CAPITULO 1 - Introducao a Engenharia das Reaccoes Quimicas

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CAPITULO 1. 
INTRODUÇÃO À ENGENHARIA DAS REACÇÕES QUÍMICAS 
 
1.1. INTRODUÇÃO 
 
Etapas de um processo industrial: 
 
OPERACOES 
UNITARIAS
Transporte, 
Filtracao, Moagem, 
Secagem, etc.
PROCESSO 
UNITARIO
Reaccao Quimica
(Reactor Quimico)
OPERACOES 
UNITARIAS
Transporte, 
Filtracao, Moagem, 
Secagem, etc.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Funções principais dos Reactores Químicos: 
 
 Assegurar o tipo de contacto ou modo de fluir dos reagentes no interior do 
aparelho, para se conseguir uma mistura desejada das fases presentes. 
 
 Proporcionar o tempo suficiente de contacto entre as substâncias e com o 
catalizador, neste caso para conseguir a extensão desejada da reacção. 
 
 Permitir condições de pressão, temperatura e composição de modo que a reacção 
tenha lugar no grau e à velocidade desejadas, atendendo aos aspectos 
termodinâmico e cinético da reacção. 
 
Tarefa do Engenheiro Químico no Projecto e Operação de Reactores: 
No projecto de um reactor químico, o engenheiro deve escolher o tipo de reactor, o 
modo e condições operacionais, funcionamento e o dimensionamento, de maneira a 
obter um máximo de "lucro" dentro das restrições impostas pela natureza das 
matérias primas, pelos custos dos produtos, do capital e da mão de obra, das 
necessidades de segurança, de controle de poluição, de economia de energia, etc. 
 
Antes, responder às questões: 
1. Que mudanças se espera que ocorram? → Termodinâmica 
2. Com que velocidade ocorrerão as mudanças? → Cinética Química 
Objectivos: 
1. Projecto de uma nova instalação 
2. Operação/Optimização de uma instalação já em operação 
Centro das atenções desta disciplina 
O que um Engenheiro Químico deve saber: 
- Composição da matéria prima? 
- Tipo de processo (homogêneo, heterogêneo)? 
- Conversão? 
- Condições operatórias (T, P, C, etc)? 
- Natureza do fluxo (contínuo, descontínuo, transiente)? 
- Fluxos de calor (isotérmico, adiabático,...)? 
- Dimensões? 
- Custo? 
 
Existem várias escalas de estudo dos reactores: 
 
Escala laboratorial: experimentação em escala reduzida 
 
Escala piloto: avaliação em condições "reais" para assegurar o “scale-up”. 
Preparação de produtos para testes comerciais. Optimização do processo. 
 
Escala industrial: Nesta escala a experimentação é muito difícil, pois seria muito 
dispendiosa e não se deve perturbar a produção. Quando o reactor não é ideal, 
devem fazer-se as correcções necessárias após a consideração e cálculo inicial como 
se fosse ideal. 
 
 
1.1.1. Estrutura da Disciplina de Reactores Químicos 
 
Disciplinas de Reactores Químicos I e Reactores Químicos II tem por objectivo dar 
respostas a estas questões, assim: 
Em RQ I - Projecto de Reactores Ideais 
E, em RQ II - Projecto de Reactores Reais 
 
 
 
1.2. TIPOS DE REACTORES QUIMICOS 
 
Classificação de Reactores Químicos: 
 
Semicontinuos
Reactores
Quimicos
ContinuosDescontinuos
Reactor intermitente 
ou por partidas 
(BATCH)
Sem alimentacao nem 
efluente
Com alimentacao e 
sem efluente ou 
vice-versa (Semi-
BATCH)
Alimentacao e 
efluentes continuos
Reactor Tubular 
(PFR ou PBR)
Reactor de 
Agitacao (CSTR)
Plug Flow Reactor ou 
Packed Bed Reactor
Continuous Stirred 
Tank Reactor (Reactor 
Continuo de Agitacao 
Perfeita)
 
 
 
 
Reactor BATCH homogêneo 
Basicamente, são cinco os tipos de reactores 
químicos comumente usados na indústria: Batch, 
Semi-batch, CSTR, PFR e PBR. 
 
 
 
Cut-away view of a stirred-tank chemical reactor with a cooling jacket 
 
 
 
Chemical reactor with half coils wrapped around it 
 
 
Cross-sectional diagram of Continuous stirred-tank reactor 
 
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/5/5c/Batch_reactor.2.jpg
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0e/Final_half_coil_vessel.JPG
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/be/Agitated_vessel.svg
 
Tubular reactor schematic. Longitudinal tubular reactor. 
 
 
Tubular reactor photo. Tubular reactor for production of Dimersol G. 
 
Longitudinal catalytic packed-bed reactor. 
 
Tabela 1 – Comparação dos cinco tipos de Reactores Químicos 
 
Tipo de 
Reactor 
Características Usos Vantagens Desvantagens 
Batch 
• O reactor é carregado (pode 
ser através de aberturas no 
topo do tanque); enquanto a 
reacção é processada nada 
mais é adicionado/retirado 
até que o processamento seja 
interrompido/terminado; 
tanque facilmente 
aquecido/arrefecido. 
• Produção em pequena 
escala 
• Producão 
intermediária ou única 
• Produtos 
farmacêuticos 
• Fermentações 
• Elevada conversão por 
unidade de volume em 
cada processamento 
• O mesmo reactor pode 
ser usado para produzir 
um produto num 
processamento e outro 
produto no outro 
processamento. 
• Elevados custos 
operatórios (mão-de-obra) 
• Qualidade dos produtos 
mais variável que em 
operação conínua 
Semibatch 
• Um reagente é carregado e 
o outro alimentado 
continuamente (em pequenas 
concentrações); ou um dos 
produtos pode ser removido 
continuamente (para evitar 
reacções secundárias). 
 
• Produção em pequena 
escala 
• Reacções concorrentes 
 
• Boa selectividade; 
alimentação pode ser 
controlada, o que 
minimiza reacções 
paralelas. 
• Elevados custos 
operatórios (mão-de-obra) 
• Qualidade dos produtos 
mais variável que em 
operação conínua 
CSTR 
• Funciona em estado 
estacionário com contínuas 
correntes de reagentes e 
produtos; a alimentação 
assume uma composição 
uniforme em todo o reactor, 
e composição do efluente 
tem a mesma composição 
que o interior do tanque. 
• Quando fôr requerida 
agitação 
• Configuração em série 
para correntes de 
concentrações 
diferentes 
• Operação contínua 
• Bom controlo de 
temperatura 
• Bom controlo 
• Simplicidade de 
construção 
• Baixos custos 
operatórios (mão-de-obra) 
• Máis baixa conversão 
por unidade de volume 
• Possível ocorrência de 
by-pass e “channeling” 
com pobre agitação. 
PFR 
• É um reactor longo ou 
vários reactores curtos num 
tanque em forma de tubo; 
não tem variação radial da 
velocidade da reacção (e 
concentração); concentração 
varia ao longo do reactor. 
• Produção em larga 
escala 
• Reacções homogêneas 
• Produção contínua 
• Elevada temperatura. 
• Máxima conversão por 
unidade de volume 
• Baixos custos 
operatórios e de mão de 
obra 
• Operação continua 
• Boa transferência de 
massa 
• Podem existir gradientes 
térmicos indesejáveis 
• Fraco controlo de 
temperatura 
• O “shutdown” e a 
limpeza podem ser caros 
PBR 
• Reactor tubular com 
enchimento de partículas 
sólidas de catalisador 
• Usado principalmente 
em reacções catalíticas 
heterogêneas em fase 
gasosa 
• Máxima conversão por 
unidade de massa de 
catalisador 
• Baixos custos 
operatórios 
• Operação continua 
• Podem existir gradientes 
térmicos indesejáveis 
• Fraco controlo de 
temperatura 
• Pode ocorrer o 
“channeling” 
 
 
 
 
1.3. BALANÇO MÁSSICO EM REACTORES QUÍMICOS 
 
As equação básica para o dimensionamento de um reactor é a equação de balanço 
mássico (ou molar). Pode escrever-se uma equação para cada componente da reacção. 
 
1.3.1.Equação Geral de Balanço Mássico 
Para fazer-se o balanço mássico (ou molar) de qualquer sistema, em primeiro lugar 
devem ser estabelecidos os limites do sistema. 
 
Equação de balanço: 
 
 ENTRADA GERACAO SAIDA ACUMULACAO  ENTRADA GERACAO SAIDA ACUMULACAO  
O balanço é efectuado em torno de um sistema de composição e temperatura 
constantes. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fluxo molar do componente que entra/sai do sistema: 
 
j j
F v C  Unidades: moles de j/min 
 
com 
v : caudal volumétrico da corrente [m3/min] 
Cj: concentração de j na corrente [moles de j/m
3] 
 
Para correntes líquidas: 
Caudal volumétrico (quase) independente da pressão e da 
temperatura 
 
Para correntes gasosas: 
Caudal volumétricopode ser aproximado a um gás ideal: 
R T
v n
p

 
 
Onde n : fluxo molar total 
 
A concentração pode ser obtida apartir da equação de estado dos 
gases ideais, se a pressão parcial fôr conhecida: 
j j j j
j
n n y p pp
C
v n R T R T R T

    
  
 
System 
volume 
Geração/consumo de j 
 no sistema Gj 
Volume do 
Sistema 
Fluxo de j 
entrando para 
 o sistema, Fj,0 
Acumulação de j 
 no sistema, dNj/dt 
Fluxo de j 
saindo 
 do sistema, Fj 
Geração/consumo de j no sistema: 
 
j j sistema
G r V  Unidades: moles de j/min 
 com 
rj : Velocidade da reacção de formação de j no sistema 
normalizado com respeito ao volume do sistema/reacção 
[moles de j/(min.m3)] 
 
Vsistema: volume do sistema [m3] 
 
rj > 0: j está sendo formado na reacção química que tem lugar 
no sistema (PRODUTO) 
rj < 0: j está sendo consumido na reacção química que tem lugar 
no sistema (REAGENTE) 
rj = 0: velocidade de formação de j é igual à velocidade do seu 
consumo na reacção química que tem lugar no sistema (j 
pode ser um INERTE) 
 
Para sistemas líquidos: 
O volume do sistema é independente da pressão e da temperatura 
 
Para sistemas gasosos: 
O volume pode ser constante (mas a pressão pode ser variável 
durante a reacção); 
O volume varia se o número de moles variar devido à reacção E a 
pressão é mantida constante 
 sistema
R T
V n
p

  
 
Um reactor é tipicamente feito de muitos sistemas pequenos 
 
Total reactor
volume V
rj,2
rj,1
V1
V2
Total reactor
volume V
rj,2
rj,1
V1
V2
 r f C,T 
Geração no sub-volume: j,k j,k kG r V    
 
Geração em todo o reactor: 
k M k M
j j,k j,k k
k 1 k 1
G G r V
 
 
     
 
Fazendo os sub-volumes infinitamente pequenos (i.e. ΔVK0 e M) 
 
j j
V
G r dV  
 
 
Acumulação de j no sistema: 
 
j
dN
dt
: Variação do número de moles de j com o tempo no sistema 
 Unidades: moles de j/min 
 
 
Estão já definidos todos os termos da 
equação geral de balanço molar.... 
 
Substituindo todas as variáveis na equação de balanço molar para o 
composto j 
 
j
j,0 j j
dN
F G F
dt
   ou 
j
j,0 j j
dN
F F G
dt
   
 
 
j
j,0 j j
V
dN
F F r dV
dt
   
 
 
Equação Geral de Balanço Molar 
 
 
A tarefa no dimensionamento de um reactor é determinar o volume do 
reactor através da aplicação do balanço molar. 
 
Reactores ideais e isotérmicos: 
 
Reactores no estado transiente: 
Reactor batch ideal e isotérmico: 
 Não há fluxo nem de entrada nem de saída do reactor 
 A composição e a temperatura são idênticas em qualquer posição dentro do 
reactor 
 A composição no interior do reactor varia com o tempo 
 
Reactor semi-batch ideal e isotérmico: 
 Não há fluxo que entra para o reactor, mas existe fluxo saindo do reactor 
ou vice-versa (para reacções na fase líquida, o volume varia com o 
tempo!!) 
 A composição e a temperatura são idênticas em qualquer posição dentro do 
reactor 
 A composição dentro do reactor varia com o tempo 
 
Reactores de fluxo contínuo: 
Reactor contínuo de agitação perfeita (CSTR): 
 A composição e a temperatura são idênticas em qualquer posição dentro do 
reactor 
 A composição dentro do reactor não varia com o tempo 
 
Reactor tubular (PFR) 
 A composição e a temperatura variam em função da posição dentro do 
reactor 
 A composição em qualquer ponto dentro do reactor não varia com o tempo 
 
 
 
 
 
 
 
 
Condições operatórias do PFR ideal: 
- Perfil de velocidades não é parabólico; 
- Perfil de temperatura não varia com a concentração; 
- Não há resistência à transferência de massa 
(miscibilidade infinita), considerando as variações axiais 
e não as longitudinais. 
 
 
1.3.2. Reactor batch ideal e isotérmico: 
 
Substituindo na equação de balaço molar 
j
j,0 j j
V
dN
F F r dV
dt
    : 
j
j
dN
r V
dt
 
 
 
CASO 1: Reactor BATCH a Volume Constante (por ex. em reacções que 
tem lugar na fase líquida ou reacções na fase gasosa em que não 
há variação no número de moles durante a reacção): 
Equação de balanço molar para o reactor batch: 
j
j
dN1
r
V dt
  
Balanço molar para o reactor batch a volume constante: 
 
 
Pressão no reactor:  
 
 
reactor
R T t
p t n t
V

  
Pressure
gage
Pressure
gage
 Sem fluxo para o interior nem para fora do reactor 
j,0 j
F F 0  
 
 A composição e a temperatura são idênticas em 
qualquer ponto no interior do reactor 
 j j
V
r dV r V   
 
 A composição no interior do reactor varia com o 
tempo 
 
j
j
N
C
V
 e j j
1
dC dN
V
  
 
Em reacções na fase gasosa a 
pressão pode variar se o 
número de moles variar 
durante a reacção 
Equação de dimensionamento 
de um reactor BATCH 
j
j
dC
r
dt

 
CASO 2: Reactor BATCH a Pressão Constante, volume variável 
(somente aplicável para reacções na fase gasosa): 
 
j
j
N
C
V
 e j j j
1 1
dC dN N d
V V
 
     
 
 
 ou j j j
1 1
dN dC N d
V V
 
     
 
 
 j j j
1 1
dN dC C V d
V V
 
      
 
 
 j j j 2
1 V
dN dC C dV
V V
     
 j j j
1 1
dN dC C dV
V V
     
  j j j
1
dN dC C d ln V
V
    
 
 
Equação de balanço molar para o reactor batch: 
j
j
dN1
r
V dt
  
 
Balanço molar para o reactor batch a pressão constante: 
 
 
movable
piston
 j
j j
dC d ln V
r C
dt dt
  
 
1.3.3. Reactores de Fluxo Contínuo 
 
1.3.3.1. Reactor Contínuo de Agitação Perfeita (CSTR) 
 A composição e a temperatura são idênticas em qualquer ponto no interior 
do reactor, j j
V
r dV r V   
E POR ISSO a composição na saída é igual à composição em qualquer 
ponto no interior do reactor!!!! 
 A composição dentro do reactor não varia com o tempo, 
j
dN
0
dt
 
 
 
Substituindo na equação geral de balanço molar, 
j
j,0 j j
V
dN
F F r dV
dt
   
 
j,0 j j
F F r V 0   
 
 
ou 
 
j,0 j
j
F F
V
r


 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fj,0
Fj
Fj,0
Fj
Equação de dimensionamento 
de um reactor CSTR 
1.3.3.2. Reactor Tubular – “Plug Flow Reactor (PFR)” 
 
 
 “Plug flow”: um elemento (plug) move-se através do reactor sem interação 
com o material em frente e atrás do elemento. 
 A composição e a temperatura variam em função da posição no reactor; 
faz-se um balanço molar no elemento diferencial de volume, no qual a 
composição e a temperatura podem ser consideradas constantes 
j j
V
r dV r V

    
 A composição em qualquer ponto no interior do reactor não varia com o 
tempo; então no elemento diferencial do volume: 
 
j
dN
0
dt
 
 
Substituindo na equação geral de balanço molar, 
j
j,0 j j
V
dN
F F r dV
dt
    : 
   j j jF V F V V r V 0       
 
ou 
   j j
j
F V V F V
r
V
  


 
 
Aplicando o limite quando ΔV0, 
   j j j
j
v 0
F V V F V dF
r lim
V dV 
  
 

 
 
 
j
j
dF
r
dV

 
V
Fj,0 Fj
Fj(V) Fj(V+V)
V
Fj,0 Fj
Fj(V) Fj(V+V)
Equação de dimensionamento 
de um reactor PFR 
1.3.3.3. “Packed Bed Reactor (PBR)” 
Os reactores de enchimento (Packed Bed Reactors) são “plug flow reactors” com 
enchimento no seu interior (de catalisador, por exemplo). A velocidade da 
reacção é aqui normalizada com respeito à massa de sólido (W) 
 
rj’ : Velocidade da reacção de formação de j no sistema 
normalizada com respeito à massa do sólido (catalisador) 
[moles de j/(min.kg)] 
 
 
Substituindo na equação geral de balanço molar, 
j'
j,0 j j
W
dN
F F r dW
dt
    : 
    'j j jF W F W W r W 0       
 
ou 
   j j'
j
F W W F W
r
W
  


 
 
Tomando o limite quando ΔW0, 
   j j j
j
W 0
F W W F W dF
r lim
W dW 
  
 

 
 
j'
j
dF
r
dW

 
 
 
 
 
 
 
 
 
W
Fj,0 Fj
Fj(W) Fj(W+W)
W
Fj,0 Fj
Fj(W) Fj(W+W)
Equação de dimensionamento 
de um reactor PBR 
Resumo: 
 
 
 
 
Exemplosde Cálculo 
 
Exemplo de cálculo 1.1 (Problema P1.11A , in Fogler) 
 
A reacção A B é processada isotermicamente num reactor contínuo. Calcule 
tanto para CSTR como para PFR os volumes necessários para consumir 99% de 
A (i.e.,  A A0C 0.01C quando o caudal molar da alimentação fôr 5 mol/h, 
assumindo que a velocidade da reação –rA é: 
 
 (a) A 3
mol
r k com k 0.05
h dm
  

 (Resp.: V = 99 dm3) 
 (b) 
1
A A
r kC com k 0.0001s   
 (c) 
3
2
A A
dm
r kC com k 3
mol h
  

 (Resp.: VCSTR = 66,000 dm
3) 
 
O caudal volumétrico da alimentação é de 10 dm3/h. [Nota: A AF C v  . Para um 
caudal volumétrico constante 0v v , então A A 0F C v  . Também 
   3 3A0 A0 0C F v 5mol h 10dm h 0.5mol dm   ] 
 
 
Exemplo de cálculo 1.2 (Problema P1.12C , in Fogler) 
 
A reacção na fase gasosa A B C  é processada isotermicamente num 
reactor batch de volume constante de 20 dm3. Vinte moles de A puro são 
inicialmente postos no reactor. O reactor é perfeitamente agitado. 
 (a) Se a reacção fôr de primeira ordem: 
 
1
A A
r kC com k 0.865min   
 calcule o tempo necessário para reduzir o número de moles de A no 
reactor para 0.2 moles. [Nota: A AN C V  ]. (Resp.: t = 5.3 min) 
 
(b) Se a reacção fôr de segunda ordem: 
3
2
A A
2 dm
r kC com k
mol min
  

 
calcule o tempo necessário para consumir 19.0 moles de A. 
 
(c) Se a temperatura fôr de 127°C, qual é a pressão total inicial? Qual é 
a pressão total final assumindo que a reacção é completa? 
 
 
Exemplo de cálculo 1.3 
 
Resolva os exemplos de cálculo 1.1. e 1.2 usando o POLYMATH.