20140530 - Cinética Química Aplicada -

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06/06/2014
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8. Introdução a Reatores Químicos
8.1. Introdução
8.2. Tipos de processos
8.3. Reatores ideais básicos
8.4. Sistemas contínuos: conceitos gerais
8.5. Equação geral de balanço de massa
8.6. Equações gerais de reatores ideais
8.6.1. Reator descontínuo ideal
8.6.2. Reator de mistura ideal (contínuo)
8.6.3. Reator tubular ideal (contínuo)
Cinética Química Aplicada
(LOQ 4003)
Até agora, temos considerado a expressão matemática da equação de
velocidade, que descreve o progresso de uma reação homogénea.
Esta equação descreve a variação de um componente por um
período de tempoem função das condições ambiente do sistema.
RA
) volumede região dainterior no condições(
1
Vf
dt
dN
V
r
reação
A
A 






8.1. Introdução
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Em projeto de reatores, nós queremos saber
que capacidade, qual tipo de reator e que
método de operação são os melhores para uma
dada tarefa.
8.1. Introdução
RA







reação
A
A
dt
dN
V
r
1
8. Introdução a Reatores Químicos
8.1. Introdução
8.2. Tipos de processos
8.3. Reatores ideais básicos
8.4. Sistemas contínuos: conceitos gerais
8.5. Equação geral de balanço de massa
8.6. Equações gerais de reatores ideais
6.6.1. Reator descontínuo ideal
6.6.2. Reator de mistura ideal (contínuo)
6.6.3. Reator tubular ideal (contínuo)
Cinética Química Aplicada
(LOQ 4003)
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8.2. Tipos de Processos
Os três tipos de processos mais comuns são os seguintes: 
8. Introdução a Reatores Químicos
8.1. Introdução
8.2. Tipos de processos
8.3. Reatores ideais básicos
8.4. Sistemas contínuos: conceitos gerais
8.5. Equação geral de balanço de massa
8.6. Equações gerais de reatores ideais
8.6.1. Reator descontínuo ideal
8.6.2. Reator de mistura ideal (contínuo)
8.6.3. Reator tubular ideal (contínuo)
Cinética Química Aplicada
(LOQ 4003)
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Reator de Mistura – CSTR
(continuous stirred tank reactor)
Forma de condução: contínua
Composição no volume reacional: uniforme
Reator Tubular – PFR (plug flow reactor)
Forma de condução: continua
Composição no volume reacional: variável
8.3. Os Reatores Ideais Básicos
“Batch Reactor” ou Reator Descontínuo
Forma de operação: Batelada
Composição no volume reacional: Uniforme
Reator de Mistura – CSTR
(continuous stirred tank reactor)
Forma de condução: contínua
Composição no volume reacional: uniforme
Reator Tubular – PFR (plug flow reactor)
Forma de condução: continua
Composição no volume reacional: variável
8.3. Os Reatores Ideais Básicos
“Batch Reactor” ou Reator Descontínuo
Forma de operação: Batelada
Composição no volume reacional: Uniforme
Operação descontínua
Operação contínua
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8.3. Os Reatores Ideais Básicos
3.1- 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 única vez deste reator.
Em inglês é conhecido como: Batch Reactor
Batch Reactor
8.3. Os Reatores Ideais Básicos
3.1- Reator de mistura – é um tanque agitado com escoamento contínuo e 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).
CSTR
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8.3. Os Reatores Ideais Básicos
3.3 - Reator Tubular – 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). 
PFR
8.3. Os Reatores Ideais Básicos
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:
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8. Introdução a Reatores Químicos
8.1. Introdução
8.2. Tipos de processos
8.3. Reatores ideais básicos
8.4. Sistemas contínuos: conceitos gerais
8.5. Equação geral de balanço de massa
8.6. Equações gerais de reatores ideais
8.6.1. Reator descontínuo ideal
8.6.2. Reator de mistura ideal (contínuo)
8.6.3. Reator tubular ideal (contínuo)
Cinética Química Aplicada
(LOQ 4003)
8.4. Sistemas contínuos: Conceitos Gerais
Velocidade molar (ou vazão molar) - FA0 : é a razão entre o número de mols pelo tempo. 
Vazão - 0 : é a relação entre o volume por unidade de tempo. 
Tempo espacial -  : tempo requerido para processar um volume de alimentação, 
correspondente a um volume de reator, medido em condições especificadas. 
Velocidade espacial - s : número de volumes de reator que foram alimentados, em 
condições especificadas e que podem ser tratados na unidade de tempo.
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8.4. Sistemas contínuos: Conceitos Gerais
FA0 (mols / tempo)
0 (volume / tempo)
CA0 (concentração 
de A na alimentação) 
FA ou FAf (mols / tempo)
 ouf (volume / tempo)
CA ou CAf (concentração de A na saída) 
XA ou XAf (conversão de A na saída) 
FA ou FAf (mols / tempo)
 ouf (volume / tempo)
CA ou CAf (concentração de A na saída) 
XA ou XAf (conversão de A na saída) 
FA0 (mols / tempo)
0 (volume / tempo)
CA0 (concentração 
de A na alimentação) 
V (volume)
V (volume)
(CSTR)
(PFR)
Velocidade molar (ou vazão molar) - FA0 : é a razão entre o número de mols pelo tempo. 
Vazão - 0 : é a relação entre o volume por unidade de tempo. 
8.4. Sistemas contínuos: Conceitos Gerais
Velocidade molar (ou vazão molar) - FA0 : é a razão entre o número de mols pelo tempo. 
Vazão - 0 : é a relação entre o volume por unidade de tempo. 
C
volume
mol
tempo
volume
tempo
mol
v
F
tempo
volume
v
tempo
mol
F









































 
Relação entre velocidade molar (F) e vazão ( 0)
i
i C
v
F

Conversão para Operações Contínuas





















t
N
t
N
t
N
N
NN
X
A
AA
A
AA
A
0
0
0
0
0
0
A
AA
A
F
FF
X


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8.4. Sistemas contínuos: Conceitos Gerais
Tempo espacial -  : tempo requerido para processar um volume de alimentação, 
correspondente a um volume de reator, medido em condições especificadas. 
Velocidade espacial - s : número de volumes de reator que foram alimentados, em 
condições especificadas e que podem ser tratados na unidade de tempo.
Assim como o tempo de reação t é a medida natural de desempenho
para reatores descontínuos, o tempo espacial () e a velocidade espacial (s)
são as medidas apropriadas de desempenho de reatores contínuos.
Diluição em sistemas descontínuos:
Por regra, soma-se o número de mols e divide pelo volume final.
CA1... concentração de A na solução 1
CA2... concentração de A na solução 2
CA0... concentração inicial de A para a reação química
V1... volume da solução 1
V2... volume da solução 2
V... volume inicial da reação (V1+V2)
NA0 = NA1 + NA2 
 
CA0V = CA1V1 + CA2V2 
 
𝐶𝐴0 = 
𝐶𝐴1𝑉1 + 𝐶𝐴2𝑉2
𝑉
 
NA0 = NA1 + NA2 
 
CA0V = CA1V1 + CA2V2 
 
𝐶𝐴0 = 
𝐶𝐴1𝑉1 + 𝐶𝐴2𝑉2
𝑉
 
NA0 = NA1 + NA2 
 
CA0V = CA1V1 + CA2V2 
 
𝐶𝐴0 = 
𝐶𝐴1𝑉1 + 𝐶𝐴2𝑉2
𝑉
 
8.5. Revisão de Conceitos Gerais de Diluição
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Diluição em sistemas contínuos:
FA1... velocidade molar de Ana corrente 1
FA2... velocidade molar de A na corrente 2
FA0... velocidade molar de A no início da reação química
1... vazão da solução 1
2... vazão da solução 2
0... vazão inicial da reação (1+2)
Por regra, soma-se a velocidade molar (F) e divide pela vazão total (0).
𝐹𝐴0 = 𝐹𝐴1 + 𝐹𝐴2 
 
𝐶𝐴00 = 𝐶𝐴11 + 𝐶𝐴22 
 
𝐶𝐴0 =
𝐶𝐴11 + 𝐶𝐴22
0
 
8.5. Revisão de Conceitos Gerais de Diluição
Diluição em sistemas contínuos:
Raciocínio idêntico ao anterior se aplica aos sistemas descontínuos.
Em sistemas contínuos aplicam-se os conceitos de:
-Velocidade molar (ou vazão molar): é a razão 
entre o número de mols pelo tempo (símbolo F).
- Vazão: é a relação entre o volume por unidade 
de tempo conforme conceito físico tradicional. 
Seu símbolo é 0.
8.5. Revisão de Conceitos Gerais de Diluição
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Exemplo 1
Exemplo 2
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8. Introdução a Reatores Químicos
8.1. Introdução
8.2. Tipos de processos
8.3. Reatores ideais básicos
8.4. Sistemas contínuos: conceitos gerais
8.5. Equação geral de balanço de massa
8.6. Equações gerais de reatores ideais
8.6.1. Reator descontínuo ideal
8.6.2. Reator de mistura ideal (contínuo)
8.6.3. Reator tubular ideal (contínuo)
Cinética Química Aplicada
(LOQ 4003)
O ponto inicial para o estudo de reatores é o balanço de massa das 
espécies químicas (reagentes ou produtos) que participam de uma 
reação química.
8.6. Equação geral de Balanço de Massa
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O ponto inicial para o estudo de reatores é o balanço de massa das 
espécies químicas (reagentes ou produtos) que participam de uma 
reação química.
8.6. Equação geral de Balanço de Massa
Este balanço de massa é representado, de uma forma geral, pela 
equação:













































 volumede elemento
no reagente do
acúmulo de Taxa
 volumede elemento
no Química Reação
à devido reagente
de consumo de Taxa
 volumede elemento
do fora para reagente
de escoamento de Taxa
 volumede elemento do
dentro para reagente
de escoamento de Taxa
[Entra] = [Sai] + [Reage] + [Acumula]
8. Introdução a Reatores Químicos
8.1. Introdução
8.2. Tipos de processos
8.3. Reatores ideais básicos
8.4. Sistemas contínuos: conceitos gerais
8.5. Equação geral de balanço de massa
8.6. Equações gerais de reatores ideais
8.6.1. Reator descontínuo ideal
8.6.2. Reator de mistura ideal (contínuo)
8.6.3. Reator tubular ideal (contínuo)
Cinética Química Aplicada
(LOQ 4003)
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8.6. Equação geral dos Reatores Ideais
[Entra] = [Sai] + [Reage] + [Acumula]
8.6.1. Reator descontínuo ideal
8.6. Equação geral dos Reatores Ideais
[Entra] = [Sai] + [Reage] + [Acumula]
8.6.1. Reator descontínuo ideal
Como não existe entrada ou saída durante a
reação, os termos entra e sai são portanto
iguais a ZERO, e a equação geral de balanço de
massa de um reator batelada se resume a
0 = [Reage] + [Acumula]
+[Reage] = - [Acumula]
   


























reator do
dentroA reagente do
acúmulo Velocidade
 
química reação à
devidoreator do
dentroA reagente do
consumo de Velocidade
 
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8.6. Equação geral dos Reatores Ideais
8.6.1. Reator descontínuo ideal
+[Reage] = - [Acumula]
   
   



























reagente mistura
pela ocupado
reator do volume
 
reagente fluido do volumetempo
A reagente do moles
V r
po)(moles/tem
reação pela
A de consumo
Re Aage
 
 
  
dt
dX
N
dt
XNd
dt
dN
acúmulo AA
AAA
0
0
1
 
 omoles/temp 
A de acúmulo
 








 
dt
dX
N V r AAA 0  V r
dX N
dt 
A
AA0


  

A
0
X
0
A
A
A
V r
dX
 Nt
8.6. Equação geral dos Reatores Ideais
[Entra] = [Sai] + [Reage] + [Acumula]
8.6.2. Reator de mistura ideal
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[Entra] = [Sai] + [Reage]
8.6. Equação geral dos Reatores Ideais
[Entra] = [Sai] + [Reage] + [Acumula]
8.6.2. Reator de mistura ideal
Como não existe acumulo durante a reação, o
termo acumulo é portanto igual a ZERO, e a
equação geral de balanço de massa de um
reator de mistura se resume a:
 
  








































reagente
fluido pelo ocupado
reator do volume
 
reagente
fluido do volume
 tempo
A reagente de moles
V r 
mol/tempo
reação, pela
A de consumo
A
8.6. Equação geral dos Reatores Ideais
 V r XF FF AAAAA 000 
[Entra] = [Sai] + [Reage]
 V rXF AAA0 
 A
AA
r
XF
V 0


8.6.2. Reator de mistura ideal
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Exemplo
8.6. Equação geral dos Reatores Ideais
[Entra] = [Sai] + [Reage] + [Acumula]
8.6.3. Reator Tubular Ideal
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18
[Entra] = [Sai] + [Reage]
8.6. Equação geral dos Reatores Ideais
[Entra] = [Sai] + [Reage] + [Acumula]
Como não existe acumulo durante a
reação, o termo acumulo é portanto igual a
ZERO, e a equação geral de balanço de
massa de um reator de mistura se resume a
 
  








































reagente
fluido pelo ocupado
reator do volume
 
reagente
fluido do volume
 tempo
A reagente de moles
V r 
mol/tempo
reação, pela
A de consumo
A
8.6.3. Reator Tubular Ideal
8.6. Equação geral dos Reatores Ideais
[Entra] = [Sai] + [Reage]
  AAA dX FdV r 0
   

V
0
X
0
A
A
A
A
0 r
dX
FdV  
 

A
0
X
0
A
A
A
r
dX
 FV
     AAAAA dX FX1F ddF 00 
8.6.3. Reator Tubular Ideal
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8.6. Equação geral dos Reatores Ideais
8.6.4. Quadro de Resumo das Equações Gerais de Reatores Ideais
8.7. Tabela Estequiométrica
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8.7. Tabela Estequiométrica
8.7.1. Operação descontínua
8.7. Tabela Estequiométrica
8.7.1. Operação descontínua
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8.7. Tabela Estequiométrica
8.7.2. Operação contínua
8.7. Tabela Estequiométrica
8.7.2. Operação contínua
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22
Exemplo