Capitulo 1 introducao a engenharia das reacoes quimicas

CAPITULO 1.
INTRODUÇÃO À ENGENHARIA DAS REAÇÕES QUÍMICAS
1.1. INTRODUÇÃO
Etapas de um processo industrial:
Funções principais dos Reactores Químicos:
 Assegurar o tipo de contacto ou modo de fluir dos reagentes no interior do
aparelho, para se conseguir uma mistura desejada das fases presentes.
 Proporcionar o tempo suficiente de contacto entre as substâncias e com o
catalizador, neste caso para conseguir a extensão desejada da reacção.
 Permitir condições de pressão, temperatura e composição de modo que a reacção
tenha lugar no grau e à velocidade desejadas, atendendo aos aspectos
termodinâmico e cinético da reacção.
Tarefa do Engenheiro Químico no Projecto e Operação de Reactores:
No projecto de um reactor químico, o engenheiro deve escolher o tipo de reactor, o
modo e condições operacionais, funcionamento e o dimensionamento, de maneira a
obter um máximo de "lucro" dentro das restrições impostas pela natureza das
matérias primas, pelos custos dos produtos, do capital e da mão de obra, das
necessidades de segurança, de controle de poluição, de economia de energia, etc.
Antes, responder às questões:
1. Que mudanças se espera que ocorram? → Termodinâmica
2. Com que velocidade ocorrerão as mudanças? → Cinética Química
Objectivos:
1. Projecto de uma nova instalação
Centro das atenções desta disciplina

2. Operação/Optimização de uma instalação já em operação
O que um Engenheiro Químico deve saber:
- Composição da matéria prima?
- Tipo de processo (homogêneo, heterogêneo)?
- Conversão?
- Condições operatórias (T, P, C, etc)?
- Natureza do fluxo (contínuo, descontínuo, transiente)?
- Fluxos de calor (isotérmico, adiabático,...)?
- Dimensões?
- Custo?
Existem várias escalas de estudo dos reactores:
Escala laboratorial: experimentação em escala reduzida
Escala piloto: avaliação em condições "reais" para assegurar o “scale-up”.
Preparação de produtos para testes comerciais. Optimização do processo.
Escala industrial: Nesta escala a experimentação é muito difícil, pois seria muito
dispendiosa e não se deve perturbar a produção. Quando o reactor não é ideal,
devem fazer-se as correcções necessárias após a consideração e cálculo inicial como
se fosse ideal.
1.1.1. Estrutura da Disciplina de Reactores Químicos
Disciplinas de Reactores Químicos I e Reactores Químicos II tem por objectivo dar
respostas a estas questões, assim:
Em RQ I - Projecto de Reactores Ideais
E, em RQ II - Projecto de Reactores Reais

1.2. TIPOS DE REACTORES QUIMICOS
Classificação de Reactores Químicos:
Basicamente, são cinco os tipos de reactores
químicos comumente usados na indústria: Batch,
Semi-batch, CSTR, PFR e PBR.

Tabela 1 – Comparação dos cinco tipos de Reactores Químicos
Tipo de
Reactor
Características Usos Vantagens Desvantagens
Batch
• O reactor é carregado
através de duas aberturas no
topo do tanque; enquanto a
reacção é processada nada
mais é adicionado/retirado
até que o processamento seja
interrompido/terminado;
tanque facilmente
aquecido/arrefecido
• Produção em pequena
escala
• Producão
intermediária ou única
• Produtos
farmacêuticos
• Fermentações
• Elevada conversão por
unidade de volume em
cada processamento
• O mesmo reactor pode
ser usado para produzir
um produto num
processamento e outro
produto no outro
processamento.
• Elevados custos
operatórios (mão-de-obra)
• Qualidade dos produtos
mais variável que em
operação conínua
Semibatch
• Um reagenteé carregado e o
outro alimentado
continuamento (em pequenas
concentrações); ou um dos
produtos pode ser removido
continuamente (para evitar
reacções secundárias).
• Produção em pequena
escala
• Reacções concorrentes
• Boa selectividade;
alimentação pode ser
controlada, o que
minimiza reacções
paralelas.
• Elevados custos
• Qualidade dos produtos
mais variável que em
operação conínua
CSTR
• Funciona em estado
estacionário com contínuas
correntes de reagentes e
produtos; a alimentação
assume uma composição
uniforme em todo o reactor,
e composição do efluente
tem a mesma composição
que o interior do tanque.
• Quando fôr requerida
agitação
• Configuração em série
para correntes de
concentrações
diferentes
• Operação contínua
• Bom controlo de
temperatura
• Bom controlo
• Simplicidade de
construção
• Baixos custos
• Máis baixa conversão
por unidade de volume
• Possível ocorrência de
by-pass e “channeling”
com pobre agitação.
PFR
• É um reactor longo ou
vários reactores curtos num
tanque em forma de tubo;
não tem variação radial da
velocidade da reacção (e
concentração); concentração
varia ao longo do reactor.
• Produção em larga
escala
• Reacções homogêneas
• Produção contínua
• Elevada temperatura.
• Máxima conversão por
unidade de volume
• Baixos custos
operatórios e de mão de
obra
• Operação continua
• Boa transferência de
massa
• Podem existir gradientes
térmicos indesejáveis
• Fraco controlo de
temperatura
• O “shutdown” e a
limpeza podem ser caros
PBR • Reactor tubular com
enchimento de partículas
sólidas de catalisador
• Usado principalmente
em reacções catalíticas
heterogêneas em fase
• Máxima conversão por
unidade de massa de
catalisador
• Podem existir gradientes
térmicos indesejáveis
• Fraco controlo de
Reactor BATCH homogêneo

gasosa
• Baixos custos
operatórios
• Operação continua
temperatura
• Pode ocorrer o
“channeling”
1.3. BALANÇO MASSICO EM REACTORES QUIMICOS
As equação básica para o dimensionamento de um reactor é a equação de balanço
mássico (ou molar). Pode escrever-se uma equação para cada componente da reacção.
1.3.1. Equação Geral de Balanço Mássico
Para fazer-se o balanço mássico (ou molar) de qualquer sistema, em primeiro lugar
devem ser estabelecidos os limites do sistema.
Equação de balanço:
O balanço
é efectuado em torno de um sistema de composição e temperatura constantes.
Fluxo molar do componente que entra/sai do sistema:
j jF v C= ×& Unidades: moles de j/min
com
v& : caudal volumétrico da corrente [m3
/min]
Cj: concentração de j na corrente [moles de j/m3
]
Para correntes líquidas:
System
volume
Geração/consumo de j
no sistema Gj
Volume do
Sistema
Fluxo de j
entrando para
o sistema, Fj,0
Acumulação de j
no sistema, dNj
/dt
Fluxo de j
saindo
do sistema, Fj
ENTRADA GERACAO SAIDA ACUMULACAO+ = +

Caudal volumétrico (quase) independente da pressão e da
temperatura
Para correntes gasosas:
Caudal volumétrico pode ser aproximado a um gás ideal:
R T
v n
p
×
= ×&&
Onde n& : fluxo molar total
A concentração pode ser obtida apartir da equação de estado dos
gases ideais, se a pressão parcial fôr conhecida:
j j j j
j
n n y p pp
C
v n R T R T R T
×
= = × = =
× × ×
& &
&&

Geração/consumo de j no sistema:
j j sistemaG r V= × Unidades: moles de j/min
com
rj : Velocidade da reacção de formação de j no sistema
normalizado com respeito ao volume do sistema/reacção
[moles de j/(min.
m3
)]
Vsistema: volume do sistema [m3
]
rj > 0: j está sendo formado na reacção química que tem lugar
no sistema (PRODUTO)
rj < 0: j está sendo consumido na reacção química que tem lugar
no sistema (REAGENTE)
rj = 0: velocidade de formação de j é igual à velocidade do seu
consumo na reacção química que tem lugar no sistema (j
pode ser um INERTE)
Para sistemas líquidos:
O volume do sistema é independente da pressão e da temperatura
Para sistemas gasosos:
O volume pode ser constante (mas a pressão pode ser variável
durante a reacção);
O volume varia se o número de moles variar devido à reacção E a
pressão é mantida constante
sistema
R T
V n
p
×
= ×
Um reactor é tipicamente feito de muitos sistemas pequenos
Total reactor
volume V
rj,2
rj,1
∆V1
∆V2
Total reactor
volume V
rj,2
rj,1
∆V1
∆V2
( )r f C,T=

Geração no sub-volume: j,k j,k kG r V∆ = ×∆
Geração em todo o reactor:
k M k M
j j,k j,k k
k 1 k 1
G G r V
= =
= =
= ∆ = ×∆∑ ∑
Fazendo os sub-volumes infinitamente pequenos (i.e. ΔVK0 e M∞)
j j
V
G r dV= ×∫
Acumulação de j no sistema:
jdN
dt
: Variação do número de moles de j com o tempo no sistema
Unidades: moles de j/min
Estão já definidos todos os termos da
equação geral de balanço molar....
Substituindo todas as variáveis na equação de balanço molar para o
composto j
j
j,0 j j
dN
F G F
dt
+ = + ou j
j,0 j j
dN
F F G
dt
− + =
j
j,0 j j
V
dN
F F r dV
dt
− + × =∫
Equação Geral de Balanço Molar
A tarefa no dimensionamento de um reactor é determinar o volume do
reactor através da aplicação do balanço molar.

Reactores ideais e isotérmicos:
Reactores no estado transiente:
Reactor batch ideal e isotérmico:
• Não há fluxo nem de entrada nem de saída do reactor
• A composição e a temperatura são idênticas em qualquer posição dentro do
reactor
• A composição no interior do reactor varia com o tempo
Reactor semi-batch ideal e isotérmico:
• Não há fluxo que entra para o reactor, mas existe fluxo saindo do reactor
ou vice-versa (para reacções na fase líquida, o volume varia com o
tempo!!)
reactor
• A composição dentro do reactor varia com o tempo
Reactores de fluxo contínuo:
Reactor contínuo de agitação perfeita (CSTR):
reactor
• A composição dentro do reactor não varia com o tempo
Reactor tubular (PFR)
• A composição e a temperatura variam em função da posição dentro do
reactor
• A composição em qualquer ponto dentro do reactor não varia com o tempo
Condições operatórias do PFR ideal:
- Perfil de velocidades não é parabólico;
- Perfil de temperatura não varia com a concentração;
- Não há resistência à transferência de massa
(miscibilidade infinita), considerando as variações axiais
e não as longitudinais.

1.3.2. Reactor barch ideal e isotérmico:
Substituindo na equação de balaço molar
j
j,0 j j
V
dN
F F r dV
dt
− + × =∫ :
j
j
dN
r V
dt
× =
CASO 1: Reactor BATCH a Volume Constante (por ex. em reacções que
tem lugar na fase líquida ou reacções na fase gasosa em que não
há variação no número de moles durante a reacção):
Equação de balanço molar para o reactor batch: j
j
dN1
r
V dt
= ×
Balanço molar para o reactor batch a volume constante:
Pressure
gage
Pressure
gage
• Sem fluxo para o interior nem para fora do reactor
j,0 jF F 0= =
• A composição e a temperatura são idênticas em qualquer
ponto no interior do reactor
j j
V
r dV r V× = ×∫
• A composição no interior do reactor varia com o tempo
j
j
N
C
V
= e j j
1
dC dN
V
= ×
Em reacções na fase gasosa a
pressão pode variar se o
número de moles variar durante
a reacção
Equação de dimensionamento de
um reactor BATCH
j
j
dC
r
dt
=

Pressão no reactor: ( )
( )
( )
reactor
R T t
p t n t
V
×
= ×
CASO 2: Reactor BATCH a Pressão Constante, volume variável
(somente aplicável para reacções na fase gasosa):
j
j
N
C
V
= e j j j
1 1
dC dN N d
V V
 
= × + ×  ÷
 
ou j j j
1 1
dN dC N d
V V
 
× = − ×  ÷
 
j j j
1 1
dN dC C V d
V V
 
× = − × ×  ÷
 
j j j 2
1 V
dN dC C dV
V V
× = + × ×
j j j
1 1
dN dC C dV
V V
× = + × ×
( )j j j
1
dN dC C d ln V
V
× = + ×
Equação de balanço molar para o reactor batch: j
j
dN1
r
V dt
= ×
Balanço molar para o reactor batch a pressão constante:
movable
piston
( )j
j j
dC d ln V
r C
dt dt
= + ×

1.3.3. Reactores de Fluxo Contínuo
1.3.3.1. Reactor Contínuo de Agitação Perfeita (CSTR)
• A composição e a temperatura são idênticas em qualquer ponto no interior
do reactor, j j
V
r dV r V× = ×∫
E POR ISSO a composição na saída é igual à composição em qualquer
ponto no interior do reactor!!!!
• A composição dentro do reactor não varia com o tempo, jdN
0
dt
=
Substituindo na equação geral de balanço molar,
j
j,0 j j
V
dN
F F r dV
dt
− + × =∫
j,0 j jF F r V 0− + × =
ou
j,0 j
j
F F
V
r
−
=
−
1.3.3.2. Reactor Tubular – “Plug Flow Reactor (PFR)”
Fj,0
Fj
Fj,0
Fj
um reactor CSTR

• “Plug flow”: um elemento (plug) move-se através do reactor sem interação
com o material em frente e atrás do elemento.
• A composição e a temperatura variam em função da posição no reactor;
faz-se um balanço molar no elemento diferencial de volume, no qual a
composição e a temperatura podem ser consideradas constantes
j j
V
r dV r V
∆
× = ×∆∫
• A composição em qualquer ponto no interior do reactor não varia com o
tempo; então no elemento diferencial do volume:
jdN
0
dt
=
j
j,0 j j
V
dN
F F r dV
dt
− + × =∫ :
( ) ( )j j jF V F V V r V 0− + ∆ + ×∆ =
ou
( ) ( )j j
j
F V V F V
r
V
+ ∆ −
=
∆
Aplicando o limite quando ΔV0,
( ) ( )j j j
j
v 0
F V V F V dF
r lim
V dV∆ →
+ ∆ −
= =
∆
j
j
dF
r
dV
=
1.3.3.3. “Packed Bed Reactor (PBR)”
∆V
Fj,0 Fj
Fj(V) Fj(V+∆V)
∆V
Fj,0 Fj
Fj(V) Fj(V+∆V)
um reactor PFR

Os reactores de enchimento (Packed Bed Reactors) são “plug flow reactors” com
enchimento no seu interior (de catalisador, por exemplo). A velocidade da
reacção é aqui normalizada com respeito à massa de sólido (W)
rj’ : Velocidade da reacção de formação de j no sistema
normalizada com respeito à massa do sólido (catalisador)
[moles de j/(min.
kg)]
j'
j,0 j j
W
dN
F F r dW
dt
− + × =∫ :
( ) ( ) '
j j jF W F W W r W 0− + ∆ + ×∆ =
ou
( ) ( )j j'
j
F W W F W
r
W
+ ∆ −
=
∆
Tomando o limite quando ΔW0,
( ) ( )j j j
j
W 0
F W W F W dF
r lim
W dW∆ →
+ ∆ −
= =
∆
j'
j
dF
r
dW
=
Resumo:
∆W
Fj,0 Fj
Fj(W) Fj(W+∆W)
∆W
Fj,0 Fj
Fj(W) Fj(W+∆W)
um reactor PBR

Exemplos de Cálculo
Exemplo de cálculo 1.1 (Problema P1.11A , in Fogler)
A reacção A B→ é processada isotermicamente num reactor contínuo. Calcule
tanto para CSTR como para PFR os volumes necessários para consumir 99% de
A (i.e., ( )A A0C 0.01C= quando o caudal molar da alimentação fôr 5 mol/h,
assumindo que a velocidade da reação –rA é:
(a) A 3
mol
r k com k 0.05
h dm
− = =
×
(Resp.: V = 99 dm3
)
(b)
1
A Ar kC com k 0.0001s−
− = =
(c)
3
2
A A
dm
r kC com k 3
mol h
− = =
×
(Resp.: VCSTR = 66,000 dm3
)
O caudal volumétrico da alimentação é de 10 dm3
/h. [Nota: A AF C v= × . Para um
caudal volumétrico constante 0v v= , então A A 0F C v= × . Também
( ) ( )3 3
A0 A0 0C F v 5mol h 10dm h 0.5mol dm= = = ]
Exemplo de cálculo 1.2 (Problema P1.12C , in Fogler)
A reacção na fase gasosa A B C→ + é processada isotermicamente num
reactor batch de volume constante de 20 dm3
. Vinte moles de A puro são
inicialmente postos no reactor. O reactor é perfeitamente agitado.
(a) Se a reacção fôr de primeira ordem:

1
A Ar kC com k 0.865min−
− = =
calcule o tempo necessário para reduzir o número de moles de A no
reactor para 0.2 moles. [Nota: A AN C V= × ]. (Resp.: t = 5.3 min)
(b) Se a reacção fôr de segunda ordem:
3
2
A A
2 dm
r kC com k
mol min
− = =
×
calcule o tempo necessário para consumir 19.0 moles de A.
(c) Se a temperatura fôr de 127°C, qual é a pressão total inicial? Qual é
a pressão total final assumindo que a reacção é completa?
Exemplo de cálculo 1.3
Resolva os exemplos de cálculo 1.1. e 1.2 usando o POLYMATH.

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