375062700-Aula-2-Reatores-Ideais

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Aula 02
Reatores ideais
Definições e usuabilidade
Prof. Antonio Freitas
UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA - CCET
COORDENAÇÃO DO CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA - COEQ
Reatores ideais x Reatores não ideais
Reatores ideais: São reatores para os quais
se desenvolvem modelos matemáticos
específicos a partir das condições e
especificações do reator e do processo e esse
modelo se adequa as condições observadas
no reator.
Reatores não-ideais: São aqueles para os
quais é necessária uma modelagem
matemática específica em função de
peculiaridades do reator/reação.
?
Reatores ideais
Classificação
Modo de operação Tipo de reação
Número de fases da 
mistura reacional
Descontínuo (batelada)
Contínuo
Semi-contínuo
Reatores catalíticos
Reatores não-catalíticos
Reatores homogêneos
Reatores heterogêneos
G
e
o
m
e
tr
ia
 d
o
 
re
at
o
r
Perfeitamente 
agitado
Tubular
CSTR
Batelada
Semi-contínuos
Fase homogênea
Leito fixo
Leito móvel
Classificações menos 
utilizadas (mas ainda 
assim importantes).
Classificações mais 
utilizada
Reatores ideais
Reatores ideais
Reatores batelada BSTR (do inglês batch stirred tank reactor)
- usado em operações de pequena escala
- testes de novos produtos em processos não totalmente desenvolvidos
- manufatura de produtos caros
- processos difíceis de converter em operações contínuas
Vantagens: alta conversão com a permanência do reagente por longo tempo no reator.
Desvantagens: alto custo por unidade de produção e difícil produção em larga escala.
Reatores ideais
Reatores batelada BSTR (do inglês batch stirred tank reactor)
• Nesse tipo de reator os reagentes são adicionados no início da operação;
• A reação termina quando atinge o grau de conversão;
• A operação ocorre em regime transiente;
• A composição química dos reagentes varia ao longo da reação (estabiliza no final do
processo);
• Ex. de processo – Corantes, sais, fármacos, etc...
Reatores ideais
Reatores batelada BSTR (do inglês batch stirred tank reactor)
• O reator utiliza agitação mecânica;
• Os reagentes são alimentados no reator no início do processo;
• Posteriormente são misturados, aquecidos e reagem entre si;
• Após o tempo de reação os produtos são descarregados do reator;
• Como é ideal nesse tipo de reator a temperatura e a concentração não variam com a posição;
Reatores ideais
Reatores batelada BSTR (do inglês batch stirred tank reactor)
Reatores ideais
Reatores semi-batelada
Vantagens: bom controle de temperatura; capacidade de minimizar reações indesejáveis
(pela baixa concentração de um dos reagentes); usado para reações em duas fases (gás
borbulhando num líquido).
Desvantagens: essencialmente as mesmas do reator em batelada.
Reatores ideais
Reatores semi-batelada
• Variação da composição da massa reagente;
• Adição de reagentes, inertes ou retirada de produtos ao longo do processo;
• Carga adicionada ou retirada parcialmente (em intervalos determinados);
• Bastante utilizado em reações altamente exotérmicas, dessa forma é possível ter um maior controle da
temperatura de reação;
Reatores ideais
Reatores Contínuos
• Reagentes adicionados ao longo da operação;
• Produtos retirados continuamente;
• Operação em regime estacionário = Composição constante no mesmo ponto;
• Aplicados em diferentes processos – produção de amônia, acetona, metanol, etc...
(1)
CSTR – Continuously Stirred
Tank Reactor
(2)
PFR – Plug Flow
Reactor
Reatores ideais
Reatores Contínuos
CSTR (“Continuously Stirred Tank Reactor”)
- usados quando uma agitação intensiva se faz necessária (reatores do tipo tanque de mistura);
- pode ser usado um ou mais reatores;
- relativamente fácil de controlar a temperatura;
Desvantagens: baixa conversão do reagente por unidade de volume do reator; altas conversões necessitam
de grandes reatores (ou uma cascata de reatores).
Reatores ideais
Reatores Contínuos
CSTR
• Reagentes são alimentados continuamente;
• Produtos são retirados simultaneamente;
• A composição da mistura reacional se mantem constante em todos os pontos do reator;
Reatores ideais
Reatores Contínuos
CSTR
• É um tanque agitado com escoamento contínuo e sem acúmulo de reagentes ou produtos (operação);
Considerações importantes:
1- Composição constante dentro do reator;
2- Composição da saída igual a composição do interior do reator;
3- A taxa de reação é a mesma em todos os pontos do reator.
Normalmente é utilizado quando se precisa de 
agitação intensa e em reações em fase líquida
Reatores ideais
PFR (“Plug Flow Reactor”)
- são de fácil manutenção (possuem diversas partes móveis)
- produzem maiores conversões que os reatores tipo tanque
- pode ser um único tubo ou vários tubos interligados
Desvantagens: difícil controle de temperatura no reator (“hot spots” ou pontos quentes).
O reator de leito fixo (um reator tubular com partículas sólidas de catalisador), apresenta as
mesmas vantagens de um reator tubular.
Reatores ideais
Reatores Contínuos
PFR
• Os reagentes são consumidos de forma progressiva a medida que avançam no reator (ao longo
do comprimento) até a saída;
• A composição varia de acordo com a posição do reator (mas se mantém constante em um
mesmo ponto);
Reatores ideais
PFR
• Este reator é denominado de reator de escoamento pistonado;
• Consiste em um tubo vazio ou recheado, por onde passa a mistura reacional;
• Normalmente encontrado na forma de um tubo longo, quanto na forma de vários tubos
pequenos em conjunto (multitubular);
Normalmente é utilizado 
em reações em fase gasosa
Reatores ideais
Reator Variação da concentração
no tempo
Variação da concentração
no espaço
Batelada Varia Não varia
CSTR Não varia Não Varia
PFR Não varia Varia
Reatores de leito fixo e de leito fluidizado
• Normalmente o meio reacional é homogêneo, se
encontra na fase líquida ou na fase gasosa;
• Existe um catalisador na fase sólida;
Reator de leito fixo
Reator
Heterogêneo
• Chamado de reator catalítico de leito fixo, o catalisador sólido é constituído de inúmeras e
pequenas partículas depositadas ao longo do tubo;
• Se assemelha muito ao reator tubular, a diferença é o “recheio” de partículas sólidas;
PBR – Packed 
Bed Reactor
Reatores de leito fixo e de leito fluidizado
Reator de leito fluidizado
• A operação desse reator é parecida com o reator
PBR;
• Consiste de um tubo vertical onde pequenas
partículas sólidas são suspensas por uma
corrente em fluxo ascendente;
• A velocidade do fluxo é suficiente para manter
as partículas suspensas, mas não é suficiente
para arrastar as partículas para fora do reator;
• Esse efeito proporciona uma excelente
transferência de massa entre o catalisador (sólido
suspenso) e os reagentes;
Operação de um reator de leito fluidizado
Reatores Industriais
• Reatores Batelada são utilizados em processos de pequena escala, no teste e
desenvolvimento de processos que não estão completamente desenvolvidos;
• Na manufatura de produtos caros;
• E em processos difíceis de operar de
modo contínuo;
• Altas conversões podem ser obtidas
com o aumento do tempo de reação,
mas isso aumenta os custos de
operação e dificulta a produção em
larga escala;
Reatores Industriais
• Reatores Semi-Batelada apresentam a maioria
das desvantagens observadas nos reatores
batelada, entretanto ele apresenta a vantagem de
possibilitar um elevado controle de temperatura e
minimizar a ocorrência de reações competitivas.
• Esse tipo de reator é utilizado em reações gás
líquido onde o gás é borbulhado aos poucos no
seio do líquido;
Reatores Industriais
• CSTR pode ser usado sozinho ou em série;
• Tem como vantagem a facilidade de controle de
temperatura;
• Tem como desvantagem a baixa conversão de
reagentes por unidade de volume do reator;
• Reatores com volumes elevados são necessários
para obter conversões elevadas.
Reatores Industriais
Custos de reatores CSTR
22 litros
Esses dados de custo são
antigos(do livro do Fogler,
edição 1989).
Reatores Industriais
CSTR em série
Reatores Industriais
Utilizado na produção
de anilina
Reatores Industriais
• PFR são reatores de manutenção fácil e apresentam as conversões mais
elevadas por unidade de volume do reator;
• Normalmente utilizados em reações com fase gás;
• A principal desvantagem está associada
com o controle de temperatura de
reações exotérmicas – Pontos quentes
no reator;
• Custos de reatores PFR são similares
aos custos de trocadores de calor;
Reatores Industriais
• Reatores de leito fixo (PBR) são essencialmente reatores tubulares
empacotados com catalisadores sólidos utilizados normalmente em reações em
fase gasosa;
• Necessariamente são heterogêneos (reagentes + catalisador);
• Apresenta as mesmas dificuldades no
controle de temperatura apresentadas
por catalisadores PFR convencionais;
• A principal vantagem desse tipo de
reator catalítico são as elevadas
conversões obtidas por g de catalisador
utilizado.
Reatores Industriais
• Reatores de leito fluidizado são similares aos reatores CSTR em seu
conteúdo/comportamento, mas são heterogêneos;
• Necessariamente são heterogêneos (reagentes + catalisador);
• Não pode ser matematicamente representado
por modelos para reatores CSTR ou PFR,
precisa de modelo próprio!
• O controle de temperatura é bom e a ocorrência
de pontos quentes no reator é minimizada;
• Muito utilizado na indústria;
• Alto custo de montagem e de regeneração do
catalisador são as principais desvantagens;
Reatores Industriais
Reatores Industriais
Processo 
SASOL
Gás de síntese
Hidrocarbonetos
Reatores Industriais
Processo SASOL - Syngas é alimentado a 240 C e
27 atm em um reator de leito fixo. O reator contém
aproximadamente 2050 tubos, cada um com 5 cm
de diâmetro e 12 m de comprimento. Catalisador
baseado em Fe é utilizado para preencher os tubos.
Usualmente os tubos são preenchidos com K2O e
SiO2. Os principais produtos são hidrocarbonetos
leves e aproximadamente 50% de conversao dos
reagentes é obtida no reator.
Resumo
Características Vantagens Desvantagens Uso
• Sistema fechado
• Estado não
estacionário
• Coloca-se os
reagentes no início
e retiram-se os
produtos no final
• Elevada conversão
• Baixo custo incial
• O recipiente é
facilmente aquecido e 
arrefecido
• Flexibilidade de 
operação
• Fácil manutenção
• Alto custo
operacional
• Operação e 
qualidade do 
produto mais
variável do que
em operação
contínua
• Reações em fase
líquida
• Estudos de 
laboratório
• Tempos de 
residência altos
• Produtos de alta
pureza
• Usos comuns na
indústria de 
cosméticos e 
fermentação
BATELADA
Resumo
Características Vantagens Desvantagens Uso
• Um dos reagentes é
colocado no início e 
o outro reagem em
pequenas
concentrações de 
forma contínua
• Ou um dos produtos
pode ser removido
continuamente
(evita a ocorrência
de reações
paralelas)
• Boa seletividade
• Flexibilidade de 
operação
• Pode-se manter baixa
a concentração de um 
dos reagentes
• Pode ser usado um 
condensador de 
refluxo
• Bom controle de 
temperatura
• Baixa produção
• Alto custo de 
operação
• Qualidade dos 
produtos variável
• Reações em fase
líquida
• Reações exotérmicas
• Baixa concentração
de um dos reagentes
• Industria de 
fármacos e 
biotecnologia
• Química fina
SEMI-BATELADA
Resumo
Características Vantagens Desvantagens Uso
• Sistema aberto
• Operação contínua
• Estado estacionário
• Agitação perfeita
• Produção em grande
escala
• Fácil controle de 
temperatura
• Simples construção
• Adaptação fácil para
reações com duas
fases
• Baixa conversão
por unidade de 
volume
• No caso de má
agitação pode ter
problemas
operacionais
• Reações em fase
líquida
• Gás-líquido e sólido
líquido também
podem ser utilizadas
CSTR
Resumo
Características Vantagens Desvantagens Uso
• Sistema aberto
• Operação contínua
• Estado estacionário
• Temperatura e 
conversão são
função do 
comprimento
• Numa secção
tranversal a 
concentração é
constante
• Elevada conversão por
unidade de volume
• Baixo custo
operacional
• Boa transferência
térmica
• Grandientes
térmicos e de 
concentrações
radiais
• Controle de 
temperatura
deficiente
• Para cada fluxo
ocorrem tempos 
de residência
diferentes
• Paragem e 
limpeza caras
• Fase gasosa
• Altas produções
• Altas temperaturas
• Reações rápidas
• Reatores
homogêneos ou
heterogêneos
catalíticos
PFR
Resumo
Características Vantagens Desvantagens Uso
• Reator tubular cujo
interior tem 
partículas de 
catalisador
• Estado estacionário
• Reagentes e 
produtos entram e 
saem
continuamente
• Apresenta efeitos
difusionais
• Altas conversões por
unidade de massa do 
catalisador
• Contínuo
• Baixo custo
operacional
• Gradientes
térmicos
indesejáveis
• Controle de 
temperatura
deficiente
• Podem ocorrer
caminhos
preferenciais
• Difícil manutenção
• Fase gasosa com 
catalisador sólido
• Gás-sólido
• Reações
heterogêneas
• Reações em fase gás
com catalisador
• Estudos difusionais
PBR – leito fixo
Resumo
Características Vantagens Desvantagens Uso
• Agitação perfeita
como o CSTR
• Reações
heterogêneas
• Boa mistura
• Temperatura uniforme
• O catalisador pode ser
continuamente
refrigerado com o 
auxílio de outros 
equipamentos
• Transporte dos 
fluidos no leito
não é bem
conhecido
• Uma agitação
muito forte pode
causar destivação
do catalisador e 
formação de 
produtos
indesejáveis
• Incertezas em
caso de scale-up
• Reações
heterogêneas e 
reações em fase
gasosa com 
catalisador
• Fase gasosa com 
catalisador sólido
• Gás sólido
Leito fluidizado
Resumo
Aplicações industriais
Reagente Tipo de reator Fases no reator Aplicação/Produto
Hidrogenação de 
óleos
Descontínuo Líquida (óleo)/gás
(H2)
Margarina
Ácido Acetilsalicílico CSTR Liquido Aspirina
Alquilato CSTR Líquido Componentes de 
gasolina
Nafta PFR Gás Etileno
Etileno PFR Gás Polietileno
Resíduos de petróleo Fluidizado Gás/sólido Aromáticos
Catalisador saturado Fluidizado Gás/sólido Catalisador
regenerado
Reator Fases Operação Custo Conversão
Batelada Gás, Liq., Liq.+sól. 
(catalisador)
Batelada Baixo Alta – depende do tempo de 
residência
CSTR Líq., Gás+Líq., 
Líq.+Sól. (nunca
só gás)
Contínua Médio Baixa (por unidade de 
volume do reator)
PFR Essencialmente
fase gás
Contínua Alto Alta
PBR Gás+Sól. 
(catalisador)
Contínua Muito Alto Muito Alta
Fluidizado Gás+Sól. 
(catalisador)
Contínua Muito Alto Muito Alta
Resumo
Características gerais
Reator Escala de produção Manutenção Uso recomendado
Batelada Pequena e média Média Obter produtos intermediários
ou para obter quantidades
determinadas de produtos
CSTR Média e alta Média Quando agitação é requerida
ou em série na operação com 
diferentes concentrações de 
reagentes
PFR Alta Fácil Reações rápidas homogêneas
ou heterogêneas
PBR Alta Difícil Preferencialmente em reações
em fase gás com catalisador
sólido
Fluidizado Alta Média Reações em fase gás que
precisam de boa mistura dos 
reagentes principalmente para
melhor controle da 
temperatura
Características gerais
1° Questão da aula
Sintetize as principais diferenças entre os
reatores ideais.
2° Questão da aula
Sintetize as principais características, vantagens
e desvantagens associadas ao uso dos reatores
discutidos na aula de hoje (BSTR, CSTR, PFR,
leito fluidizado e PBR).