Engenharia de Reações Químicas

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ENGENHARIA DAS 
REAÇÕES QUÍMICAS 
Apostila Promopetro: Engenharia das reações químicas 
 
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Apostila elaborado para o projeto PROMOPETRO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Apoio 
 
 
 
 
2014 
Versão 1 
Apostila Promopetro: Engenharia das reações químicas 
 
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1- O QUE É ENGENHARIA DE REAÇÕES QUÍMICA (CRE) ? 
 
Entender como reatores químicos funcionam é entender como funciona o coração de 
quase toda operação de processos químicos. 
 
O Projeto de um reator não é um assunto rotineiro e várias alternativas podem ser 
propostas para um processo. O projeto de um reator usa informação, conhecimento e 
experiência de uma variedade de áreas - termodinâmicas, cinética química, mecânica 
de fluido, transferência de massa e de calor e econômicas. 
CRE é uma síntese de todos esses fatores com o objetivo de projetar corretamente e 
entender o reator químico. 
 
Livro de texto e Livros Indicados 
 Elements of Reaction Engineering, 2nd Edition. H.Scott Fogler, Prentice Hall. 
 Chemical Reaction Engineering, 2nd or 3rd Edition. Octave Levenspiel, John 
Wiley and Sons. 
 Reactor Design for Chemical Engineers. J.M. Winterbottom and M.B. King 
 
 
Tópicos da apostila 
 Reatores Ideais : 
o Reator perfeitamente misturado (Batch) 
o Reator tanque mistura contínua (CSTR) ou reator “Backmix” 
o Reator “Plug flow” (PFR) 
o Reator “Packed bed” (PBR) 
 Cinética química 
o Todas as reações presentes são reações homogêneas. 
 Reatores múltiplos 
 Isotérmico ideal Batch, CSTR, e PFR 
 
 
 
 
 
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2- TIPOS DE REATORES 
 
2.1 BATCH REACTOR 
 
 Não há entrada e nem saída de fluxo enquanto as reações estão sendo 
processadas. 
 Perfeitamente misturado 
 Não há variação na taxa de reação ao longo do volume de reator 
 Todos os reagente são providos ao reator no início. O reator é lacrado e a 
reação é executada. Nenhuma adição de reagente ou remoção de produtos 
durante a reação. 
 Recipiente é mantido perfeitamente misturado. Isto significa que haverá 
concentrações uniformes. Composição muda com tempo. 
 A temperatura também será uniforme ao longo do reator - porém, pode mudar 
com tempo. 
 Geralmente usado para processos de pequena escala, por exemplo química fina 
e manufatura farmacêutica. 
 Baixo custo de capital. Mas alto custo de suporte. 
 Multifinalidade, portanto permitindo especificação de produtos variáveis . 
 
 
Exemplo de uma reação na fase líquida em batch 
 
 
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Laboratório Típico de Reator Batch de 
vidro 
 
 
 
Laboratório de Reator Batch em 
alta pressão (Autoclave) 
 
 
 
Reator Típico Batch Comercial 
 
 
 
 
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2.2 REATOR TANQUE DE MISTURA CONTÍNUA (CSTR) REATOR BACKMIX 
 
 Normalmente funciona em estado estacionário. 
 Totalmente misturado 
• Geralmente modelado como não tendo nenhuma variação de espaço na 
concentração, temperatura, ou taxa de reação ao longo do recipiente 
• Normalmente emprega reação na fase líquida. 
• Utilizado na fase gasosa em laboratório para estudos cinéticos. 
 
 
 
Representação de um CSTR 
 
 
Características 
 Mistura perfeita: as propriedades da mistura da reação são uniformes em 
todas as partes do recipiente e idênticas às propriedades da mistura de 
reação no fluxo de saída (i.e. CA, outlet = CA, tank) 
 A entrada de fluxo instantaneamente se mescla com o tamanho do volume de 
reator. 
 Um reator CSTR reator é assumido que chega no estadp estacionário. Então 
a taxa de reação é a mesma em todos os pontos e independente do tempo. 
 O que o volume, Vr do reator nos diz? 
o Vr refere-se ao conteúdo do volume do reator. 
o Fase gasosa: Vr = volume reator = conteúdo do volume 
o Fase líquida: Vr = conteúdo do volume 
 
F
A0
 
(C
A0
) 
F
A
 
(C
A
) C
A
 CA 
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Visão em corte de um “Pfaudler” CSTR/ Reator Batch 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2.3 REATOR “PLUG FLOW” (PFR), REATOR TUBULAR 
 
 
 Normalmente opera em estado estacionário 
 Não há variação radial na concentração 
 Refere-se a reatores como “plug-flow” 
 Os reagentes são consumidos continuamente enquanto eles fluem ao longo 
do comprimento do reator. 
 
 
Existe um movimento constante de material ao longo do comprimento do reator. 
Nenhuma tentativa para induzir mistura de elemento de fluido, por isso o estado 
estacionário: 
 Em uma determinada posição, para qualquer corte transversal não há 
pressão, temperatura ou mudança de composição na direção radial. 
 Nenhuma difusão de um elemento fluido para outro. 
 Todo o elemento fluido tem o mesmo tempo de residência. 
 
Usado para fase de gás ou reações de fase líquidas. 
 
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As suposições de "plug flow" tendem a segurar quando houver uma boa mistura radial 
(alcançou a taxa de fluxo alto Re >104) e quando a mistura for axial podem ser 
negligenciados (quando o comprimento dividido pelo diâmetro do reator> 50 (aprox.)) 
 
 
No caso de uma reação de fase de gás, deve ser notada a história de pressão da 
reação no caso de da variação do número de mol durante a reação. 
A  B + C 
 
Com o progresso das reações o número de mol aumenta. Então numa pressão 
constante, a velocidade do fluido deve aumentar com o aumento da conversão. 
 
 
 
3 LEI DA TAXA , rj 
 
 rA = a taxa de formação da espécie A por unidade de volume 
[isto é, mol/dm3-s] 
 -rA = a taxa de consumo da espécie A por unidade de volume 
 rj é uma função da concentração, temperatura, pressão e o tipo de catalisador 
 rj é independe do tipo de sistema de reação (batch, plug flow, etc.) 
 rj é uma equação algébrica, não uma equação diferencial 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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4 EQUAÇÕES DE PROJETO PARA UM REATOR IDEAL BASEADA NO BALANÇO 
MATERIAL 
 
 
4.1 CONVERSÃO 
 
• Conversão é definida como resposta das perguntas: 
– Como podemos quantificar quão distante uma reação progrediu? 
– Quantos mol de produto de C são formados para todo reagente de mol de A 
consumido? 
• A conversão XA é o número de mols de A reagido por mol de A de entrada 
do sistema: 
 
 
 
 
4.2 BALANÇO DE MATERIAL PARA UM REATOR IDEAL SIMPLES QUALQUER – 
ISOTÉRMICO 
 
Rate of accumulation of reactant = Rate of reactant flow – Rate of reactant flow – Rate of reactant LOSS due to
in element of volume INTO OUT OF Chemical Reaction
 element of volume element of volume within the element of volume
 
 
 
 
 
 
 
 
entradadeAdemols
reagidoAdemols
X A 
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Elemento de volume do reator 
 
 
4.2.1 BALANÇO MOLAR - REATOR BATCH 
 
 Nenhum material entra ou deixa o reator. 
 Se a composição for uniforme (mistura perfeita) – 
o balanço material pode ser escrito baseado em todo o reator. 
 Nenhum fluxo entra ou sai do reator. Termos (2) e (3) = 0. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Taxa de acumulação de A, [mols/tempo] 
 
 
 
 
 
Taxa de consumo de A, [mols/tempo] 
 
 
 
 
 
dt
A
dN
dt
dX
N
dt
dN A
A
A 0
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Se o volume do sistema é constante, então: 
 
Onde CA0 é a concentração inicial de A (mol/m3) 
Integrando a equação dada para o reator batch: 
 
 
 
 
 
 
 
0
0
A
r
A C
V
N

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4.2.2 BALANÇO MOLAR - CSTR 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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144.2.3 BALANÇO MOLAR - PFR 
 
Em um reator plug flow a composição do fluido varia de ponto a ponto ao longo da 
trajetória do fluxo; por conseguinte, o balanço material para um componente da reação 
deve ser constituído por um elemento de volume diferencial dVr . 
 
 
 
 
Consumo de A por reação, mols/tempo = (-rA) dVr 
 
 
PFR (no estado estacionário) – Nenhuma ACUMULAÇÃO. 
 
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5- FATORES INVOLVENDO UM PROJETO DE REATOR 
 
• Composição de “Feedstock” 
– Único “feedstock” 
– Reagente em um solvente 
– Multi-componente “feedstock” 
• Escala do processo 
– Saída do produto 
• Cinética do Processo 
– Efeito da composição (concentração) 
– Efeito da temperatura 
– Catálise 
– Termodinâmica 
• Tipo de Reator 
– Batch / contínuo 
– Semi batch / Semi contínuo 
– Isotérmico, não-isotérmico, adiabático 
– Passagem única / reciclar 
– Reatores múltiplos 
• Outros 
– Materiais de construção 
– instrumentação 
– Segurança 
 
 
 
 
 
 
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6- EXEMPLO DE TIPOS DE REATORES 
• Reator de reações gasosa não catalítica homogênea 
• Reator de reações líquidas homogênea 
• Reator para líquido-líquido 
• Reator para gás-líquido 
• Reator não catalitico gás-sólido 
– Leito fixo 
– Leito fluidizado 
• Reator Leito fixo catalítico 
• Reator leito fluidizado catalítico 
• Reator para gás-líquido-sólido 
 
• Polimerização de etileno 
 (Alta pressão) 
• Polimerização mássica do estireno 
• Saponificação de gordura 
• Produção de ácido nítrico 
• Produção de ferro 
• Clorinação de metais 
• Síntese de amônia 
• Craqueamento catalítico (petróleo) 
• Hidrodesulfurização de óleos 
 
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7- SELEÇÃO DE REATORES 
 
• Batch 
• Escala pequena 
• Produção de produtos caros (farmacia) 
• Alto custo de mão de obra por batch 
• Difficuldade de produção em grande escala 
• CSTR : A maior parte dos reatores são de fluxo homogêneo na fase líquida 
• quando intensa agitação é requerida 
• relativamente fácil manter um bom controle de temperatura 
• a conversão de reagente por volume de reator é o menor dos reatores 
de fluxo - reatores muito grandes são necessários para obter altas 
conversões 
• PFR : A maior parte dos reatores são de fluxo homogêneo na fase de gás 
• relativamente fácil manter 
• normalmente produz a conversão mais alta por volume de reator (peso 
de catalisador se é um "packed bed" catalise reação de gás) de 
quaisquer dos reatores de fluxo 
• difícil controlar a temperatura dentro do reator 
• pontos quentes podem acontecer 
• Reator de leito fluidizado (leito fluidizado circulante CFB) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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8- BALANÇOS MOLAR EM 4 REATORES COMUNS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Reator Balanço Molar Comentário 
Batch Vr
dt
dN
j
j
 
Não há variação 
espacial 
CSTR 
j
jj
r
FF
V



0 Não há variação 
espacial, estado 
estacionário 
PFR 
j
j
r
dV
dF
 
Estado 
estacionário 
PBR 
j
j
r
dW
dF
 
Estado 
estacionário