CAPITULO 1

CAPITULO 1.

INTRODUO ENGENHARIA DAS REACES QUMICAS

1.1. INTRODUO

Etapas de um processo industrial:

Funes principais dos Reactores Qumicos: 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 substncias e com o catalizador, neste caso para conseguir a extenso desejada da reaco. Permitir condies de presso, temperatura e composio de modo que a reaco tenha lugar no grau e velocidade desejadas, atendendo aos aspectos termodinmico e cintico da reaco.Tarefa do Engenheiro Qumico no Projecto e Operao de Reactores:

No projecto de um reactor qumico, o engenheiro deve escolher o tipo de reactor, o modo e condies operacionais, funcionamento e o dimensionamento, de maneira a obter um mximo de "lucro" dentro das restries impostas pela natureza das matrias primas, pelos custos dos produtos, do capital e da mo de obra, das necessidades de segurana, de controle de poluio, de economia de energia, etc. Antes, responder s questes:

1. Que mudanas se espera que ocorram? Termodinmica

2. Com que velocidade ocorrero as mudanas? Cintica Qumica

Objectivos:

1. Projecto de uma nova instalao2. Operao/Optimizao de uma instalao j em operao

O que um Engenheiro Qumico deve saber:

- Composio da matria prima?

- Tipo de processo (homogneo, heterogneo)?

- Converso?

- Condies operatrias (T, P, C, etc)?

- Natureza do fluxo (contnuo, descontnuo, transiente)?

- Fluxos de calor (isotrmico, adiabtico,...)?

- Dimenses?

- Custo?

Existem vrias escalas de estudo dos reactores:Escala laboratorial: experimentao em escala reduzidaEscala piloto: avaliao em condies "reais" para assegurar o scale-up. Preparao de produtos para testes comerciais. Optimizao do processo.Escala industrial: Nesta escala a experimentao muito difcil, pois seria muito dispendiosa e no se deve perturbar a produo. Quando o reactor no ideal, devem fazer-se as correces necessrias aps a considerao e clculo inicial como se fosse ideal. 1.1.1. Estrutura da Disciplina de Reactores Qumicos

Disciplinas de Reactores Qumicos I e Reactores Qumicos II tem por objectivo dar respostas a estas questes, assim:

Em RQ I - Projecto de Reactores Ideais

E, em RQ II - Projecto de Reactores Reais

1.2. TIPOS DE REACTORES QUIMICOS

Classificao de Reactores Qumicos:

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

Tubular reactor schematic. Longitudinal tubular reactor.

Tubular reactor photo. Tubular reactor for production of Dimersol G.

Longitudinal catalytic packed-bed reactor.

Tabela 1 Comparao dos cinco tipos de Reactores Qumicos

Tipo de ReactorCaractersticasUsosVantagensDesvantagens

Batch O reactor carregado (pode ser atravs de aberturas no topo do tanque); enquanto a reaco processada nada mais adicionado/retirado at que o processamento seja interrompido/terminado; tanque facilmente aquecido/arrefecido. Produo em pequena escala

Produco intermediria ou nica

Produtos farmacuticos

Fermentaes Elevada converso 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 operatrios (mo-de-obra)

Qualidade dos produtos mais varivel que em operao connua

Semibatch Um reagente carregado e o outro alimentado continuamente (em pequenas concentraes); ou um dos produtos pode ser removido continuamente (para evitar reaces secundrias). Produo em pequena escala

Reaces concorrentes

Boa selectividade; alimentao pode ser controlada, o que minimiza reaces paralelas. Elevados custos operatrios (mo-de-obra)

Qualidade dos produtos mais varivel que em operao connua

CSTR Funciona em estado estacionrio com contnuas correntes de reagentes e produtos; a alimentao assume uma composio uniforme em todo o reactor, e composio do efluente tem a mesma composio que o interior do tanque. Quando fr requerida agitao

Configurao em srie para correntes de concentraes diferentes Operao contnua

Bom controlo de temperatura

Bom controlo

Simplicidade de construo

Baixos custos operatrios (mo-de-obra) Mis baixa converso por unidade de volume

Possvel ocorrncia de by-pass e channeling com pobre agitao.

PFR um reactor longo ou vrios reactores curtos num tanque em forma de tubo; no tem variao radial da velocidade da reaco (e concentrao); concentrao varia ao longo do reactor. Produo em larga escala

Reaces homogneas

Produo contnua

Elevada temperatura. Mxima converso por unidade de volume

Baixos custos operatrios e de mo de obra

Operao continua

Boa transferncia de massa Podem existir gradientes trmicos indesejveis

Fraco controlo de temperatura

O shutdown e a limpeza podem ser caros

PBR Reactor tubular com enchimento de partculas slidas de catalisador Usado principalmente em reaces catalticas heterogneas em fase gasosa Mxima converso por unidade de massa de catalisador

Baixos custos operatrios

Operao continua Podem existir gradientes trmicos indesejveis

Fraco controlo de temperatura

Pode ocorrer o channeling

1.3. BALANO MSSICO EM REACTORES QUMICOS

As equao bsica para o dimensionamento de um reactor a equao de balano mssico (ou molar). Pode escrever-se uma equao para cada componente da reaco.

1.3.1. Equao Geral de Balano MssicoPara fazer-se o balano mssico (ou molar) de qualquer sistema, em primeiro lugar devem ser estabelecidos os limites do sistema.Equao de balano:

O balano efectuado em torno de um sistema de composio e temperatura constantes.

Fluxo molar do componente que entra/sai do sistema:

Unidades:moles de j/mincom

:caudal volumtrico da corrente [m3/min]Cj:concentrao de j na corrente [moles de j/m3]Para correntes lquidas:

Caudal volumtrico (quase) independente da presso e da temperaturaPara correntes gasosas:

Caudal volumtrico pode ser aproximado a um gs ideal:

Onde :fluxo molar totalA concentrao pode ser obtida apartir da equao de estado dos gases ideais, se a presso parcial fr conhecida:

Gerao/consumo de j no sistema:

Unidades:moles de j/min

com

rj :Velocidade da reaco de formao de j no sistema normalizado com respeito ao volume do sistema/reaco

[moles de j/(min.m3)]Vsistema:volume do sistema [m3]rj > 0: j est sendo formado na reaco qumica que tem lugar no sistema (PRODUTO)

rj < 0: j est sendo consumido na reaco qumica que tem lugar no sistema (REAGENTE)

rj = 0: velocidade de formao de j igual velocidade do seu consumo na reaco qumica que tem lugar no sistema (j pode ser um INERTE)

Para sistemas lquidos:

O volume do sistema independente da presso e da temperaturaPara sistemas gasosos:

O volume pode ser constante (mas a presso pode ser varivel durante a reaco);O volume varia se o nmero de moles variar devido reaco E a presso mantida constante

Um reactor tipicamente feito de muitos sistemas pequenos

Gerao no sub-volume:

Gerao em todo o reactor:

Fazendo os sub-volumes infinitamente pequenos (i.e. VK(0 e M(()

Acumulao de j no sistema:

:

Variao do nmero de moles de j com o tempo no sistema

Unidades:moles de j/min

Esto j definidos todos os termos da equao geral de balano molar....Substituindo todas as variveis na equao de balano molar para o composto j

ou

Equao Geral de Balano MolarA tarefa no dimensionamento de um reactor determinar o volume do reactor atravs da aplicao do balano molar.

Reactores ideais e isotrmicos:

Reactores no estado transiente:

Reactor batch ideal e isotrmico:

No h fluxo nem de entrada nem de sada do reactor

A composio e a temperatura so idnticas em qualquer posio dentro do reactor A composio no interior do reactor varia com o tempoReactor semi-batch ideal e isotrmico:

No h fluxo que entra para o reactor, mas existe fluxo saindo do reactor ou vice-versa (para reaces na fase lquida, o volume varia com o tempo!!)

A composio e a temperatura so idnticas em qualquer posio dentro do reactor A composio dentro do reactor varia com o tempoReactores de fluxo contnuo:

Reactor contnuo de agitao perfeita (CSTR):

A composio e a temperatura so idnticas em qualquer posio dentro do reactor

A composio dentro do reactor no varia com o tempoReactor tubular (PFR)

A composio e a temperatura variam em funo da posio dentro do reactor

A composio em qualquer ponto dentro do reactor no varia com o tempo

1.3.2. Reactor batch ideal e isotrmico:

Substituindo na equao de balao molar :

CASO 1:Reactor BATCH a Volume Constante (por ex. em reaces que tem lugar na fase lquida ou reaces na fase gasosa em que no h variao no nmero de moles durante a reaco):Equao de balano molar para o reactor batch:

Balano molar para o reactor batch a volume constante: Presso no reactor:

CASO 2:Reactor BATCH a Presso Constante, volume varivel (somente aplicvel para reaces na fase gasosa):

e

ou

Equao de balano molar para o reactor batch:

Balano molar para o reactor batch a presso constante:

1.3.3. Reactores de Fluxo Contnuo1.3.3.1. Reactor Contnuo de Agitao Perfeita (CSTR)

A composio e a temperatura so idnticas em qualquer ponto no interior do reactor, E POR ISSO a composio na sada igual composio em qualquer ponto no interior do reactor!!!! A composio dentro do reactor no varia com o tempo,

Substituindo na equao geral de balano molar,

ou

1.3.3.2. Reactor Tubular Plug Flow Reactor (PFR)

Plug flow: um elemento (plug) move-se atravs do reactor sem interao com o material em frente e atrs do elemento. A composio e a temperatura variam em funo da posio no reactor; faz-se um balano molar no elemento diferencial de volume, no qual a composio e a temperatura podem ser consideradas constantes

A composio em qualquer ponto no interior do reactor no varia com o tempo; ento no elemento diferencial do volume:

Substituindo na equao geral de balano molar, :

ou

Aplicando o limite quando V(0,

1.3.3.3. Packed Bed Reactor (PBR)Os reactores de enchimento (Packed Bed Reactors) so plug flow reactors com enchimento no seu interior (de catalisador, por exemplo). A velocidade da reaco aqui normalizada com respeito massa de slido (W)

rj :Velocidade da reaco de formao de j no sistema normalizada com respeito massa do slido (catalisador) [moles de j/(min.kg)]

Substituindo na equao geral de balano molar, :

ou

Tomando o limite quando W(0,

Resumo:

Exemplos de Clculo

Exemplo de clculo 1.1 (Problema P1.11A , in Fogler)A reaco processada isotermicamente num reactor contnuo. Calcule tanto para CSTR como para PFR os volumes necessrios para consumir 99% de A (i.e., quando o caudal molar da alimentao fr 5 mol/h, assumindo que a velocidade da reao rA :

(a)

(Resp.: V = 99 dm3)

(b)

(c)

(Resp.: VCSTR = 66,000 dm3)

O caudal volumtrico da alimentao de 10 dm3/h. [Nota: . Para um caudal volumtrico constante , ento . Tambm ]Exemplo de clculo 1.2 (Problema P1.12C , in Fogler)A reaco na fase gasosa processada isotermicamente num reactor batch de volume constante de 20 dm3. Vinte moles de A puro so inicialmente postos no reactor. O reactor perfeitamente agitado.

(a)Se a reaco fr de primeira ordem:

calcule o tempo necessrio para reduzir o nmero de moles de A no reactor para 0.2 moles. [Nota: ]. (Resp.: t = 5.3 min)

(b) Se a reaco fr de segunda ordem:

calcule o tempo necessrio para consumir 19.0 moles de A.

(c)Se a temperatura fr de 127C, qual a presso total inicial? Qual a presso total final assumindo que a reaco completa?Exemplo de clculo 1.3

Resolva os exemplos de clculo 1.1. e 1.2 usando o POLYMATH.

Centro das atenes desta disciplina

Basicamente, so cinco os tipos de reactores qumicos comumente usados na indstria: Batch, Semi-batch, CSTR, PFR e PBR.

Reactor BATCH homogneo

EMBED Equation.DSMT4

System

volume

Gerao/consumo de j

no sistema Gj

Volume do

Sistema

Fluxo de j

entrando para

o sistema, Fj,0

Acumulao de j

no sistema, dNj/dt

Fluxo de j

saindo

do sistema, Fj

EMBED Equation.DSMT4

Condies operatrias do PFR ideal:

- Perfil de velocidades no parablico;

- Perfil de temperatura no varia com a concentrao;

- No h resistncia transferncia de massa (miscibilidade infinita), considerando as variaes axiais e no as longitudinais.

Sem fluxo para o interior nem para fora do reactor EMBED Equation.3

A composio e a temperatura so idnticas em qualquer ponto no interior do reactor

EMBED Equation.3

A composio no interior do reactor varia com o tempo

Equao de dimensionamento de um reactor BATCH

Em reaces na fase gasosa a presso pode variar se o nmero de moles variar durante a reaco

EMBED Equation.3 e EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

Equao de dimensionamento de um reactor CSTR

Equao de dimensionamento de um reactor PFR

Equao de dimensionamento de um reactor PBR

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_1341780340.vsdSemicontinuos

ReactoresQuimicos

Continuos

Descontinuos

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)

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_1341767281.vsdOperacoes UnitariasTransporte, Filtracao, Moagem, Secagem, etc.

Processo Unitario

Reaccao Quimica(Reactor Quimico)

Operacoes UnitariasTransporte, Filtracao, Moagem, Secagem, etc.