ENGENHARIA DAS REAÇÕESQUÍMICAS I Cap. 6 – Projeto de reatores 6.4 - Reatores com reciclo Luis Rafael Bonetto [email protected] Sala G-103 2017/4 PROGRAMAÇÃO • Reatores com reciclo; • PFR com reciclo; • CSTR com reciclo. Não esqueçam de olhar o item 6.3 do Cap. 6 do Levespiel e tópicos dos Cap. 5 e 8 do Fogler. 2 REATORES COM RECICLO ✓O que é reciclo? ✓Para que serve um reciclo? ✓O que ocorre em colunas de destilação. de extração. com reciclo? 3 . REATORES COM RECICLO O que vocês acham que acontece com o reciclo em reatores ? 4 . ✓a reação é autocatalítica. com objetivos bem específicos: Reatores com reciclo são utilizados principalmente quando: ✓a conversão de produtos indesejados (tóxicos) é requerida. sendo reciclados até a extinção. ✓é necessário que se mantenha operação isotérmica (em sistemas com escassos equipamentos de troca térmica). 5 . ✓usar a corrente de produto como um diluente (manter CA0 em um valor baixo). tanto em PFR quanto em CSTR. REATORES COM RECICLO Pode-se empregar correntes de reciclo em reatores contínuos. R pode ser em termos de vazão molar também! 𝑣𝑎𝑧ã𝑜 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑞𝑢𝑒 𝑟𝑒𝑡𝑜𝑟𝑛𝑎 à 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑡𝑜𝑟 𝑹= 𝑣𝑎𝑧ã𝑜 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑎𝑖 𝑑𝑜 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 Esta razão pode variar de zero (sistema sem reciclo) a infinito (toda a corrente de saída é reciclada). REATORES COM RECICLO Para qualquer caso. 6 . Esses efeitos possuem maior expressão em reatores tubulares (PFR). a razão de reciclo (R) é definida como: 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑞𝑢𝑒 𝑟𝑒𝑡𝑜𝑟𝑛𝑎 à 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑡𝑜𝑟 𝑹= 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑎𝑖 𝑑𝑜 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 Como a concentração no reciclo e na saída do reator é a mesma. PFR com reciclo Balanço material: Considerando balanço molar para o reagente limitante A em um elemento de volume: 𝐹𝐴 − 𝐹𝐴 + 𝑑𝐹𝐴 − −𝑟𝐴 𝑑𝑉 = 0 𝐹𝐴 = 𝐹𝐴0 1 − 𝑋𝐴 1 + 𝑹 7 . PFR com reciclo Resolvendo as equações: 𝑋𝐴 .𝑓 𝑉 𝑑𝑋𝐴 Equação geral de projeto para um = 𝑹+1 න 𝐹𝐴0 𝑹 𝑋𝐴.𝑓 −𝑟 𝐴 𝑹+1 8 .𝑓 𝐶𝐴0 𝑉 𝑑𝐶𝐴 𝜏= = − 𝑹 + 1 න𝐶 +𝑹 𝐶 Com εA = 0 𝐹𝐴0 𝐴0 𝐴.𝑓 −𝑟𝐴 𝑹+1 PFR com reciclo (qualquer εA) 𝐶𝐴 . XA.𝑓 = Quando R = 0.𝑓 = 𝐹𝐴0 2) Conversão por passe: baseada na alimentação na entrada do reator: 𝐹𝐴1 − 𝐹𝐴2 𝑋𝑠 = 𝐹𝐴1 1 + 𝑅 𝑋𝑠 Relação entre as duas: 𝑋𝐴. PFR com reciclo Em reatores com reciclo são comuns duas conversões: 1) Conversão global: baseada na alimentação pura do reator: 𝐹𝐴0 − 𝐹𝐴𝑓 𝑋0 = 𝑋𝐴.f = Xs 1 + 𝑅𝑋𝑠 9 . 10 . em reações em paralelo. ✓necessidade de alto grau de mistura quando o volume do CSTR é inviável. o reciclo inibe a formação de intermediários. como por exemplo. como em reações muito exotérmicas. ✓obter seletividade. PFR com reciclo Principais aplicações específicas a um PFR com reciclo: ✓reduzir a conversão por passe. ✓reações bioquímicas/enzimáticas. PFR com reciclo Representação gráfica: Representação geral: Caso especial: para qualquer εA: só para εA= 0 Altura média 11 . PFR com reciclo Casos extremos: Escoamento pistonado Escoamento com mistura perfeita 12 . PFR com reciclo Casos extremos: Pequeno reciclo Grande reciclo 13 . 𝑓 O gráfico a seguir mostra a transição de comportamento do reator pistonado para o reator de mistura perfeita conforme R aumenta.𝑓 = ln 𝑹+1 𝑹 + 1 𝐶𝐴. para uma reação do tipo A → R. 14 . com εA = 0. PFR com reciclo Reações irreversíveis de 1ª ordem: A integração da equação de reciclo dá. 𝑘𝜏 𝐶𝐴0 + 𝑹𝐶𝐴. PFR com reciclo Reações irreversíveis de 1ª ordem: Reação de Reator de mistura perfeita primeira ordem Reator pistonado 15 . PFR com reciclo Reações irreversíveis de 2ª ordem: A integração da equação de reciclo dá. para uma reação do tipo 2A → Produtos. 𝑘𝐶𝐴0 𝜏 𝐶𝐴0 𝐶𝐴0 − 𝐶𝐴.𝑓 = 𝑹 + 1 𝐶𝐴. 16 .𝑓 O gráfico a seguir mostra a transição de comportamento do reator pistonado para o reator de mistura perfeita conforme R aumenta. com εA = 0 e (-rA) = kCA2.𝑓 𝐶𝐴0 + 𝑹𝐶𝐴. PFR com reciclo Reações irreversíveis de 2ª ordem: Reação de Reator de mistura perfeita segunda ordem Reator pistonado 17 . CSTR com reciclo Balanço material: Considerando balanço molar para o reagente limitante A no elemento de volume: 𝐹𝐴0 − 𝐹𝐴2 − −𝑟𝐴 . 𝑉 = 0 18 . 𝑉 = 0 𝐹𝐴0 + 𝐹𝐴3 − 𝐹𝐴2 + 𝐹𝐴3 − −𝑟𝐴 . estando voltado a condições operacionais. ✓É útil em biorreações. uma corrente de reciclo geralmente aumenta o volume requerido de CSTR. o reciclo não afeta o desempenho do reator. CSTR com reciclo Resolvendo a equação: 𝑉 𝑋𝐴 Equação geral de projeto para = 𝐹𝐴0 −𝑟𝐴 um CSTR (mesma coisa!) ✓Para um CSTR. quando realizado um reciclo de células (nesse caso. 19 aumenta-se a produtividade!) . ✓Pode ser usado para controle de nível do tanque e de temperatura do meio reacional (reatores não isotérmicos). ✓Na verdade. 20 . ed.O Essencial da Engenharia das Reações Químicas. J. Engenharia das reações químicas. Octave. 2013. Scott. Rio de Janeiro: LTC.. E. New York: Taylor & Francis Group. 853 p. 563 p. Cálculo de Reatores . 05/2014. 2. Introduction to Chemical Reactor Analysis. c2009. REFERÊNCIAS • FOGLER. xxix. ed. R. 4. LTC. MMBAGA. • HAYES. 2000. São Paulo: E. VitalSource Bookshelf Online • FOGLER. H. P. Elementos de engenharia das relações químicas. Scott. • LEVENSPIEL. 563 p. H. Blücher.
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