UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS – UFAM FACULTADE DE TECNOLOGIA – FT

ENGENHARIA QUÍMICA – FT12

ANA GABRIELA M. GONÇALVES - 21000409 1˚ ESTUDO DIRIGIDO DE CINÉTICA E REATORES:

TIPOS DE REATORES E SUAS RESPECTIVAS EQUAÇÕES DE BALANÇO

MANAUS∕AM

REATORES QUÍMICOS O reator químico é um equipamento onde ocorre uma reação química, quer dizer, onde determinadas espécies moleculares são transformadas noutras espécies moleculares. No reator, o fluido reacional pode ser aquecido ou arrefecido e pode também permutar massa e/ou calor com uma fase estagnante.

O reator químico constitui assim o "coração das unidades de fabricação de produtos químicos, encontrando-se quer em refinarias, complexos metalúrgicos ou nas mais variadas fábricas de produtos químicos. Nestas unidades industriais, o reator está geralmente rodeado doutros equipamentos colocados a montante e a jusante, destinados a tratamentos físicos das matérias primas e dos produtos da reação. Os reatores fazem também parte do equipamento utilizado na luta contra a poluição para tratar por via química ou biológica um certo número de efluentes.

Os equipamentos utilizados para a realização das transformações químicas apresentam uma grande diversidade de formas e dimensões. De fato, encontram-se nas unidades industriais fornos, caldeiras, tanques, colunas, balões, misturadores, ou simples tubos. Deste modo, poder-se-ia ser levado a pôr de parte qualquer tentativa de classificação dos reatores químicos, pensando que cada aparelho encontrado na prática constituía um caso particular. Diferentemente dos trocadores de calor ou de massa, os reatores têm que levar em consideração um termo de geração no balanço de massa e calor, devido à reação química, portanto, a taxa de reação química. Os reatores convencionais podem ser basicamente de três tipos: Reatores descontínuo (batelada), escoamento contínuo (tubular ou tanque) e semibatelada, sendo o primeiro tipo aplicado a processos em pequena escala e os do segundo tipo aplicados em processos em grande escala de produção. Exemplos dos reatores convencionais: Descontínuo (ou Batelada) – Exemplo (a) da Figura abaixo; Contínuo - Exemplo (b) da Figura abaixo e Semi Batelada (ou semi contínuo) - Exemplos (c), (d) e (e) da Figura abaixo.

Para cada uma das formas de alimentação apresentadas na Figura anterior, a Tabela abaixo apresenta um resumo da análise da variação do volume e da composição do meio reacional em função do tempo em cada tipo de reator convencional.

EQUAÇÃO GERAL DE BALANÇO MOLAR Para conduzir um balanço molar sobre qualquer sistema, primeiramente, deve-se especificar as fronteiras do sistema, através do chamado volume do sistema. E em seguida, realizar um balanço molar para a espécie j em um volume do sistema, em que a espécie j representa a espécie química particular de interesse.

Figura 1.0 - Balanço no volume do sistema. O balanço molar num sistema aberto e para qualquer reação, inicialmente a temperatura constante, e em qualquer instante de tempo, t, é mostrado no esquema abaixo:

Entrada – Saída + Geração = Acúmulo

Considerando-se Fj o fluxo molar e Gj a taxa de geração formada ou consumida, além de Nj o número de moles do componente j, teremos: componente j.

Fj0 – Fj + Gj = (dNj ⁄ dt) (Eq 1.0)

Nota-se que o balanço é feito para qualquer componente, reagente ou produto da reação e tem a unidade em moles⁄tempo. A taxa gerada ou consumida neste sistema é por unidade de volume, e é representada pela taxa de reação dentro de cada elemento de volume ∆V. Logo,

(Eq 1.1) Esta é a equação geral do balanço molar para qualquer componente j de uma reação química. É partir desta equação geral do balanço molar, que podemos desenvolver as equações de projeto para os vários reatores industriais: batelada, semibatelada e escoamento contínuo.

REATORES EM BATELADA

É um tipo de reator tanque com agitação mecânica. Um reator batelada não admite entrada nem saída de reagentes ou produtos durante o processamento da reação. Todos os reagentes são introduzidos no reator de uma só vez. Em seguida são misturados e reagem entre si. Após algum tempo, os produtos obtidos também são descarregados de uma só vez. Nesse tipo de reator, as variáveis como temperatura e concentração não variam com a posição dentro do reator, mas variam com o tempo. Em inglês é conhecido como Batch Reactor.. É alimentado através de aberturas no topo.

Um esquema dum reator descontínuo encontra-se na figura abaixo:

O reator batelada é usado para operação em pequena escala, para teste de novos processos que ainda não foram completamente desenvolvidos, para a fabricação de produtos caros e para processos que são difíceis de converter em operações contínuas.

Esse tipo de reator permite que altas conversões possam ser obtidas, deixando o reagente no reator por longos períodos de tempo. Quando a capacidade de conversão é baixa, o processo em batelada tem menor investimento de capital do que o processo contínuo, sendo preferíveis quando se está testando um novo produto. Existe uma flexibilidade de operação no mesmo reator, podendo-se obter produtos diferentes. É fácil de limpar

No reator em batelada há uma certa dificuldade na produção em grande

escala. Está associado a alto custo de mão-de-obra por batelada, por causa do tempo perdido durante a alimentação, o esvaziamento e a limpeza (o chamado “tempo morto”), que pode até inviabilizar o processo. A qualidade do produto é mais variável do que em reator de operação contínua.

Um reator em batelada não tem entrada nem saída de reagentes ou produtos, enquanto a reação é realizada: Fj0 = Fj = 0. O balanço geral molar resultante para a espécie j é

Se a mistura reacional é perfeitamente misturado, de modo que não há nenhuma variação da taxa de reação dentro do volume do reator. podemos tomar rj, fora da integral, integrar e escrever o balanço molar na forma

Eq (1.2)

Considerando a isomerização da espécie A em um reator em batelada A → B. À medida que a reação prossegue, o número de moles de A diminui e o número de moles de B aumenta, como mostra a figura abaixo:

O tempo, t1, necessário para reduzir o número inicial de mols de NAO

para um número final desejado NAl. Aplicando a equação (1.2) para a isomerização

Rearranjando E integrando com limites que, t = 0, NA = NAO, e em t = tl, NA = NAl,

obtemos

Eq (1.3)

Essa equação é a forma integral do balanço molar em um reator em batelada. Ela fornece o tempo, tl, necessário para reduzir o número de mols de NAO a NAl e também para formar NBL mols de B.

REATORES EM ESCOAMENTO CONTÍNUO Reatores com escoamento contínuo são quase sempre operados em regime estacionário. Os três tipos são: o reator contínuo de tanque agitado (CSTR), o reator com escoamento empistonado (PFR) e o reator de leito fixo (PBR). REATOR CONTÍNUO DE TANQUE AGITADO Um tipo de reator usado comumente em processamento industrial é o tanque operado continuamente (Figura abaixo):

Este tanque é chamado de reator contínuo de tanque agitado (CSTR) ou reator de retromistura, sendo usado principalmente para reações em fase liquida. É normalmente operado em estado estacionário e é considerado estar perfeitamente misturado; consequentemente, a temperatura, a concentração ou a velocidade de reação dentro do CSTR não depende do tempo ou da posição. Assim, a temperatura e a concentração são as mesmas na saída como em qualquer outro ponto do tanque. Quando a equação geral de balanço molar

É aplicada a um CSTR, operando em um estado estacionário,

Em que não há variações espaciais na velocidade de reação,

Ela adquire a seguinte forma, conhecida como a equação de projeto para um CSTR:

Eq (1.4) Esta equação nos fornece o volume V do reator, necessário para reduzir a vazão da espécie j que entra, de Fjo para a vazão de saída Fj, quando a espécie j está desaparecendo a uma velocidade de –rj. A vazão molar Fj para um reator CSTR é o produto da concentração da espécie j e a vazão volumétrica v:

Eq (1.5)

Combinando as equações 1.4 e 1.5 teremos um balanço para a espécie A como

Eq (1.6)

REATOR CONTÍNUO TUBULAR O reator tubular é constituído, na sua forma elementar, por um tubo cilíndrico no interior do qual circula o meio reacional numa dada direção e em que não existe agitação ou mistura da massa reacional. A permuta de calor, necessária quer para fornecer calorias ao sistema, ou para as eliminar, faz-se geralmente através da parede do tubo. Este tipo de reator é normalmente operado em estado estacionário, assim como o CSTR. Reatores tubulares são usados mais frequentemente para reações em fase gasosa. Tal equipamento pode ser representado esquematicamente na figura abaixo:

A hipótese mais simples de análise deste tipo de reator consiste em admitir que a mistura se escoa no interior do tubo ou tubos como um êmbolo se desloca no interior dum cilindro, a concentração do reagente limitante diminui continuamente ao longo do comprimento do reator. Assim, neste caso, o reator designa-se por reacor tubular ideal ou do tipo êmbolo ("plug flow reactor") e considera-se que a velocidade de escoamento é constante numa dada secção transversal e consequentemente a concentração e a conversão são constantes nessa secção reta. Obs: Neste tipo de reator não há variação radial na velocidade da reação e o reator é referido como um reator de escoamento empistonado (PFR). Quando a equação geral de balanço molar

A equação para projetar PFRs no estado estacionário pode ser desenvolvida de duas maneiras: (1) diretamente através da equação anterior, por diferenciação com relação ao volume V, ou (2) a partir de um balanço molar para a espécie j em um segmento diferencial do volume do reator, ∆V. Escolhendo a segunda maneira, teremos: O volume diferencial, ∆V, mostrado na figura abaixo, será escolhido suficientemente pequeno, de tal modo que não haja variações de velocidade de reação no interior desse volume.

Assim, o termo de geração, ∆Gj, é

Entrada – Saída + Geração = Acúmulo

Eq (1.7)

Dividindo por ∆V e rearranjando

O termo entre colchetes assemelha-se à definição da derivada

Tomando o limite quando ∆V tende a zero, é possível obter a forma diferencial do balanço molar em estado estacionário para um PFR.

Eq (1.8) Obs: O grau de extensão de uma reação alcançado em um reator ideal com escoamento empistonado (PFR) não depende de sua forma, mas apenas de seu volume total. Considerando a isomerização A → B, em um PFR. Á medida que os reagentes escoam pelo reator, A é consumido por reação química e B é produzido. Logo, a velocidade molar de escoamento de A diminui e a de B aumenta como é mostrado na figura abaixo:

O volume V2 do reator, necessário para reduzir a vazão molar de entrada de A, de FAO par FAl, é calculado da seguinte forma:

E integrando com os limites em V=0, então FA = FA0, e em V=Vl, então FA=FAl

Eq (1.9)

REFERÊNCIAS Levenspiel, O. Engenharia das Reações Químicas, 3◦ ed., Editora Edgard Blucher, 2000, Capítulos 5 e 6. Schmal, Martin. Cinética e Reatores: Aplicação na Engenharia Química: teoria e exercícios ., Editora Synergia, 2010. Capítulo 4.