Reatores com troca térmica

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Reatores com troca térmica
Professora: Patrícia Caetano 
Reator CSTR
❖ Balanço de energia
❖ Fazendo a substituição:
Reator CSTR
❖Calor adicionado ao reator (Q)
❖ Taxa de transferência do trocador para o reator:
U= coeficiente global de transferência de calor
A= área de troca de calor
Reator CSTR
❖ Balanço de energia para o fluido refrigerante:
❖ Simplificando, temos:
Reator CSTR
❖ Para grandes vazões:
❖ Resolvendo para X, temos:
❖ Substituindo no balanço de energia:
Reator CSTR
❖ A equação de X pelo balanço de energia é acoplada com a
equação do balanço molar para dimensionar CSTR.
Exemplo 8.8 Produção de Propilenoglicol em um CSTR Adiabático
Propilenoglicol é produzido pela hidrólise de óxido de propileno:
Mais de 900 milhões de libras de propilenoglicol foram produzidos no ano de
2010 e o preço de venda foi de aproximadamente US$ 0,80 por libra. O
propilenoglicol representa cerca de 25% dos principais derivados do óxido de
propileno. A reação ocorre prontamente à temperatura ambiente, quando
catalisada por ácido sulfúrico. Você é o engenheiro responsável pelo CSTR
adiabático que produz propilenoglicol por este método. Infelizmente o reator
está com vazamento e você precisa substituí-lo. (Você informou ao seu chefe,
várias vezes, que o ácido sulfúrico era corrosivo e que o aço doce era um material
de construção inadequado.) Um belo e reluzente CSTR, com capacidade de 300
galões (40,1 ft3) e saída de líquido por transbordamento, está sem uso na fábrica.
Ele possui revestimento interno de vidro e você gostaria de utilizá-lo.
• Neste problema serão usadas as unidades lb, s, ft3 e lbmol em vez de g, mol e
m3, para que o leitor adquira mais prática em trabalhar tanto com o sistema
inglês, quanto com o sistema métrico. Muitas plantas ainda utilizam o sistema
inglês de unidades.
Você está alimentando o reator com 43,04 lbmol/h de óxido de propileno (O.P.).
A corrente de alimentação consiste em (1) uma mistura equivolumétrica de óxido
de propileno (46,62 ft3 /h) e metanol (46,62 ft3 /h), e (2) água contendo 0,1% de
H2SO4. A vazão volumétrica da água é 233,1 ft
3 /h, que é 2,5 vezes a vazão
volumétrica da mistura de O.P.-metanol. As vazões molares de alimentação
correspondentes de metanol e água são 71,87 lbmol/h e 802,8 lbmol/h,
respectivamente. A água, o óxido de propileno e o metanol sofrem uma pequena
redução do volume ao serem misturados (aproximadamente 3%), mas você pode
desprezar esta variação nos seus cálculos. A temperatura de ambas as correntes
de alimentação é 58 °F antes da mistura, mas quando ocorre a mistura das duas
correntes de alimentação há uma elevação imediata de 17 °F na temperatura,
devido à entalpia de mistura. A temperatura de entrada de todas as correntes de
alimentação é, portanto, tomada como 75 °F.
Furusawa et al. (1969) afirmam que, sob condições semelhantes àquelas nas quais você está
operando, a reação é de primeira ordem em relação ao óxido de propileno e aparentemente
de ordem zero em relação à agua em excesso, com a velocidade específica de reação:
As unidades de E são Btu/lbmol e T está em °R.
R= 1,987 Btu · lb-mol−1 · °R−1
°R = °F +459,67
Existe uma restrição importante em sua operação. O óxido de propileno é
uma substância de ponto de ebulição baixo. Você percebe que não pode
exceder a temperatura de operação de 125 °F com a mistura que você
está utilizando para alimentar o reator; do contrário, você perderá muito
óxido por evaporação através do sistema de exaustão de gás.
(a)Você poderia utilizar o CSTR que está inativo para substituir o reator
que está vazando, se for operar de forma adiabática?
(b)Se sim, qual será a conversão do óxido de propileno a propilenoglicol?
Dados:
• A é o óxido de propileno (C pA = 35 Btu/lbmol · °F)
• B é a água (C pB = 18 Btu/lbmol · °F)
• C é o propilenoglicol (CpC = 46 Btu/lbmol · °F)
• M é o metanol (C pM = 19,5 Btu/lbmol · °F)
• 𝐻𝐴
𝑜(68 °F) = -66600 Btu/lbmol
• 𝐻𝐵
𝑜(68 °F) = -123000 Btu/lbmol
• 𝐻𝐶
𝑜(68 °F) = -226000 Btu/lbmol
• Neste problema, tanto a conversão de saída como a temperatura do reator
adiabático não são fornecidas. Aplicando o balanço molar e o balanço de
energia, podemos resolver duas equações com duas incógnitas (X e T)
Solução
Solução
540 555 570 585 600 615 630
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
C
on
ve
rs
ao
 (X
)
T (°R)
 BM
 BE
 
 
❖ O único ponto de interseção está em 83 % de conversão e 613 °R.
Nesse ponto, ambos os balanços de energia e molar são satisfeitos.
❖ Uma vez que a temperatura tem de permanecer abaixo de 125 °F
(585 °R), não podemos usar o reator como está agora.
❖ Temos duas icógnitas e duas equações:
T (°R) XEB XBM
550 0.217216 0.178079
565 0.378748 0.38048
575 0.501762 0.51477
585 0.620532 0.64855
595 0.723176 0.781822
605 0.804277 0.914589
615 0.864302 1.046853
❖ Solução Gráfica
550 560 570 580 590 600 610 620
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
 
 
C
on
ve
rs
ao
Temperatura (°R)
 BM
 BE
❖ O ponto de interseção está em 36.4 % de conversão e 565 °R (103.7
°F).
❖ Uma vez que a temperatura tem de permanecer abaixo de 125 °F
(585 °R), agora podemos usar o reator.
❖ Solução Gráfica
550 560 570 580 590 600 610 620
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
 
 
C
on
ve
rs
ao
Temperatura (°R)
 BM
 BE
❖ O ponto de interseção está em 36.4 % de conversão e 565 °R (103.7
°F).
❖ Uma vez que a temperatura tem de permanecer abaixo de 125 °F
(585 °R), agora podemos usar o reator.