
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1
−a
2
 
r
1
= k
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C
FEED
a
1
 
r
2
= k
2
C
FEED
a
2
• Para reações irreversíveis considera-se inicialmente conversão igual a 95% (CSTR de grande volume)
• Para reações reversíveis considera-se inicialmente conversão igual a 95% da conversão de equilíbrio.
Altas conversões 
significa que CFEED
é baixa
• Reações Múltiplas em Paralelo Produzindo Subprodutos: maximizar a seletividade!
7.7.2 Reações Múltiplas
P
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.7 Performance do Reator
Se a1 < a2➔ seletividade aumenta com o aumento da conversão!
59
• Em reações deste tipo a seletividade aumenta para baixas concentrações de reagente envolvidos na reação
secundária. Uma estimativa inicial de conversão é muito difícil de ser estimada.
• Para reações irreversíveis considera-se inicialmente conversão igual a 50% (PFR de volume pequeno).
• Para reações reversíveis considera-se inicialmente conversão igual a 50% da conversão de equilíbrio.
• Reações Múltiplas em Série Produzindo Subprodutos: maximizar a seletividade!
7.7.2 Reações Múltiplas
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.7 Performance do Reator
FEED ➔ PRODUCT
PRODUTO ➔ BYPRODUCT
 
r
1
= k
1
C
FEED
a
1
 
r
2
= k
2
C
PRODUCT
a
2
• Reações Múltiplas em Geral:
• Múltiplas reações também podem ocorrer com impurezas que entram no sistema com os reagentes e que
podem sofrer reação.
• Reações deste tipo deveriam ser minimizadas. Não alterando as condições da reação, mas através de um
sistema de purificação da alimentação.
60
Exercício 1: Anidrido acético é produzido a partir da acetona e do ácido acético. No primeiro estágio do processo, a
acetona é decomposta a 700°C e 1 atm em ceteno e metano de acordo com a seguinte reação:
No entanto, o ceteno se decompõe em uma reação indesejada da seguinte forma:
P
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.8 Aplicações
Estudos de laboratório indicam que a seletividade do ceteno diminui com a conversão de acordo com a seguinte 
relação:
S = 1 – 1,3X
 
 X =
mols de acetona consumidos
mols de acetona alimentados
 
 
 S =
mols de ceteno produzidos
mols de acetona consumidos
 
O segundo estágio da reação ocorre de acordo com a seguinte reação a 80°C e 1 atm:
61
As seguintes informações são fornecidas:
P
ro
f.
 H
u
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b
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 M
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H
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.8 Aplicações
Assumindo que a nova planta terá produção anual de
15.000 toneladas/ano de anidrido acético, determine:
a. O potencial econômico assumindo que a reação em
série indesejada pode ser suprimida.
b. O intervalo de conversões de acetona dentro do qual
a planta será lucrativa, caso a reação em série
indesejada não possa ser desprezada.
Solução: 
a. Assumindo que a reação paralela indesejada pode ser suprimida, então, pela estequiometria temos:
CH3COCH3 ➔ CH2CO + CH4
CH2CO + CH3COOH ➔ CH3COOCOCH3
CH3COCH3 + CH3COOH ➔ CH3COOCOCH3 + CH4 (global)
62
Cálculo do Potencial Econômico
Reação C3H6O + C2H4O2 ➔ C4H6O3 + CH4
kmol 1 1 1 1
Peso Molecular (kg/kmol) 58 60 102 16
kg 58 60 102 16
kg/kg Anidrido Acético 0,569 0,588 1 0,157
$/kg 0,60 0,54 0,90 0
Total 0,341 0,318 0,90 0
Margem Bruta 0,90 – 0,318 – 0,341 = 0,241
Margem Bruta (15.000) 0,241 x 15.000.000 = 3.615.000 $/ano
P
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r
Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.8 Aplicações
Solução: 
Podemos construir a Tabela Estequiométrica abaixo:
63
Solução: 
b. O intervalo de conversões de acetona dentro do qual a planta será lucrativa, caso a reação em série não possa 
ser desprezada.
P
ro
f.
 H
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.8 Aplicações
 
 S =
mols de ceteno produzidos
mols de acetona consumidos
 
➔
S moles de ceteno produzidos
CH3COCH3 ➔ CH2CO + CH4
Acetona Ceteno Metano
1° Estágio – Reação Primária
Ceteno
(rota indesejado)
1 CH3COCH3➔
Acetona Ceteno
( rota desejado) 
Metano
1° Estágio – Reação Primária
S 1-S
S CH2CO + (1-S) CH2CO + 1 CH4
64
CH2CO + CH3COOH ➔ CH3COOCOCH3
ceteno ácido acético anidrido acético
S S S
2° estágio – Reação em Série Desejada
CH2CO ➔ ½ C2H4 + CO
ceteno etileno monóxido de carbono
(1-S) ½ (1-S) (1-S)1° estágio – Reação Secundária em Série
CH3COCH3 ➔ CH2CO + CH2CO + CH4
acetona ceteno metano
1 S (1-S) 1
1° Estágio – Reação Primária
ceteno
P
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.8 Aplicações
Solução: base de cálculo = 1 kmol de acetona ➔
 
 S =
mols de ceteno produzidos
mols de acetona consumidos
 
➔ S moles de ceteno produzidos
S = 1 – 1,3X
X ≤ 76,92%
S ≥ 0
65
Cálculo do Potencial Econômico
Reagentes Produtos
Acetona Ác. Acético A. Acético Etileno CO Metano
Reação C3H6O C2H4O2 C4H6O3 ½ C2H4 CO CH4
kmol 1 S S ½ (1-S) (1-S) 1
PM (kg/kmol) 58 60 102 28 28 16
kg 58 60S 102S 14(1-S) 28(1-S) 16
$/kg 0,60 0,54 0,90 0,00 0,00 0,00
Total 34,8 32,4S 91,8S 0 0 0
ácido acético acetona
1
CH3COCH3 + CH3COOH ➔ CH3COOCOCH3 + ½ C2H4 + CO + CH4
S
metanoetileno m. carb.
1½ (1-S) (1-S)S
anidrido acético
Reagentes Produtos
P
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.8 Aplicações
Solução: base de cálculo = 1 kmol de acetona ➔
 
 S =
mols de ceteno produzidos
mols de acetona consumidos
 
S moles de ceteno produzidos
66
 
91,8S − 32,4S +34,8( ) 0
Para que o potencial econômico seja positivo: 
 S  0,586
 S =1−1,3X
Como S é dado por:
 1−1,3X 0,586
X ≤ 31,86%
P
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.8 Aplicações
Solução: base de cálculo = 1 kmol de acetona ➔
 
 S =
mols de ceteno produzidos
mols de acetona consumidos
 
S moles de ceteno produzidos
Logo:
67
Em que R é o produto desejado e S é um sub-produto indesejado.
Solução: 
Exercício 2: Qual configuração de reator você usaria para maximizar a seletividade nas seguintes reações paralelas?
P
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.8 Aplicações
 
r
R
r
S
=
15C
A
0,5C
B
15C
A
C
B 
r
R
r
S
=
1
C
A
0,5
68
 
−r
A
= kC
A
 A→B
Exercício 3: O componente A reage de forma irreversível para formar o componente B em fase líquida e seguindo
uma taxa de reação de primeira ordem com respeito a A com constante de reação k = 0,003/min. Encontre o tempo
de residência considerando uma conversão de 95% de A para um reator:
a. CSTR.
b. PFR.
c. 3 CSTR em série com mesmo volume.
P
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.8 Aplicações
➔
Solução:
 
X
A
=
C
A,in
−C
A,out
C
A,in
 
0,95C
A,in
= C
A,in
−C
A,out
 
C
A,in
= 20C
A,out
➔ ➔
 
 =
C
A,in
−C
A,out
−r
A
=
C
A,in
−C
A,out
kC
A,out
=
20C
A,out
−C
A,out
kC
A,out
=
19
0,003
= 6.333,33min
 
 =
6.333,33
60
=105,56 h= 4,4 dias
a. CSTR
69
 
C
A,in
= 20C
A,out
b. PFR
 
 = −
dC
A
−r
ACA ,in
C
A ,out

 
 = −
dC
A
kC
ACA ,in
C
A ,out

 
 = −
1
k
ln
C
A,out
C
A,in
= −
ln0,05
0,003
= 998,57min= 16,6 h
P
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.8 Aplicações
➔➔ ➔
c. 3 CSTR em série
V1 = V2 = V3
Fin = F1 = F2 = F3 = Fout
Estado Estacionário
ρ = cte
τ1 = τ2 = τ3 = τ
 
C
A,in
= 20C
A,out
Conversão Global de 95%➔
 
 =
C
A,in
−C
A,1
kC
A,1
 
C
A,in
= C
A,1
k +1( )
 
 =
C
A,1
−C
A,2
kC
A,2
 
C
A,1
=C
A,2
k +1( )
 
 =
C
A,2
−C
A,out
kC
A,out
 
C
A,2
= C
A,out
k +1( )
70
 
C
A,in
= C
A,out
k +1( )
3
 
C
A,in
= C
A,1
k +1( )
 
C
A,1
=C
A,2
k +1( )
 
 = 20
3
−1
0,003





 = 571,47min= 9,52 h
 
C
A,2
= C
A,out
k +1( )
 
20C
A,out
= C
A,out
k +1( )
3
Tempo de residência total = 3τ = 3 x 9,52 = 28,56 h
P
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Capítulo 7: Sistemas de Reação I – Escolha do Reator
7.8 Aplicações
c. 3 CSTR em série
➔ ➔

Outros materiais