Cálculo de Reatores I Módulo 2 Reatores Ideais Dimensionamento e Análise

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Módulo 2
Reatores Ideais
Dimensionamento e Análise
Cálculo de Reatores I
2018 T2
Turma 2016 
Centro Universitário SENAI CIMATEC
Engenharia Química
Dimensionamento e Análise de Reatores Ideais
Aplicação das equações de projeto de Reatores Ideais:
Prever a performance de um reator existente;
Calcular a dimensão de um reator que é necessária para produzir um produto a uma dada taxa de reação e concentração inicial.
Introduction to Chemical Reactor Design
https://www.youtube.com/watch?v=aYGg3isGkWI
2
Dimensionamento e Análise de Reatores Ideais
Projeto de Sistema Reacional:
Operação: 
Batelada, batelada alimentada, contínuo, etc.;
Vazões, temperatura, pressão, volume, etc.;
Correntes de alimentação, produtos, reciclo e purga;
Instrumentação e sistema de controle.
Sistema de transferência de calor: 
Vaso encamisado;
Serpentina;
Trocadores de calor (integração energética).
Design: 
Material de construção;
Forma e dimensões do vaso; 
Internos : impelidores, chicanas, distribuidores de fluidos, etc.;
Conformidade Normas de Projetos Mecânicos
Dimensionamento e Análise de Reatores Ideais
Projeto de Sistema Reacional:
Dimensionamento e Análise de Reatores Ideais
Projeto de Sistema Reacional:
Dimensionamento e Análise de Reatores Ideais
Projeto de Sistema Reacional:
Operação: 
Taxa e Energia de reação
Dimensionamento e Análise de Reatores Ideais
Projeto de Sistema Reacional:
https://www.mynah.com 
Dimensionamento e Análise de Reatores Ideais
Projeto de Sistema Reacional:
https://www.mynah.com 
Dimensionamento e Análise de Reatores Ideais
Projeto de Sistema Reacional:
Operação: 
OPEX e CAPEX
Dimensionamento e Análise de Reatores Ideais
CSTRs em Série
https://www.youtube.com/watch?v=go2UuS5dAYA
Dimensionamento e Análise de Reatores Ideais
Produção de ASPIRINA
Dimensionamento e Análise de Reatores Ideais
Exemplo 4-1 Produção de ASPIRINA
Dimensionamento e Análise de Reatores Ideais
Exemplo 4-1
Equação de Projeto Reator Batelada Ideal
Dimensionamento e Análise de Reatores Ideais
Exemplo 4-1
Equação de Projeto Reator Batelada Ideal
Dimensionamento e Análise de Reatores Ideais
Exemplo 4-1
Substituindo a equação da taxa na equação de projeto:
Considerando mols reagidos de AS entre t= 0 e t = t:
Podemos construir uma tabela estequiométrica:
Dimensionamento e Análise de Reatores Ideais
Exemplo 4-1
Considerando Volume constante, podemos escrever a equação do projeto em função da concentração (assim como está a equação da taxa) e uma nova tabela estequiométrica:
Dimensionamento e Análise de Reatores Ideais
Exemplo 4-1
Desenvolvendo em função da concentração:
Dimensionamento e Análise de Reatores Ideais
Exemplo 4-1
A equação que relaciona CSA com o tempo já foi desenvolvida no item 1. Ela pode ser utilizada para calcular o tempo necessário para que a CSA atinja o valor de 0,14 mol/l. 
O resultado é t = 4,6 h que corresponde a uma conversão de 95%.
X = CSA0-CSA/CSA
X =2,8-0,14/2,8=0,95. 
Dimensionamento e Análise de Reatores Ideais
Exemplo 4-1
Cada batelada de 4,6 horas de duração apresenta 95% de conversão e a concentração de ASA é: 
CASA [t=4,6h] = CASA0 + 1 . (CSA0 – CSA)[t=4,6h]=2,8+(2,8-0,14)=2,66 mol/L
A massa de ASA numa batelada no reator de 10.000L é:
mASA [t=4,6h] = CASA0 Vreator . MMASA
mASA [t=4,6h] = 2,66 mol/L . 104 L . 180 g/mol . (1 ton/106g)
mASA [t=4,6h] = 4,788 ton/batelada
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Exemplo 4-1
mASA [t=4,6h] = 4,788 ton/batelada
Considerando que durante o ano, em média, 30 dias são dedicados às paradas para a manutenção (335 dias de operação efetiva) e que o tempo da batelada engloba não somente o tempo requerido para a reação se processar até a conversão desejada, mas também o tempo de limpeza, carregamento, enchimento, aquecimento, operação (batelada) e descarregamento do tanque, de forma que a operação do reator para produção de 1 batelada do produto desejado dura pelo menos 2 turnos de 8h, resultando em 1,5 bateladas a cada 24 horas:
Dimensionamento e Análise de Reatores Ideais
Exemplo 4-1
Este problema poderia ter sido resolvido utilizando também o conceito de extensão de reação:
A tabela estequiométrica seria:
Dimensionamento e Análise de Reatores Ideais
Exemplo 4-1
Aplicando estas correlações dos número de mols de cada espécie em função do reagente limitante SA na equação de projeto, tem-se :
Equação de Projeto Reator Batelada Ideal f(Ni):
Extensão:
Equação de Projeto Reator Batelada Ideal f():
Dada a taxa de reação:
Incluindo a equação da taxa de reação na equação do projeto f(), tem-se que:
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Sistemas com Volume Constante - Batelada
Considere a reação homogênea irreversível
...que obedece a taxa de reação:
Considere que a reação se processa em fase líquida em reator batelada, a equação de projeto fica:
Dimensionamento e Análise de Reatores Ideais
Sistemas com Volume Constante - Batelada
Lei das Proporções Definidas:
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Sistemas com Volume Constante - Batelada
Considerando volume constante:
Dimensionamento e Análise de Reatores Ideais
Sistemas com Volume Constante - Batelada - Integração
Equação de projeto reator batelada em função de CA pode ser rearranjada e integrada:
				em que
Utilizando uma tabela de integrais, o lado esquerdo fica:
Se o reator for isotérmico e k não variar com o tempo:
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Sistemas com Volume Constante - Batelada - Conversão
Conversão:
O numero de mols de A que reagiu no tempo t é :
 
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Sistemas com Volume Constante - Batelada - Conversão
Dividindo todos os termos por V:
 
Dimensionamento e Análise de Reatores Ideais
Sistemas com Volume Constante - Batelada - Conversão
Considerando volume constante e , a equação de projeto do reator batelada fica:
Substituindo os termos Ci = f(xA) conforme tabela estequiométrica na equação de projeto:
Em que:
 
Dimensionamento e Análise de Reatores Ideais
Sistemas com Volume Constante - Batelada - Extensão
Extensão:
Dimensionamento e Análise de Reatores Ideais
Sistemas com Volume Constante - Batelada - Extensão
Equação de projeto reator batelada em função de extensão é:
Substituindo ri pela equação dada em função de Ni=f():
Dimensionamento e Análise de Reatores Ideais
Sistemas com Volume Constante - Batelada
Equação de projeto reator batelada em função das variáveis concentração de A, conversão de A e extensão da reação:
Dimensionamento e Análise de Reatores Ideais
EXEMPLO 4-2 - Batelada ideal em reação na fase líquida
Considere a reação A + 2B  3C + D, tal que na fase líquida em um reator em batelada ideal. A taxa equação é dada por 
Na temperatura de 350 K, o valor da constante de taxa é k = 1,05 L/mol.h. A energia de ativação da reação é de 100 kJ / mol. As concentrações iniciais são CA0=1,0gmol/L, CB0=4,0gmol/L, CE0=0gmol/L e CD0=1,0gmol/L.
Pergunta-se
Quanto tempo é necessário para a concentração de A atingir 0,10 mol / 1 se o reator for operado isotermicamente a 350 K? Qual é a concentração de C neste momento? 
Para atender a especificação do produto C para um cliente, o reator deverá operar isotermicamente a 350 K e a concentração de A no produto final deve ser inferior a 0,20 mol/l. Sabendo-se que o peso molecular de C é 125 gmol/L eéÉ necessária uma média de 16 h entre os lotes para esvaziar e limpar o reator o próximo lote, qual deve ser o volume do reator para produzir 200.000 kg de C anualmente com 8.000 h por ano de operação?
Dimensionamento e Análise de Reatores Ideais
EXEMPLO4-2 - Batelada ideal em reação na fase líquida
Pergunta-se
A produção anual de C deve ser de 200.000 kg e a concentração final de A deve ser de 0,20 mol/L ou menos. O reator disponível tem um volume de trabalho de 1.500L. A que temperatura o reator deve ser operado isotermicamente para ser atingida esta especificação? A energia de ativação da reação é de 100.000J/mol. São necessários 16h entre os lotes para esvaziar e limpar o reator e para preparar o próximo lote.
Qual será a concentração de A se o reator operar isotermicamente a 350 K por 12 h?
A temperatura inicial do reator é de 350 K. O calor é adicionado ao reator para que a temperatura aumente linearmente a uma taxa de 10 K / h. Qual é a concentração de A após 5,0 h de operação?