Reatores químicos 2
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Trabalho realizado por:
André Rocha nº2
João Maia nº6
Maria Inês nº7
*Reatores químicos
Os reatores químicos são equipamentos que
realizam reações em escala industrial para
transformação de matérias primas em produtos.
Esta definição exclui os equipamentos e
vidraçaria de laboratórios que realizam reações
como parte de procedimentos analíticos e
sintéticos ou como parte de determinações de
propriedades físico-química de materiais.
O que são reatoresquímicos?
Transferências de energia podem vir na forma de aquecimento ou resfriamento.
Reatores químicos
Equipamento onde ocorrem reações químicas, transferências de massa e calor, isto é, onde determinadas espécies moleculares são
transformadas noutras espécies moleculares
O fluido reacional pode ser aquecido ou arrefecido e pode também trocar a massa e /ou calor com uma fase estagnante.
Constitui assim o “coração “ das unidades de fabrico de produtos químicos, encontrando-se quer em refinarias, complexos de metalúrigicos ou fábricas de
produtos químicos.
Fase estagnante: fase que parou, não tem
movimento no reator
Fase estagnante
Especiais:
Próprios para um determinado processo (não ideais)
Padronizados:
Com finalidade multipropósito, desde que os produtos tenham alguma catarerística em comum.ex.: viscosidade, faixa pH, temperatura, pressão, etc… (ideais)
Existem vários tipos de reatores químicos e várias formas de classificá-los.
Reatores ideiasSão 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 ideias:São aqueles para os quais é necessário um
tratamento matemático específico em função de peculiaridades de reação e / ou
reator
•Exemplos
Tanques (Fermentação de cerveja)
Tubulações (Divisão, quebra de hidrocarbonetos)
Altos-fornos (Redução de minério de ferro)
*Ambos os reatores (tubular e tanque) podem operar em modo descontínuo
ou contínuo.
* Normalmente, a operação de um reator é feita em regime permanente sendo
que uma operação transitória ocorre quando, por exemplo, existe alguma
manutenção no equipamento e este deve ser colocado em operação de regime
novamente.
* Os reatores podem acomodar sólidos (reagentes, catalisadores, materiais
inertes), mas em geral os reagentes são tipicamente líquidos e gases.
Tanques
Tubulares
Reatores com fornos
Dentro das diversas características duma transformação química, tomemos, para servir debase à nossa classificação, a mais evidente à escala macroscópica, a natureza das fases empresença.Deste modo uma primeira distinção entre os diversos casos será:
Sistemas monofásicos ou homogéneosO meio reaccional é constituído por uma única fase, gasosa ou uma fase líquida.Neste caso os reactores são ditos do tipo homogéneo.
Sistemas polifásicos ou heterogéneos
Podem ser considerados inúmeras combinações:Gás + líquido; Líquido + líquido; Gás + sólido; Líquido + sólido; Gás + líquido + sólido
ou de uma forma mais geral:Fluidos + sólidos
Os reatores também podem ser classificados quanto a natureza das
fases participantes como reatores homogéneos de meios totalmente
gasosos ou líquidos, e reatores heterogéneos, com os reagentes
estando nas diversas combinaçoes de fases possíveis:
gás-líquido, gás-sólido, líquido-sólido e gás-líquido-sólido.
Reatores de reações químicas sólido-sólido são relativamente raros.
Modo de operação
ContínuosDescontínuos
Semi descontínuos
Tipo de reaçãoCatalíticos
Não catalíticos
Geometria do reator
HomogéneoNão homogéneo (heterogéneo)
Tanque perfeitamente agitado
Tubular
Contínuos: CSTRDescontínuos
Semi descontínuos
Fase homogéneaLeito fixo
Leito móvel
Fases da mistura
É um processo no qual há entrada de massa, mas o produto não é removido durante a operação ou não havendo
entrada de massa e só remoção do produto.
Processo Contínuo
É um processo no qual a massa de alimentação e os produtos fluem continuamente enquanto dura o
processo.
Processo descontínuo (batelada)
É um processo no qual a massa não é adicionada nem removida do processo durante
a sua operação.
Processo semi-contínuo (ou sem -
descontínuo)
Processo Contínuo
Processo descontínuo (batelada)
Processo semi-contínuo(ou sem - descontínuo)
Reatores catalíticos de leito fixo(a) Reator multitubular(b) um tubo com catalisador
O reator de leito fluidizado é semelhante ao
CSTR no sentido de que seu conteúdo,
embora heterogêneo, é bem misturado,
resultando em uma distribuição homogênea
de temperatura através do leito.
Pode ser catalítico ou não-catalítico
Tanque agitado aberto
Tanque agitado fechado
Para se
Transferência
de Calor e de
Massa
Propriedades dos fluidos e
dos materiais
termodinâmicos
(entalpia das
reações,
capacidades
caloríficas)
Leis cinéticas das reações
envolvidas
os reatores químicos, é necessário dispor de uma série de informação essencial, ou seja, de Parâmetros relacionados com:
Compreender, modelar,
optimizar, dimensionar
controlar
1. A parte principal é o reator onde ocorre a transformação de reagentes em produtos.
Tem-se que ter em conta:
O mecanismo da reação,
Condições dos reagentes e das matérias primas (grau de pureza, composição, etc)
Condições de pressão e temperatura
Tipos de catalisadores
As etapas de produção de qualquer produto químico podem ser divididas em 3 grandes grupos:
2. Antes de entrarem no reator reagentes ou matérias-primas passam através de vários equipamento, onde pressão, temperatura, composição e fase são ajustadas para que sejam alcançadas as condições em que ocorrem as reações químicas, ou seja, são as etapas de preparação da carga para o reator.
3. Os efluentes do reator são, em geral, uma mistura de produtos, contaminantes apropriados para se obter o(s) produtos (s) na pureza adequada ao mercado.
“A cinética química e o projeto de reatoresestão no coração de quase todos os produtos
químicos Industriais”Fogler
Matérias primasProdutos
Eficiência do processo:• Rendimento• Conversão
• Seletividade, etc
Reator
Os reatores químicos têm como principal objetivoconverter, em condições controladas, reagentes em
produtos.
A fase de projeto é uma etapa determinante e pode envolver uma série de questões mais ou menos complexas,
tais como:
Projetodo reator
Projeto mecânico
Requisitos de manutenção
Custos de investimento e produção
Projeto mecânico
Condições de transferência de calor
Sistema de controlo e segunrança
Tipo de reatores
Propriedades de reagentes e produtos
Condições de pressão e temperatura
A modelação matemática deste tipos de sistemas, permite ter
capacidade de previsão, bem como optimizar o seu funcionamento no
sentido de obter rendimento máximo.
Nos modelos matemáticos, para além da reação química, são também
tidos em conta os mecanismos de transferência de massa e calor,
sendo possível estudar o comportamento estacionário ou dinâmico do
reator.
Relação entre a modelação matemática de reatores químicos e aspetos relevantes na
engenharia da reação química.
A classificação primária dos reatores químicos pode ser feita com base na forma de energia
usada na realização da reação. Por esse critério eles podem ser:
Termoquímicos – a energia é fornecida ou retirada em forma de calor;
Eletroquímicos – a reação decorre da passagem de corrente elétrica na mistura;
Fotoquímicos – a reação ocorre devido à energia fotónica emitida por lâmpadas e
Bioquímicos – a reação utiliza a energia química proveniente do catabolismo celular
Reatores bioquímicos Os reatores bioquímicos estão ligados a biotecnologia que utiliza a ação
de células vivas para realizar a transformação desejada. Desta forma são
produzidos ácidos orgânicos, bebidas, antibióticos, anticorpos
monoclonais, etc.
As células vivas podem ser microrganismos ou células de tecidos vivos.
As dornas de fermentação usadas na produção de etanol são exemplos
de reatores bioquímicos.
Eletroquímicos
Os reatores eletroquímicos normalmente realizam reações com energia
livre desfavorável.
A Monsanto, por exemplo, fabrica a adiponitrila a partir da
acrilonitrila por via eletroquímica.
A fabricação do alumínio a partir da alumina é outro exemplo.
Reatores fotoquímicos
Os reatores fotoquímicos são aqueles que realizam reações usando a
energia fotônica emitida por lâmpadas especiais. Por exemplo, a
produção do BHC pela cloração do benzeno pode ser feita em reatores
fotoquímicos.
Reatoresque usam a luz solar
Os reatores termoquímicos são, de longe, os mais comuns nas indústrias
químicas e os mais estudados nos cursos de engenharia química. Estão nesta
categoria os polimerizadores, os reatores encontrados nas refinarias como os
craqueadores térmico e catalítico, reformador catalítico, etc.
Reatores termoquímicos
Em qualquer processo industrial (os processos industriais de natureza química não constituem excepção), pretende-se produzir, com o máximo de rentabilidade, um dado produto (ou uma gama de produtos), a partir
de um dado conjunto de matérias-primas.
Tanques que contém um ou mais sistemas de agitação e troca de calor,
capaz de aquecer ou arrefecer o líquido, onde a agitação se encarrega de
misturar todos ou vários componentes que fazem parte do produto e uniformizar a temperatura.
Tanque perfeitamente
agitado
Reatores Bϋchi
Reatores de vidro e aço vitrificado.Usados no laboratório de farmoquímica.
Reatores de pressão, hidrogenadores.
Embora os reatores catalíticos sejam frequentemente implementados como reatores
de fluxo em pistão, a sua análise requer tratamento mais complexo.
A taxa de uma reação catalítica é proporcional à quantidade de catalisador com os
quais os reagentes entram em contato.
O comportamento do catalisador é também algo a ser considerado. Particularmente
em processos petroquímicos a alta temperatura, catalisadores são desativados por
sintetização, codificação e processos similares.
Um exemplo comum de uma reação catalítica é a conversão catalítica posterior a
um motor de combustão interna, para os gases de exaustão.
Na maior parte dos processos que utilizam catalisadores sólidos são
usados reatores catalíticos de leito fixo FBR (Fixed Bed Reactores).
A aplicação industrial deste tipo de reatores é vasta, podendo ser
encontrados na industria química, na base indústria
petroquímica, refinação de petróleo.
Actualmente, os reactores de leito fixo são utilizados principalmente em
unidades de grande capacidade, sobretudo em reactores do tipo
multitubular.
Os reatores catalíticos requerem tratamento separado.As variáveis chave de processo incluem:
Tempo de residência (τ, letra grega tau minúscula)Volume (V)
Temperatura (T)Pressão (P)
Concentrações de espécies químicas (C1, C2, C3, ... Cn)Coeficientes de transferência de calor (h, U)