Aula1 - Introdu--o a Engenharia de Reatores (1)

U S P E E L - E s c o l a d e E n g e n h a r i a d e L o r e n a Reatores Aula 1 Introduo a Engenharia de Reatores

_____________________________________________________ Notas de Aula - Reatores Prof. Dr. Marco Antonio Pereira

1 - Introduo A cintica qumica e o projeto de reatores esto no corao de quase todos os produtos qumicos industriais. , principalmente, o conhecimento da cintica qumica e o projeto do reator que distinguem o engenheiro qumico dos outros engenheiros

(Fogler Captulo 1 Introduo de seu livro) 2 Objetivos do Curso

- Familiarizar estudantes com a terminologia e conceitos das Engenharias das Reaes Qumicas.

- Integrar para o estudante o uso da Cintica Qumica no projeto de reatores qumicos. - Desenvolver e reforar habilidades matemticas necessrias para o projeto de reatores

qumicos. 3 Estrutura A idia central do curso de reatores permitir que o aluno faa a integrao entre os conhecimentos de qumica e a sua aplicao na Engenharia.

Os pilares da Engenharia das Reaes Qumicas, segundo Fogler, esto representados na Figura 1.

Figura 1 - Os pilares da Engenharia das Reaes Qumicas

4 Equao Geral de Balano de Massa O ponto inicial para o estudo de reatores o balano de massa das espcies qumicas (reagentes ou produtos) que participam de uma reao qumica.

Este balano de massa representado, de uma forma geral, pela equao 1.



+

+

=

volumede elementono reagente do

acmulo de Taxa

volumede elementono Qumica Reao devido reagentede consumo de Taxa

volumede elementodo fora para reagentede escoamento de Taxa

volumede elemento dodentro para reagente

de escoamento de Taxa

[Entra] = [Sai] + [Reage] + [Acumula]

___________________________________________________________ Equao 1 Balano de Massa Genrico

Para um elemento de volume do reator, o balano de massa representado na Figura 2.

Figura 2 Balano de massa para um elemento de volume do reator (Levenspiel)

5 Equao Geral de Balano de Energia Uma anlise mais completa de um reator implica tambm no estudo do balano de energia das espcies qumicas (reagentes ou produtos) que participam de uma reao qumica.

Este balano de energia representado, de uma forma geral, pela equao 2.

+

+

=

volumede elementono energia de

acmulo de Taxa

volumede elementono qumica reao

pela consumidaenergia de Taxa

volumede elementodo sai que

energia de Taxa

volumede elementono entra que

energia de Taxa

[Entra] = [Sai] + [Reage] + [Acumula]

___________________________________________________________ Equao 2 Balano de Energia Genrico

Para um elemento de volume do reator, o balano de energia representado na Figura 3.



Figura 3 Balano de energia para um elemento de volume do reator (Levenspiel)

6 Reatores Ideais e No Ideais

Reatores Ideais so aqueles para os quais se desenvolve um modelo matemtico especfico a partir de condies pr-estabelecidas e que aplicado s condies reais se ajusta adequadamente.

Reatores No Ideais so aqueles para os quais necessrio um tratamento matemtico

especfico em funo de peculiaridades de reao e/ou reator. O foco do nosso curso estar em Reatores Ideais.

7 Tipos de Processos Os trs tipos de processos mais comuns so os seguintes:

Descontnuo (ou Batelada) Exemplo (a) da Figura 4 Contnuo - Exemplo (b) da Figura 4 Semi Batelada (ou semi contnuo) - Exemplos (c), (d) e (e) da Figura 4

Figura 4 Formas de alimentao de um sistema (Levenspiel)



Para cada uma das formas de alimentao apresentadas na Figura 4, a Tabela 1 apresenta um resumo da anlise da variao do volume e da composio do meio reacional em funo do tempo.

EXEMPLO OPERAO VOLUME COMPOSIO

(a) Batelada Constante Varivel

(b) Contnua Constante Constante (no mesmo ponto)

(c) Semi Batelada Varivel Varivel

(d) Semi Batelada Varivel Constante

(e) Semi Batelada Constante Varivel

Tabela 1 - Anlise da variao do volume e da composio do meio reacional em funo do tempo para diferentes formas de operao de um reator.

8 Os 3 principais Reatores Ideais Bsicos (foco nas reaes homogneas)

8.1- Reator descontnuo (ou batelada) um tanque com agitao mecnica no qual todos os reagentes so introduzidos no reator em uma nica vez. Em seguida so misturados e reagem entre si. Aps um tempo, os produtos obtidos so descarregados de nica vez deste reator.

Em ingls conhecido como: Batch Reactor (vide figura 5a) 8.2 Reator Tubular um tubo sem agitao no qual todas as partculas escoam com a

mesma velocidade na direo do fluxo. Em ingls conhecido como: Tubular Reactor ou Plug Flow Reactor (PFR). (vide figura 5b) 8.3 Reator de mistura um tanque agitado com escoamento contnuo e sem acmulo

de reagentes ou produtos e operado de acordo com as seguintes caractersticas: composio uniforme dentro do reator a composio de sada igual composio do interior do reator a taxa da reao a mesma em todo o reator, inclusive na sada.

Em ingls conhecido como: Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR). (vide figura 5c)

Figura 5 Principais Tipos de Reatores Ideais



Para cada um destes trs principais tipos de reatores ideais, uma pergunta bsica que permite distinguir bem os trs reatores entre si a seguinte:

O que ocorre com a composio no meio reacional do reator (___________) se forem coletadas alquotas de seu interior:

(1) em tempos diferentes de um mesmo local? (2) em locais diferentes ao mesmo tempo?

Reator (1) Variao de Ci com o tempo (2) Variao de Ci no espao

Batch varia no varia

CSTR No varia no varia

PFR no varia varia Tabela 2 - Anlise da variao da concentrao em funo do tempo em uma posio fixa ou

da variao da concentrao em funo da posio no reator num tempo fixo. 9 Reatores para Reaes Heterogneas 9.1 Reator de Leito Fixo

um reator onde normalmente o meio reacional se encontra em uma fase (lquida ou gasosa) e existe um catalisador na fase slida. Normalmente, tambm chamado de reator cataltico de leito fixo, onde o catalisador slido constitudo de inmeras e pequenas partculas depositadas ao longo do comprimento de um tubo. Em ingls conhecido como Packed-Bed Reactor (PBR).

Dos trs tipos de reatores ideais apresentados, este reator (PBR) assmelha-se ao reator tubular. A diferena o recheio de partculas slidas que existem nele.



9.2 Reator de Leito Fluidizado

O funcionamento deste reator parecido com o PBR. Entretanto na prtica trata-se de um tubo vertical onde pequenas partculas slidas so suspensas em uma corrente de fluxo ascendente. A velocidade do fluxo suficiente para suspender as partculas, mas no grande o suficiente para arrast-las para fora do reator. Em funo deste efeito, as partculas slidas danam no fluido e permitem que se forme uma excelente mistura entre ambos (partculas slidas e fluido).

Exemplos de Reatores Industriais

Leituras Complementares Sugeridas Missen captulo 11 pginas 283 a 292 Missen captulo 21 pginas 512 a 515 Missen captulo 23 pginas 569 a 571 Fogler captulo 1 pginas 16 a 24 (Exemplos de Reatores Industriais)

Fogler captulo 12 pginas 786-787 (Reator de Leito Fluidizado) Fotos de reatores industriais - http://www.engin.umich.edu/~cre/01chap/master.htm

10 Consideraes Gerais 10.1 Parmetros Relacionados com Projeto de Reatores

1. Tipo de processo: Descontnuo, Contnuo ou Semi Batelada. 2. Tipo e natureza do sistema reagente:

Reagente(s) e produto(s) Reao Simples e Complexa Estequiometria Nmero de Fases Presentes Reao Cataltica ou No Cataltica Reao Endotrmica ou Exotrmica

3. Tipo e tamanho do Reator Batelada Contnuo (Mistura, Tubular, Leito Fixo, Leito Fluidizado,...)

4. Modo de Operao Um nico reator ou vrios reatores Reatores em srie e/ou paralelo Operao Isotrmica ou no isotrmica Operao Adiabtica ou no adiabtica

5. Condies do Processo Perfil de Temperatura



Perfil de presso Composio da alimentao Composio de sada do reator

6. Otimizao das Condies do Processo do Tamanho do Reator da Distribuio dos Produtos da Converso de Sada dos Custos do Processo

7. Controle e Estabilidade de Operao Instrumentao Utilizao de Catalisador (desativao, envenenamento) Variveis Scio-Econmicas Custos Meio Ambiente Segurana

8. Materiais da Construo 9. Procedimentos de Scale Up e Start Up

10.2 Dados Requeridos para o Projeto de Reatores

Dados Tipos de Dados

Qumicos Reagentes Produtos

Cinticos Lei da Velocidade (ordem, constante de velocidade) Energia de ativao

Fsico-Qumicos

Equilbrio Qumico Dados Termoqumicos (entalpia de reao, calores de formao, capacidades calorficas) Densidade Viscosidade

10.3 Ferramentas a serem utilizadas

1. Cintica Qumica 2. Transferncia de Calor 3. Transferncia de Massa (Difuso) 4. Termodinmica Qumica (Equilbrio Qumico e Equilbrio de Fases) 5. Matemtica Avanada 6. Softwares computacionais

Leitura Complementar Levenspiel Captulo 4 pagina 67-69 BIBLIOGRAFIA DO CAPTULO

Tpico Bibliografia Equao Geral de Balano de

Massa e de Balano de Energia Fogler - captulo 1 pginas 6 a 8 Levenspiel Captulo 4 paginas 67-69

Reatores Ideais Bsicos (reaes homogneas)

Fogler captulo1 pginas 8 a 14, 16 a 21 Missen captulo 2 pginas 26,29,33,294-295, 335-336, 365-366

Ferramentas do estudo de Reatores Missen captulo 11- pginas 279 a 283



Avaliao 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 Caractersticas

Tipos de Fases

Presentes Uso Vantagens Desvantagens

Batch

CSTR

PFR

PBR

2 (Fogler 1.14) Escreva um resumo de um pargrafo de um artigo de um peridico de cintica

qumica ou engenharia de reatores qumicos. O artigo deve ter sido publicado nos ltimos cinco anos. O que voc aprendeu deste artigo? Por que este artigo 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 seo Elements of Chemical Reaction Engineering Chapter 1. Escreva um pargrafo descrevendo dois ou mais dos reatores. Que diferenas e semelhanas voc

observa entre as fotos de reatores na Web e os reatores que voc v nos livros textos?

4 (P1 2003) - Voc est comeando a sua vida profissional em uma indstria qumica. Seu chefe sai com voc para mostrar a fabrica e ao longo do trajeto vai lhe fazendo comentrios sobre os diversos tipos de reatores que l esto.

Na primeira planta a ser visitada, seu chefe mostra a voc um reator e diz : Este um reator ______________, e ele possui controle automticos de temperatura e presso que o monitoram o tempo todo. Este um tanque, que muitas vezes confundido com um misturador. Sua principal caracterstica __________________________________________________________________________

Em seguida passando por uma outra planta industrial, seu chefe comenta: Ih....este reator _______________ agora complicado, porque o maior desafio que temos mant-lo funcionando continuamente a temperatura constante. Isto muito difcil. Entretanto, dentre os reatores que operam em fluxo continuo, este reator possui uma grande vantagem que : ___________________________________ ____________________________________________________________________________. Este reator deve ser usado, preferencialmente, em reaes em fase __________________.

Por outro lado, os reatores ____________________________ so usados quando a produo pequena ou quando as reaes de segurana exigem que se opere pequenas quantidades de cada vez, como o caso de explosivos.

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