Aula_4_introducao_proj_de_reatores

Prévia do material em texto

27/08/2018 1
CINÉTICA	E	REATORES	QUÍMICOS	
Profa.	Dra.	Andréa	Oliveira	Nunes	
Doutorado	Eng.	de	Processos	e	Ambiental	(INP	Toulouse-Fr)
Pós-doutorado	- UFSCar	
AULA	IV	– Introdução	ao	projeto	de	reatores
27/08/2018 2
Cinética	e	Reatores	Químicos			
Introdução	ao	projeto	de	reatores
• Em projeto de reatores, nós queremos saber que capacidade e tipo de reator e
que método de operação são os melhores para uma dada tarefa.
• Os três tipos de processos (método de operação) mais comuns são:
q Descontínuo (ou Batelada)
q Em estado estacionário (contínuo)
q Semi-Batelada (ou semi-contínuo)
Ex Operação	 Volume Composição	
(a) Batelada	 Constante Variável	
(b) Contínua Constante Constante*
(c) Semi Batelada Variável Variável
(d) Semi Batelada Variável Constante
(e) Semi Batelada Constante Variável
*Constante	no	mesmo	ponto	(para	reator	tubular)
Variação do volume e da composição do meio 
reacional em função do tempo. 
27/08/2018 3
Cinética	e	Reatores	Químicos			
Reatores	Ideais	vs não	ideais	
• Reatores	Ideais	são	aqueles	para	os	quais	se	desenvolve	um	modelo	
matemático	específico	a	partir	de	condições	pré-estabelecidas	e	que	
aplicado	 às	 condições	 reais	 se	 ajusta	 adequadamente																
(Reações	Homogêneas)	
• Reatores	 Não	 Ideais	 são	 aqueles	 para	 os	 quais	 é	 necessário	 um	
tratamento	matemático	 específico	 em	 função	 de	 peculiaridades	 de	
reação	e/ou	reator	
				(maior	parte	dos	reatores	industriais	-	reações	heterogêneas).	
O	foco	do	nosso	curso	estará	em	Reatores	Ideais!!!
27/08/2018 4
Cinética	e	Reatores	Químicos			
Reatores	Ideais
Os 3 Principais Reatores Ideais Básicos
Reator	 descontínuo	 (ou	 batelada	 -	 Batch)	 –	 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	uma	única	vez	deste	reator.	
Características:
• A composição varia com o tempo, porém num determinado
momento é uniforme em todo reator;
• Volume constante ou pressão constante;
• Simples e necessita de poucos acessórios
• É ideal para estudos cinéticos em escala experimental.
Industrialmente é usado quando se trabalha com poucas
quantidades de material
• Permite que altas conversões possam ser obtidas deixando o
reagente no reator por longo período de tempo
• É de material resistente, suporta amplas faixas de pressão e
temperatura e é de fácil manuseio.
27/08/2018 5
Cinética	e	Reatores	Químicos			
Reatores	Ideais
Os 3 Principais Reatores Ideais Básicos
Reator	 de	Mistura	 (CSTR	 –	 Continuos	 Stirred	 Tank	 Reactor)	 	 é	 um	 tanque	
agitado	com	escoamento	contínuo	sem	acumulo	de	reagentes	ou	produtos.		
Características:
• Operado em Regime Estacionário;
• Composição e temperatura uniforme dentro
do reator.
• Composição de saída é igual a composição no
interior do reator.
• A taxa de reação é a mesma em todo o
reator, inclusive na saída.
• Ideal para reações líquidas.
27/08/2018 6
Cinética	e	Reatores	Químicos			
Reatores	Ideais
Os 3 Principais Reatores Ideais Básicos
Reator	 Tubular	 (PFR	 –	 Plug	 Flow	Reactor)	 é	 um	 tubo	 sem	 agitação	 no	 qual	
todas	as	partículas	escoam	com	a	mesma	velocidade.	
Características:
• Operado em Regime Estacionário (contínuo);
• Não há variação radial nas propriedades do sistema. Perfil radial de velocidade
constante;
• Perfil de velocidade, temperatura e concentração uniformes, numa dada seção
transversal do tubo. Varia apenas ao longo do comprimento do reator (de um ponto
a outro).
PFRAlimentação Produtos	
Os Reatores contínuos (CSTR, PFR e PBR) são aplicados em processos em
grandes escalas. Contém muitos acessórios mas o controle de qualidade do
produto pode ser feito com bastante perfeição.
27/08/2018 7
Cinética	e	Reatores	Químicos			
Reatores	Ideais
Resumo
Reator Variação	de	Ci com	
o	tempo
Variação	de	Ci no	
espaço
Batch Varia	 Não	Varia
CSTR Não Varia	 Não Varia	
PFR Não	Varia Varia
27/08/2018 8
Cinética	e	Reatores	Químicos			
Reatores	Industriais	
Reator Semi-Batelada: Bom controle de temperatura e capacidade de
minimizar reações desnecessárias por meio da manutenção da baixa
concentração de um dos reagentes.
27/08/2018 9
Cinética	e	Reatores	Químicos			
Reatores	Industriais	
Reator de Leito Fixo (PBR – Packed Bed Reactor): Reator tubular recheado de
partículas de catalisador. Este sistema é muito utilizado para sistemas
heterogêneos. Apresenta dificuldades no controle da temperatura e na
reposição do catalisador. Apresenta como vantagem uma alta conversão.
27/08/2018 10
Cinética	e	Reatores	Químicos			
Reatores	Industriais	
Reator	de	Leito	Fluidizado:	O	 funcionamento	deste	 reator	é	parecido	com	o	
PBR.	 Entretanto	 na	 prática	 trata-se	 de	 um	 tubo	 vertical	 onde	 pequenas	
partículas	sólidas	são	suspensas	em	uma	corrente	de	fluxo	ascendente.	
A	 velocidade	 do	 fluxo	 é	 suficiente	 para	 “suspender“	 as	 partículas,	 mas	 não	
grande	 o	 suficiente	 para	 arrastá-las	 para	 fora	 do	 reator.	 Em	 função	 deste	
efeito,	as	partículas	sólidas	“dançam”	no	fluido	e	permitem	que	se	forme	uma	
excelente	mistura	entre	ambos	(partículas	sólidas	e	fluido).	
27/08/2018 11
Cinética	e	Reatores	Químicos			Sistemas	Contínuos:
Conceitos	Gerais			
Conceitos Gerais para Sistemas Contínuos
• Velocidade Molar (ou Vazão Molar): razão do numero de mols pelo tempo (F)
• Vazão: é a relação entre o volume por unidade de tempo (𝜐)
Ø Relação	entre	velocidade	molar	(F)	e	vazão	(𝝊)𝐹 = 𝑚𝑜𝑙𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜	𝜐 = 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜
𝐹𝜐 = 𝑚𝑜𝑙𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜 	 = 𝑚𝑜𝑙𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 = 𝐶 𝐹 = 𝜐C
Ø Conversão	para	operações	contínuas
𝑋3 = 𝑁35 − 𝑁3𝑁35 = 𝑁35𝑡 − 𝑁3𝑡𝑁35𝑡𝑋3 = 𝐹35 − 𝐹3𝐹35 𝐹3 = 𝐹35(1 − 𝑋3)
𝐹8 = 𝐹85 	− 𝑏𝑎 𝐹35𝑋3𝐹; = 𝐹;5 + 𝑟𝑎 𝐹35𝑋3𝐹> = 𝐹>5 + 𝑠𝑎 𝐹35𝑋3
𝑎𝐴 + 𝑏𝐵	 → 𝑟𝑅 + 𝑠𝑆
27/08/2018 12
Cinética	e	Reatores	Químicos			
Equação	geral	do	Balanço
de	massa	e	energia	
• Balanço de massa
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.
Para uma espécie i em qualquer instante de tempo t𝑉𝑎𝑧𝑎𝑜	𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟	𝑑𝑒	𝑖𝑞𝑢𝑒	𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎	(𝑚𝑜𝑙/𝑡) − 𝑉𝑎𝑧𝑎𝑜	𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟	𝑑𝑒	𝑖𝑞𝑢𝑒	𝑠𝑎𝑖	 𝑚𝑜𝑙/𝑡 + 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒	𝑑𝑒	𝑔𝑒𝑟𝑎ç𝑎𝑜𝑑𝑒	𝑖	𝑝𝑜𝑟	𝑟𝑒𝑎ç𝑎𝑜	𝑞𝑢𝑖𝑚𝑖𝑐𝑎𝑚𝑜𝑙/𝑡 = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒	𝑑𝑒	𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑜𝑑𝑒	𝑖	𝑛𝑜	𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎	𝑚𝑜𝑙/𝑡𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎	 − 𝑆𝑎𝑖	 + 	𝐺𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜	 = 	𝐴𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑜	𝐹QR 	− 	𝐹Q 		+ 				𝑟Q𝑉			 = 			 𝑑𝑁Q𝑑𝑡 	
Ou	ainda 𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎		 = 	𝑆𝑎𝑖	 + 		𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜		 + 			𝐴𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑜	𝐹QR 	= 		 𝐹Q		+			(−	𝑟Q)𝑉		 + 			𝑑𝑁Q𝑑𝑡 	
27/08/2018 13
Cinética	e	Reatores	Químicos			
Equação	geral	do	Balanço
de	massa	e	energia	
• Balanço de energia
Em operações não isotérmicas, o balanço de energia tem de ser usado em
conjunto com o balanço de massa (balanço molar)
𝑇𝑎𝑥𝑎		𝑑𝑒	𝑒𝑛𝑟𝑔𝑖𝑎	𝑞𝑢𝑒	𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 = 𝑇𝑎𝑥𝑎	𝑑𝑒	𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎𝑞𝑢𝑒	𝑠𝑎𝑖 + 𝑇𝑎𝑥𝑎	𝑑𝑒	𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎	𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎	𝑝𝑒𝑙𝑎	𝑟𝑒𝑎ç𝑎𝑜	𝑞𝑢𝑖𝑚𝑖𝑐𝑎 + 𝑇𝑎𝑥𝑎	𝑑𝑒	𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑜𝑛𝑜	𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜	𝑑𝑜	𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒
27/08/2018 14
Cinética	e	Reatores	Químicos			
Equações	gerais	
de	Reatores	Ideais
• Reator descontinuo (Batelada ou Batch)𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎 = 𝑆𝑎𝑖 + 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 + 𝐴𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑜	
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:	𝑅𝑒𝑎𝑔𝑒(𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜) = −𝐴𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑜				(−	𝑟3)𝑉 = −𝑑𝑁3𝑑𝑡 	
(−	𝑟3)𝑉 = −𝑑 𝑁35(1 − 𝑋3)𝑑𝑡 	(−	𝑟3)𝑉 = − −𝑁35 𝑑𝑋3𝑑𝑡(−	𝑟3)𝑉 = 𝑁35 𝑑𝑋3𝑑𝑡 𝑡 = 𝑁35U 𝑑𝑋3			(−	𝑟3)𝑉
VW5
𝑑𝑡 = 𝑁35 𝑑𝑋3			(−	𝑟3)𝑉
27/08/2018 15
Cinética	e	Reatores	Químicos			
Equações	gerais	
de	Reatores	Ideais
• Reator de mistura ideal (CSTR) 𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎 = 𝑆𝑎𝑖 + 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 + 𝐴𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑜	
𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎 = 𝑠𝑎𝑖 + 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜	
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	:	
Entrada	de	A	(mol/tempo): 𝐹35
Saída	de	A	(mol/tempo): 𝐹3 = 𝐹35(1 − 𝑋3)
𝐹35 = 𝐹35 − 𝐹35𝑋3 + (−𝑟3)𝑉𝐹35𝑋3 = (−𝑟3)𝑉
𝑉 = 𝐹35𝑋3(−𝑟3)
Ou 𝑉 = 𝐹35 − 𝐹3(−𝑟3)
27/08/2018 16
Cinética	e	Reatores	Químicos			
Equações	gerais	
de	Reatores	Ideais
• Reator Tubular ideal (PFR)𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎 = 𝑆𝑎𝑖 + 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 + 𝐴𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑜	
𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎 = 𝑠𝑎𝑖 + 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜	
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	
tubular	se	resume	a	:	 Entrada	de	A	(mol/tempo)	= 𝐹3
Saída	de	A	(mol/tempo)	= 𝐹3 + 𝑑𝐹3𝐹3 = 𝐹3 + 𝑑𝐹3 + (−𝑟3)𝑑𝑉
Mas
(−𝑟3)𝑑𝑉 = −𝑑𝐹3𝑑𝐹3 = 𝑑 𝐹35(1 − 𝑋3)	 = −𝐹35𝑑𝑋3
Então (−𝑟3)𝑑𝑉 = 𝐹35𝑑𝑋3
U 𝑑𝑉X5 = 𝐹35 U 𝑑𝑋3			(−	𝑟3)VW5
𝑉 = 𝐹35 U 𝑑𝑋3			(−	𝑟3)VW5
27/08/2018 17
Cinética	e	Reatores	Químicos			
Equações	gerais	
de	Reatores	Ideais
• Quadro Resumo das Equações Gerais de Reatores Ideais
27/08/2018 18
Cinética	e	Reatores	Químicos			
Equações	gerais	
de	Reatores	Ideais
• Quadro Resumo das Equações Gerais de Reatores Ideais
A partir das equações de balanço molar podemos determinar o tempo
(batelada) ou o volume do reator (contínuos) necessários para converter
uma quantidade especifica de reagentes em produtos.