UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS – UFAM FACULTADE DE TECNOLOGIA – FT ENGENHARIA QUÍMICA – FT12ANA GABRIELA M. GONÇALVES - 21000409 1˚ ESTUDO DIRIGIDO DE CINÉTICA E REATORES: TIPOS DE REATORES E SUAS RESPECTIVAS EQUAÇÕES DE BALANÇO MANAUS∕AM encontrando-se quer em refinarias. Nestas unidades industriais. colunas. Os reatores convencionais podem ser basicamente de três tipos: Reatores descontínuo (batelada).Exemplos (c). complexos metalúrgicos ou nas mais variadas fábricas de produtos químicos. ou simples tubos. Diferentemente dos trocadores de calor ou de massa. pensando que cada aparelho encontrado na prática constituía um caso particular. Os equipamentos utilizados para a realização das transformações químicas apresentam uma grande diversidade de formas e dimensões. De fato. No reator. (d) e (e) da Figura abaixo. destinados a tratamentos físicos das matérias primas e dos produtos da reação. quer dizer.REATORES QUÍMICOS O reator químico é um equipamento onde ocorre uma reação química. portanto. a taxa de reação química. o reator está geralmente rodeado doutros equipamentos colocados a montante e a jusante. Os reatores fazem também parte do equipamento utilizado na luta contra a poluição para tratar por via química ou biológica um certo número de efluentes. encontram-se nas unidades industriais fornos. tanques. os reatores têm que levar em consideração um termo de geração no balanço de massa e calor. sendo o primeiro tipo aplicado a processos em pequena escala e os do segundo tipo aplicados em processos em grande escala de produção. escoamento contínuo (tubular ou tanque) e semibatelada. misturadores. balões. Contínuo .Exemplo (b) da Figura abaixo e Semi Batelada (ou semi contínuo) . O reator químico constitui assim o "coração das unidades de fabricação de produtos químicos. caldeiras. o fluido reacional pode ser aquecido ou arrefecido e pode também permutar massa e/ou calor com uma fase estagnante. poder-se-ia ser levado a pôr de parte qualquer tentativa de classificação dos reatores químicos. Deste modo. . Exemplos dos reatores convencionais: Descontínuo (ou Batelada) – Exemplo (a) da Figura abaixo. devido à reação química. onde determinadas espécies moleculares são transformadas noutras espécies moleculares. primeiramente. a Tabela abaixo apresenta um resumo da análise da variação do volume e da composição do meio reacional em função do tempo em cada tipo de reator convencional. EQUAÇÃO GERAL DE BALANÇO MOLAR Para conduzir um balanço molar sobre qualquer sistema. realizar um balanço molar para a espécie j em um volume do sistema.Para cada uma das formas de alimentação apresentadas na Figura anterior. . E em seguida. em que a espécie j representa a espécie química particular de interesse. deve-se especificar as fronteiras do sistema. através do chamado volume do sistema. 1) Esta é a equação geral do balanço molar para qualquer componente j de uma reação química. O balanço molar num sistema aberto e para qualquer reação. teremos: componente j. Fj0 – Fj + Gj = (dNj ⁄ dt) (Eq 1. é mostrado no esquema abaixo: Entrada – Saída + Geração = Acúmulo Considerando-se Fj o fluxo molar e Gj a taxa de geração formada ou consumida. .0 . além de Nj o número de moles do componente j.0) Nota-se que o balanço é feito para qualquer componente.Figura 1. Logo. semibatelada e escoamento contínuo. reagente ou produto da reação e tem a unidade em moles⁄tempo. inicialmente a temperatura constante. t. que podemos desenvolver as equações de projeto para os vários reatores industriais: batelada.Balanço no volume do sistema. A taxa gerada ou consumida neste sistema é por unidade de volume. É partir desta equação geral do balanço molar. e é representada pela taxa de reação dentro de cada elemento de volume ∆V. (Eq 1. e em qualquer instante de tempo. Quando a capacidade de conversão é baixa. Um reator batelada não admite entrada nem saída de reagentes ou produtos durante o processamento da reação. É fácil de limpar No reator em batelada há uma certa dificuldade na produção em grande escala. os produtos obtidos também são descarregados de uma só vez. sendo preferíveis quando se está testando um novo produto. Esse tipo de reator permite que altas conversões possam ser obtidas. Está associado a alto custo de mão-de-obra por batelada. podendo-se obter produtos diferentes. o processo em batelada tem menor investimento de capital do que o processo contínuo. deixando o reagente no reator por longos períodos de tempo. para teste de novos processos que ainda não foram completamente desenvolvidos. Existe uma flexibilidade de operação no mesmo reator. as variáveis como temperatura e concentração não variam com a posição dentro do reator. para a fabricação de produtos caros e para processos que são difíceis de converter em operações contínuas. . Em inglês é conhecido como Batch Reactor.. A qualidade do produto é mais variável do que em reator de operação contínua. Nesse tipo de reator. Um esquema dum reator descontínuo encontra-se na figura abaixo: O reator batelada é usado para operação em pequena escala. mas variam com o tempo. Em seguida são misturados e reagem entre si. Após algum tempo. que pode até inviabilizar o processo. o esvaziamento e a limpeza (o chamado “tempo morto”). Todos os reagentes são introduzidos no reator de uma só vez. por causa do tempo perdido durante a alimentação. É alimentado através de aberturas no topo.REATORES EM BATELADA É um tipo de reator tanque com agitação mecânica. Um reator em batelada não tem entrada nem saída de reagentes ou produtos. podemos tomar rj. t = 0. Ela fornece o tempo. o número de moles de A diminui e o número de moles de B aumenta. enquanto a reação é realizada: Fj0 = Fj = 0. integrar e escrever o balanço molar na forma Eq (1. de modo que não há nenhuma variação da taxa de reação dentro do volume do reator.2) para a isomerização Rearranjando E integrando com limites que.2) Considerando a isomerização da espécie A em um reator em batelada A → B. necessário para reduzir o número inicial de mols de NAO para um número final desejado NAl. NA = NAl. Aplicando a equação (1.3) Essa equação é a forma integral do balanço molar em um reator em batelada. À medida que a reação prossegue. t1. obtemos Eq (1. como mostra a figura abaixo: O tempo. fora da integral. e em t = tl. NA = NAO. tl. O balanço geral molar resultante para a espécie j é Se a mistura reacional é perfeitamente misturado. . necessário para reduzir o número de mols de NAO a NAl e também para formar NBL mols de B. REATORES EM ESCOAMENTO CONTÍNUO Reatores com escoamento contínuo são quase sempre operados em regime estacionário. operando em um estado estacionário. o reator com escoamento empistonado (PFR) e o reator de leito fixo (PBR). consequentemente. REATOR CONTÍNUO DE TANQUE AGITADO Um tipo de reator usado comumente em processamento industrial é o tanque operado continuamente (Figura abaixo): Este tanque é chamado de reator contínuo de tanque agitado (CSTR) ou reator de retromistura. Em que não há variações espaciais na velocidade de reação. . sendo usado principalmente para reações em fase liquida. Quando a equação geral de balanço molar É aplicada a um CSTR. a temperatura e a concentração são as mesmas na saída como em qualquer outro ponto do tanque. Os três tipos são: o reator contínuo de tanque agitado (CSTR). a temperatura. a concentração ou a velocidade de reação dentro do CSTR não depende do tempo ou da posição. Assim. É normalmente operado em estado estacionário e é considerado estar perfeitamente misturado. de Fjo para a vazão de saída Fj.6) REATOR CONTÍNUO TUBULAR O reator tubular é constituído. necessária quer para fornecer calorias ao sistema.5) Combinando as equações 1. Este tipo de reator é normalmente operado em estado estacionário. A permuta de calor.4 e 1. Tal equipamento pode ser representado esquematicamente na figura abaixo: . necessário para reduzir a vazão da espécie j que entra.5 teremos um balanço para a espécie A como Eq (1. A vazão molar Fj para um reator CSTR é o produto da concentração da espécie j e a vazão volumétrica v: Eq (1. faz-se geralmente através da parede do tubo.Ela adquire a seguinte forma. conhecida como a equação de projeto para um CSTR: Eq (1. quando a espécie j está desaparecendo a uma velocidade de –rj. ou para as eliminar. Reatores tubulares são usados mais frequentemente para reações em fase gasosa. por um tubo cilíndrico no interior do qual circula o meio reacional numa dada direção e em que não existe agitação ou mistura da massa reacional.4) Esta equação nos fornece o volume V do reator. assim como o CSTR. na sua forma elementar. 7) Dividindo por ∆V e rearranjando .A hipótese mais simples de análise deste tipo de reator consiste em admitir que a mistura se escoa no interior do tubo ou tubos como um êmbolo se desloca no interior dum cilindro. a concentração do reagente limitante diminui continuamente ao longo do comprimento do reator. de tal modo que não haja variações de velocidade de reação no interior desse volume. Obs: Neste tipo de reator não há variação radial na velocidade da reação e o reator é referido como um reator de escoamento empistonado (PFR). Quando a equação geral de balanço molar A equação para projetar PFRs no estado estacionário pode ser desenvolvida de duas maneiras: (1) diretamente através da equação anterior. o reator designa-se por reacor tubular ideal ou do tipo êmbolo ("plug flow reactor") e considera-se que a velocidade de escoamento é constante numa dada secção transversal e consequentemente a concentração e a conversão são constantes nessa secção reta. mostrado na figura abaixo. o termo de geração. teremos: O volume diferencial. será escolhido suficientemente pequeno. ∆Gj. ∆V. por diferenciação com relação ao volume V. Assim. ou (2) a partir de um balanço molar para a espécie j em um segmento diferencial do volume do reator. ∆V. é Entrada – Saída + Geração = Acúmulo Eq (1. neste caso. Assim. Escolhendo a segunda maneira. de FAO par FAl.. Capítulo 4. Engenharia das Reações Químicas. e em V=Vl. Editora Edgard Blucher.O termo entre colchetes assemelha-se à definição da derivada Tomando o limite quando ∆V tende a zero. Editora Synergia. Considerando a isomerização A → B. Martin. a velocidade molar de escoamento de A diminui e a de B aumenta como é mostrado na figura abaixo: O volume V2 do reator. Logo. Schmal. Á medida que os reagentes escoam pelo reator. . A é consumido por reação química e B é produzido.9) REFERÊNCIAS Levenspiel. 2010. Cinética e Reatores: Aplicação na Engenharia Química: teoria e exercícios . é possível obter a forma diferencial do balanço molar em estado estacionário para um PFR. Eq (1. 3◦ ed. Capítulos 5 e 6.. mas apenas de seu volume total.8) Obs: O grau de extensão de uma reação alcançado em um reator ideal com escoamento empistonado (PFR) não depende de sua forma. 2000. então FA=FAl Eq (1. é calculado da seguinte forma: E integrando com os limites em V=0. em um PFR. então FA = FA0. necessário para reduzir a vazão molar de entrada de A. O.
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