Aula 1 - Introdução a Engenharia de Reatores

U S P – E E L - Escola de Engenharia de Lorena
Reatores – Aula 1 – Introdução a Engenharia de Reatores
1 - Introdução
“A cinética química e o projeto de reatores estão no coração de quase todos os produtos
químicos industriais. É, principalmente, o conhecimento da cinética química e o projeto do reator
que distinguem o engenheiro químico dos outros engenheiros”
(Fogler – Capítulo 1 – Introdução de seu livro)
2 – Objetivos do Curso
-
Familiarizar estudantes com a terminologia e conceitos das Engenharias das Reações
Químicas.
Integrar para o estudante o uso da Cinética Química no projeto de reatores químicos.
Desenvolver e reforçar habilidades matemáticas necessárias para o projeto de reatores
químicos.
3 – Estrutura
A idéia central do curso de reatores é permitir que o aluno faça a integração entre os
conhecimentos de química e a sua aplicação na Engenharia.
Os pilares da Engenharia das Reações Químicas, segundo Fogler, estão representados na
Figura 1.
Figura 1 - Os pilares da Engenharia das Reações Químicas
4 – Equação Geral de Balanço de Massa
O ponto inicial para o estudo de reatores é o balanço de massa das espécies químicas
(reagentes ou produtos) que participam de uma reação química.
Este balanço de massa é representado, de uma forma geral, pela equação 1.
_____________________________________________________
Notas de Aula - Reatores – Prof. Dr. Marco Antonio Pereira
U S P – E E L - Escola de Engenharia de Lorena
Reatores – Aula 1 – Introdução a Engenharia de Reatores
⎡Taxa de consumo de⎤
⎡Taxa de escoamento de⎤ ⎡Taxa de escoamento de⎤ ⎢
⎥ ⎡ Taxa de acúmulo ⎤
⎢ reagente para dentro ⎥ = ⎢ reagente para fora do ⎥ + ⎢ reagente devido à ⎥ + ⎢ do reagente no ⎥
⎢
⎥ ⎢
⎥ ⎢ Reação Química no ⎥ ⎢
⎥
⎢⎣ do elemento de volume⎥⎦ ⎢⎣ elemento de volume ⎥⎦ ⎢
⎥ ⎢⎣elemento de volume⎥⎦
⎣ elemento de volume ⎦
[Entra]
=
[Sai]
+
[Reage]
+
[Acumula]
___________________________________________________________
Equação 1 – Balanço de Massa Genérico
Para um elemento de volume do reator, o balanço de massa é representado na Figura 2.
Figura 2 – Balanço de massa para um elemento de volume do reator (Levenspiel)
5 – Equação Geral de Balanço de Energia
Uma análise mais completa de um reator implica também no estudo do balanço de energia
das espécies químicas (reagentes ou produtos) que participam de uma reação química.
Este balanço de energia é representado, de uma forma geral, pela equação 2.
⎡ Taxa de energia ⎤
⎡ Taxa de energia ⎤ ⎡ Taxa de energia ⎤ ⎢
⎥ ⎡ Taxa de acúmulo ⎤
consumida
pela
⎢ que entra no ⎥ = ⎢
⎥
⎥
⎢
⎥ ⎢
que sai do
⎢
⎥ ⎢
⎥ + ⎢ reação químicano ⎥ + ⎢ de energia no ⎥
⎢⎣elemento de volume⎥⎦ ⎢⎣elementode volume⎥⎦ ⎢
⎥ ⎢⎣elementode volume⎥⎦
elemento
de
volume
⎣
⎦
[Entra]
=
[Sai]
+
[Reage]
+
[Acumula]
___________________________________________________________
Equação 2 – Balanço de Energia Genérico
Para um elemento de volume do reator, o balanço de energia é representado na Figura 3.
_____________________________________________________
Notas de Aula - Reatores – Prof. Dr. Marco Antonio Pereira
U S P – E E L - Escola de Engenharia de Lorena
Reatores – Aula 1 – Introdução a Engenharia de Reatores
Figura 3 – Balanço de energia para um elemento de volume do reator (Levenspiel)
6 – Reatores Ideais e Não Ideais
Reatores Ideais são aqueles para os quais se desenvolve um modelo matemático
específico a partir de condições pré-estabelecidas e que aplicado às condições reais se ajusta
adequadamente.
Reatores Não Ideais são aqueles para os quais é necessário um tratamento matemático
específico em função de peculiaridades de reação e/ou reator.
O foco do nosso curso estará em Reatores Ideais.
7 – Tipos de Processos
Os três tipos de processos mais comuns são os seguintes:
• Descontínuo (ou Batelada) – Exemplo (a) da Figura 4
• Contínuo - Exemplo (b) da Figura 4
• Semi Batelada (ou semi contínuo) - Exemplos (c), (d) e (e) da Figura 4
Figura 4 – Formas de alimentação de um sistema (Levenspiel)
_____________________________________________________
Notas de Aula - Reatores – Prof. Dr. Marco Antonio Pereira
U S P – E E L - Escola de Engenharia de Lorena
Reatores – Aula 1 – Introdução a Engenharia de Reatores
Para cada uma das formas de alimentação apresentadas na Figura 4, a Tabela 1
apresenta um resumo da análise da variação do volume e da composição do meio reacional em
função do tempo.
EXEMPLO
OPERAÇÃO
VOLUME
COMPOSIÇÃO
(a)
Batelada
Constante
Variável
(b)
Contínua
Constante
Constante
(no mesmo ponto)
(c)
Semi Batelada
Variável
Variável
(d)
Semi Batelada
Variável
Constante
(e)
Semi Batelada
Constante
Variável
Tabela 1 - Análise da variação do volume e da composição do meio reacional
em função do tempo para diferentes formas de operação de um reator.
8 – Os 3 principais Reatores Ideais Básicos (foco nas reações homogêneas)
8.1- Reator descontínuo (ou batelada) – é um tanque com agitação mecânica no qual
todos os reagentes são introduzidos no reator em uma única vez. Em seguida são misturados e
reagem entre si. Após um tempo, os produtos obtidos são descarregados de única vez deste
reator.
Em inglês é conhecido como: Batch Reactor (vide figura 5a)
8.2 – Reator Tubular – é um tubo sem agitação no qual todas as partículas escoam com a
mesma velocidade na direção do fluxo.
Em inglês é conhecido como: Tubular Reactor ou Plug Flow Reactor (PFR). (vide figura 5b)
8.3 – Reator de mistura – é um tanque agitado com escoamento contínuo e sem acúmulo
de reagentes ou produtos e é operado de acordo com as seguintes características:
ƒ composição uniforme dentro do reator
ƒ a composição de saída é igual à composição do interior do reator
ƒ a taxa da reação é a mesma em todo o reator, inclusive na saída.
Em inglês é conhecido como: Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR). (vide figura 5c)
Figura 5 – Principais Tipos de Reatores Ideais
_____________________________________________________
Notas de Aula - Reatores – Prof. Dr. Marco Antonio Pereira
U S P – E E L - Escola de Engenharia de Lorena
Reatores – Aula 1 – Introdução a Engenharia de Reatores
Para cada um destes três principais tipos de reatores ideais, uma pergunta básica que
permite distinguir bem os três reatores entre si é a seguinte:
O que ocorre com a composição no meio reacional do reator (___________)
se forem coletadas alíquotas de seu interior:
(1) em tempos diferentes de um mesmo local?
(2) em locais diferentes ao mesmo tempo?
Reator
(1) Variação de Ci com o tempo
(2) Variação de Ci no espaço
Batch
varia
não varia
CSTR
Não varia
não varia
PFR
não varia
varia
Tabela 2 - Análise da variação da concentração em função do tempo em uma posição fixa ou
da variação da concentração em função da posição no reator num tempo fixo.
9 – Reatores para Reações Heterogêneas
9.1 – Reator de Leito Fixo
É um reator onde normalmente o meio
reacional se encontra em uma fase (líquida ou
gasosa) e existe um catalisador na fase
sólida. Normalmente, também é chamado de
reator catalítico de leito fixo, onde o
catalisador sólido é constituído de inúmeras e
pequenas partículas depositadas ao longo do
comprimento de um tubo.
Em inglês é conhecido como PackedBed Reactor (PBR).
Dos três tipos de reatores ideais apresentados, este reator (PBR) assmelha-se ao reator
tubular. A diferença é o “recheio” de partículas sólidas que existem nele.
_____________________________________________________
Notas de Aula - Reatores – Prof. Dr. Marco Antonio Pereira
U S P – E E L - Escola de Engenharia de Lorena
Reatores – Aula 1 – Introdução a Engenharia de Reatores
9.2 – Reator de Leito Fluidizado
O funcionamento deste reator é parecido com
o PBR. Entretanto na prática trata-se de um tubo
vertical onde pequenas partículas sólidas são
suspensas em uma corrente de fluxo ascendente.
A velocidade do fluxo é suficiente para
“suspender“ as partículas, mas não grande o
suficiente para arrastá-las para fora do reator. Em
função deste efeito, as partículas sólidas “dançam”
no fluido e permitem que se forme uma excelente
mistura entre ambos (partículas sólidas e fluido).
Exemplos de Reatores Industriais
Leituras Complementares Sugeridas
Missen – capítulo 11 – páginas 283 a 292
Missen – capítulo 21 – páginas 512 a 515
Missen – capítulo 23 – páginas 569 a 571
Fogler – capítulo 1 – páginas 16 a 24 (Exemplos de Reatores Industriais)
Fogler – capítulo 12 – páginas 786-787 (Reator de Leito Fluidizado)
Fotos de reatores industriais -
http://www.engin.umich.edu/~cre/01chap/master.htm
10 – Considerações Gerais
10.1 – Parâmetros Relacionados com Projeto de Reatores
1. Tipo de processo: Descontínuo, Contínuo ou Semi Batelada.
2. Tipo e natureza do sistema reagente:
Reagente(s) e produto(s)
Reação Simples e Complexa
Estequiometria
Número de Fases Presentes
Reação Catalítica ou Não Catalítica
Reação Endotérmica ou Exotérmica
3. Tipo e tamanho do Reator
Batelada
Contínuo (Mistura, Tubular, Leito Fixo, Leito Fluidizado,...)
4. Modo de Operação
Um único reator ou vários reatores
Reatores em série e/ou paralelo
Operação Isotérmica ou não isotérmica
Operação Adiabática ou não adiabática
5. Condições do Processo
Perfil de Temperatura
_____________________________________________________
Notas de Aula - Reatores – Prof. Dr. Marco Antonio Pereira
U S P – E E L - Escola de Engenharia de Lorena
Reatores – Aula 1 – Introdução a Engenharia de Reatores
6.
7.
8.
9.
Perfil de pressão
Composição da alimentação
Composição de saída do reator
Otimização
das Condições do Processo
do Tamanho do Reator
da Distribuição dos Produtos
da Conversão de Saída
dos Custos do Processo
Controle e Estabilidade de Operação
Instrumentação
Utilização de Catalisador (desativação, envenenamento)
Variáveis Sócio-Econômicas
Custos
Meio Ambiente
Segurança
Materiais da Construção
Procedimentos de Scale Up e Start Up
10.2 – Dados Requeridos para o Projeto de Reatores
Dados
Químicos
Cinéticos
Físico-Químicos
Tipos de Dados
Reagentes
Produtos
Lei da Velocidade (ordem, constante de velocidade)
Energia de ativação’
Equilíbrio Químico
Dados Termoquímicos (entalpia de reação, calores de formação,
capacidades caloríficas)
Densidade
Viscosidade
10.3 – Ferramentas a serem utilizadas
1. Cinética Química
2. Transferência de Calor
3. Transferência de Massa (Difusão)
4. Termodinâmica Química (Equilíbrio Químico e Equilíbrio de Fases)
5. Matemática Avançada
6. Softwares computacionais
Leitura Complementar
Levenspiel – Capítulo 4 – pagina 67-69
BIBLIOGRAFIA DO CAPÍTULO
Tópico
Equação Geral de Balanço de
Massa e de Balanço de Energia
Reatores Ideais Básicos (reações
homogêneas)
Ferramentas do estudo de Reatores
Bibliografia
Fogler - capítulo 1 – páginas 6 a 8
Levenspiel – Capítulo 4 – paginas 67-69
Fogler – capítulo1 – páginas 8 a 14, 16 a 21
Missen – capítulo 2 – páginas 26,29,33,294-295, 335-336, 365-366
Missen – capítulo 11- páginas 279 a 283
_____________________________________________________
Notas de Aula - Reatores – Prof. Dr. Marco Antonio Pereira
U S P – E E L - Escola de Engenharia de Lorena
Reatores – Aula 1 – Introdução a Engenharia de Reatores
Avaliação do Aprendizado
1 – (Fogler 1.9) – Consultando o texto do livro e as referencias adicionais sobre reatores comerciais
fornecidas ao final deste capitulo, preencha a seguinte tabela.
Tipo de
Reator
Características
Tipos de
Fases
Presentes
Uso
Vantagens
Desvantagens
Batch
CSTR
PFR
PBR
2 – (Fogler 1.14) – Escreva um resumo de um parágrafo de um artigo de um periódico de cinética
química ou engenharia de reatores químicos. O artigo deve ter sido publicado nos últimos cinco anos. O que
você aprendeu deste artigo? Por que este artigo é importante?
3 – (Fogler 1-17) – Veja as fotografias e os esquemas de reatores no CD-ROM (na biblioteca) ou no
website do livro (na web), na seção “Elements of Chemical Reaction Engineering – Chapter 1”.
Escreva um parágrafo descrevendo dois ou mais dos reatores. Que diferenças e semelhanças você
observa entre as fotos de reatores na Web e os reatores que você vê nos livros textos?
4 – (P1 – 2003) - Você está começando a sua vida profissional em uma indústria química. Seu chefe
sai com você para mostrar a fabrica e ao longo do trajeto vai lhe fazendo comentários sobre os diversos
tipos de reatores que lá estão.
Na primeira planta a ser visitada, seu chefe mostra a você um reator e diz : “Este é um reator
______________, e ele possui controle automáticos de temperatura e pressão que o monitoram o tempo
todo. Este é um tanque, que muitas vezes é confundido com um misturador. Sua principal característica é
__________________________________________________________________________”
Em seguida passando por uma outra planta industrial, seu chefe comenta: “Ih....este reator
_______________ agora é complicado, porque o maior desafio que temos é mantê-lo funcionando
continuamente a temperatura constante. Isto é muito difícil. Entretanto, dentre os reatores que operam em
fluxo continuo, este reator possui uma grande vantagem que é: ___________________________________
____________________________________________________________________________. Este reator
deve ser usado, preferencialmente, em reações em fase __________________.
Por outro lado, os reatores ____________________________ são usados quando a produção é
pequena ou quando as reações de segurança exigem que se opere pequenas quantidades de cada vez,
como é o caso de explosivos.
_____________________________________________________
Notas de Aula - Reatores – Prof. Dr. Marco Antonio Pereira