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Capítulo 4 - Introdução Ao Projeto de Reatores Geral A cinética química e o projeto de reatores são o coração de quase todos os produtos químicos industriais e juntos formam a engenharia das reações químicas. É principalmente o conhecimento da cinética das reações e o projeto de reatores que distingue o engenheiro químico dos outros engenheiros. A seleção do sistema de reação que opera de maneira segura e eficiente pode ser a chave para o sucesso econômico ou falhas em um planta química. Por exemplo, se uma reação produz uma quantidade grande de produtos indesejáveis, a subseqüente purificação e separação dos produtos indesejáveis pode tornar o processo economicamente inviável. A cinética das reações químicas estuda a equação da velocidade, que indica a rapidez com que um componente se forma ou desaparece do meio reacional e no projeto de reatores queremos saber o tamanho e o tipo de reator a ser usado e que método de operação é o mais adequado para se atingir um determinado objetivo. Porém, antes de entrarmos nessas discussões, é necessário contabilizar as várias espécies químicas entrando e saindo do sistema de reação. Este processo de contabilidade é atingido através do balanço molar global das espécies individuais dentro do sistema reacional.
Equação Geral de Balanço Molar Para conduzir um balanço molar sobre qualquer sistema, primeiramente, deve-se especificar as vizinhanças do sistema, através do chamado volume de controle.
Volume de controle
Fjo Rj
Fj
Figura 1 - Balanço sobre um Volume de Controle
Taxa de acúmulo de j Taxa molar de j Taxa molar de dentro do VC = que entra no VC − que sai do VC ( mole / tempo ) ( mole / tempo ) ( mole / tempo )
j ± Taxa de reação de j dentro do VC ( mole / tempo )
Acúmulo
=
Entra
-
Sai
±
Reage
dnj/dt
=
Fjo
-
Fj
±
Rj
Equação 1 – Equação Geral do Balanço Molar
onde: nj representa o número de moles das espécies j. Se todas as variáveis do sistema (isto é, temperatura, atividade catalítica, concentração das espécies químicas) estão espacialmente uniformes através do volume de controle, a taxa de reação da espécie j, Rj, é somente o produto da equação da velocidade de consumo ou de geração da espécie j, +/-rj pelo volume do meio reacional V.
Rj = +/- rj V Termo de reação com taxa de reação constante dentro do VC
moles moles volume = tempo tempo.volume Suponha agora que as variáveis do sistema variam dentro do volume de controle, isto é, a velocidade da reação da espécie j varia dentro do volume de controle, conforme figura abaixo:
∆V1 rj1 ∆V2 rj2
Volume de controle
Dentro do pequeno volume ∆V1, a equação da velocidade de geração ou consumo da espécie j é +/- rj1 e a taxa de reação é ∆Rj1, dentro do volume ∆V2, a equação da velocidade de geração ou consumo espécie j é +/-rj2 e a taxa de reação é ∆Rj2 e assim por diante, de tal forma que a taxa de reação da espécie j dentro de todo o volume de controle é o somatório dos M subvolumes ∆Vi, isto é:
M
M
i =1
i =1
R j = ∑ ∆R ji = ± ∑ r ji ∆Vi
Do cálculo, pela definição de integral, podemos escrever a equação acima da seguinte forma:
R j = ± ∫ r j dV V
Termo de reação com taxa de reação variável dentro do VC
Incluindo agora, este termo de reação na equação geral de balanço molar, temos:
F j 0 − F j ± ∫ r j dV = V
dn j dt
Tipos de Reatores Em termos de configurações físicas encontradas, existem basicamente somente dois tipos de reatores: o reator tanque e o reator tubular. Nesse momento, vamos discutir os tipos de reatores usados na prática industrial para reações homogêneas na fase fluida.
Reator Tanque Ideal
O reator tanque ideal é aquele no qual a agitação é tão eficiente que as variáveis de processo, composição e temperatura são sempre uniformes dentro desse tipo de reator. Um reator tanque simples pode ser operado numa variedade de formas: batelada, semibatelada e fluxo contínuo como mostrado nas figuras abaixo:
Reator Batelada (BATCH)
Adição de reagentes
Reator de Fluxo Contínuo (CSTR)
Contínuo com relação
Remoção contínua de
a um reagente e batelada
produtos
com relação a outro
•
No reator batelada simples, as variáveis como temperatura e concentração não variam com a posição dentro do reator, mas variam com o tempo.
•
O reator tanque agitado, pode também ser operado de forma semibatelada. Neste modo, o tanque é parcialmente preenchido com reagente(s) e reagente(s) adicionais são adicionados progressivamente até a composição desejada ser atingida. Alternativamente, pode-se carregar todos os reagentes de uma única vez e continuamente remover os produtos quando eles vão sendo formados.
•
Dentro do reator tanque continuamente agitado (CSTR), o reator tanque é continuamente suprido com a alimentação ao mesmo tempo em que igual volume é descarregado de forma a manter constante o nível dentro do tanque. A composição da corrente efluente é idêntica aquela que permanece dentro do tanque.
Reator Tubular Ideal (PFR) É aquele no qual elementos de fluido reagentes (plugs) movem-se através de um tubo, como plugs movendo paralelo ao eixo do tubo. Este modelo de fluxo é referido como plug flow ou fluxo empistonado. O perfil de velocidade em uma dada seção transversal é achatado e assume-se que não existe difusão axial ou mistura de elementos de fluido. As variáveis como temperatura e composição variam com a posição ao longo do comprimento do reator.
Escolha entre os diferentes modos de operação de reatores Reator Batelada Características: Reatores batelada são usualmente tanques cilíndricos e a orientação usualmente é vertical. Vasos cilíndricos são empregados porque ele são mais fáceis de serem fabricados e limpos e os custos de construção para unidades de alta pressão são consideravelmente menores do que configurações alternativas. Agitação pode ser conseguida por agitadores de vários tipos ou por circulação através de bomba. Em situações onde é necessário aumentar a área interfacial gás-líquido por evaporação, ou o fluido seja muito viscoso ou uma lama, utiliza-se orientação horizontal. Devido aos efeitos de energia envolvidos em uma reação, é usualmente necessário empregar um trocador de calor através de jaquetas ou serpentinas externas ou internas, embora possa-se usar resistência elétrica ou fogo direto.
Usos: !
Reações em fase líquida particularmente quando a produção é pequena ou para produzir diversos produtos no mesmo equipamento. Também, quando é necessária limpeza regular do reator, como no caso de constante contaminação por fuligem ou culturas de fermentação também emprega-se o reator batelada, devido a sua grande flexibilidade para limpeza e procedimentos de sanitação. Por esses motivos, encontram largo uso na indústria farmacêutica ou para produção de alguns produtos químicos especiais, onde a flexibilidade é desejada e também para produtos sazonais.
√
Reações em fase gasosa a alta pressão, considerações de segurança são extremamente importantes e cuidado deve ser tomado para garantir projeto mecânico adequado. Esses reatores são comumente chamados de autoclaves.
Vantagens: !
Quando a capacidade de produção é baixa, processos baseados em reatores batelada terão usualmente, menor investimento de capital do que os chamados processos contínuos, tanto que reatores batelada são preferíveis quando está se testando um novo produto. Além disso, as necessidades de construção e instrumentação são mais baratas e simples para reatores batelada.
Desvantagens: !
As desvantagens associadas ao uso do reator batelada, incluem os altos custos de mão-de-obra e custos de manipulação de materiais envolvidos no preenchimento, esvaziamento e limpeza do reator. Enquanto o reator batelada está sendo preenchido, esvaziado, limpo, aquecido até a temperatura de reação ou resfriado até a temperatura de descarga, o reator não está produzindo produto, deixando de haver lucro. Para grande quantidade de produção, esse tempo morto deve ser contabilizado.
Reatores Semi-batelada Características: Operações semi-batelada usualmente ocorrem em equipamentos muito similares aos reatores batelada. Podese operar um reator semi-batelada de diversas maneiras. Uma delas envolve carregar algum dos reagentes dentro do tanque e então alimentar o material remanescente gradualmente. Este modo de operação é vantajoso quando grandes efeitos de transferência de calor acompanham a reação. Reações exotérmicas devem ser
conduzidas lentamente e o controle de temperatura mantido, regulando a taxa na qual um dos reagentes é alimentado. Este modo de operação é também desejável, quando altas concentrações de reagentes favorecem a formação de produtos laterais indesejáveis. Outro modo de operação semi-batelada envolve o uso de uma corrente de purga para remover continuamente um ou mais dos produtos de uma reação reversível. Por exemplo, água deve ser removida nas reações de esterificação pelo uso de uma corrente de purga ou por destilação de uma mistura reagente. Remoção contínua de produtos aumenta a taxa líquida da reação, por alterar a constante de equilíbrio. Processos semi-batelada estão entre os mais difíceis de analisar do ponto de vista de projeto de reatores porque trata com um sistema aberto em condições não estacionárias, tornando as equações diferenciais mais complexas.
Reatores de Fluxo Contínuo(CSTR e PFR) Características: São utilizados principalmente para reações em fase líquida quando apreciável tempo de residência são requeridos.
Vantagens: !
Quase que invariavelmente, os reatores de fluxo contínuo são preferíveis aos reatores batelada, quando a capacidade de processamento requerida é grande. Embora o investimento de capital necessário seja maior, os custos operacionais por unidade do produto são menores para operação contínua do que batelada.
!
Facilidade do controle de qualidade dos produtos devido ao controle automático do processo.
Observações: Freqüentemente, a decisão para selecionar um modo de processamento batelada ou contínuo, envolve a determinação da contribuição relativa das despesas de capital e despesas operacionais para o custo total do processo para o nível de capacidade proposto. Como apontado por Denbigh, o que é melhor para um país altamente industrializado, com custos mais altos de mão-de-obra, não necessariamente é o melhor para um país menos desenvolvido.
Em muitos casos, considerações de seletividade determinam o modo de operação, particularmente quando a reação em estudo é acompanhada por reações laterais indesejáveis. O rendimento para o produto desejado pode diferir consideravelmente entre uma operação contínua e batelada e também entre dois tipos de processos contínuos. Quando o rendimento é menor para um processo contínuo, este fator deve ser tão importante dentro da economia global do processo que é necessário optar por um reator batelada.
Reatores CSTR Características: O CSTR é usado extensivamente na indústria de processos químicos. Ambos, tanques simples ou em bateria de tanques conectados em série são usados. Em muitos aspectos como mecânicos e de transferência de calor, são similares aos reatores batelada. Entretanto, é necessários ter uma entrada para adição contínua de reagentes e saída para corrente de produtos. É possível empregar ou tanques múltiplos individuais em série ou unidades contendo múltiplos estágios dentre um casco simples. Tanques múltiplos são mais caros, mais provêem maior flexibilidade de uso, desde que eles são mais rapidamente alterados se variarem as necessidades do processo. Para minimizar as necessidades de bombas e manutenção, freqüentemente escolhe-se fluxo por gravidade entre os estágios. Reatores CSTR são empregados quando trabalha-se com sólidos ou líquidos, não sendo recomendados para operações à altas pressões.
Reatores PFR O reator tubular é assim chamado devido a sua configuração física, tal que a reação ocorre dentro de um tubo ou comprimento de tubo. Pode-se usar tanto no caso onde o tubo é empacotado com um catalisador sólido e no caso onde a fase fluida sozinha está presente. A maioria dos reatores tubulares são classificados em três principais categorias: 1.
tubo simples
2.
trocadores de calor casco-tubo
3.
fornos tubulares, onde os tubos são expostos à radiação térmica e transferência de calor a partir de gases de combustão.
O tubo simples é utilizado quando não se necessita de eficiente troca térmica e os trocadores casco-tubo ao contrário, podendo a reação ocorrer tanto dentro do tubo, quanto fora, no casco. Os fornos tubulares são utilizados somente para reações endotérmicas.
FOTOS
Exercícios
1 – O que caracteriza um reator tubular como ideal? 2 - O que caracteriza um reator tanque como ideal? 3 - Que tipo de reator é um CSTR e como ele opera? 4 – Qual a diferença entre (– rA ) e ( rA ) ? 5 – É a taxa de reação (–rA ) uma quantidade extensiva? Explique
6 – Citar um uso do reator tanque batelada 7 – Citar um uso do reator tanque semi-batelada 8 – Citar um uso do reator tanque contínuo. Como ele é comumente chamado? 9 – Citar um uso do reator tubular PFR
