7 reactores quimicos-rev 2103

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7 reactores quimicos-rev 2103

  1. 1. REATORES QUÍMICOS 1
  2. 2. 2
  3. 3. Reator Químico Equipamento onde ocorre uma reação química, isto é, onde determinadas espécies moleculares são transformadas noutras espécies moleculares O fluido reacional pode ser aquecido ou arrefecido e pode também permutar 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 metalúrgicos ou fábricas de produtos químicos Está geralmente rodeado doutros equipamentos colocados a montante e a jusante, destinados a tratamentos físicos das matérias primas e dos produtos da reação Fazem também parte do equipamento utilizado na luta contra a poluição para tratar por via química ou biológica um certo número de efluentes. 3 Introdução
  4. 4.  Os reatores Químicos são equipamentos utilizados para a realização das transformações químicas e apresentam uma grande diversidade de formas e dimensões.  De facto, encontram-se nas unidades industriais como:  fornos,  caldeiras,  tanques,  colunas,  balões,  misturadores,  ou simples tubos.  Deste modo, poder-se-ia ser levado a pôr de parte qualquer tentativa de classificação dos reatores químicos, pensando que cada aparelho encontrado na prática constituía um caso particular. 4
  5. 5. A área da reação química é uma das áreas fundamentais dos curricula de engenharia química e fornece as ferramentas para compreender os processos químicos onde as reações químicas têm lugar (reatores) 5
  6. 6. Para se compreender, modelar, optimizar, dimensionar e controlar os reactores químicos, é necessário dispor de uma série de informação essencial, ou seja, de Parâmetros relacionados com: Projeto de um reator- princípios gerais Transferência de Calor e de Massa Propriedades dos fluidos e dos materi Dados termodinâmicos (entalpias das reacções, capacidades caloríficas) Leis cinéticas das reações envolv 6
  7. 7. As etapas de produção de qualquer produto químico podem ser divididas em 3 grandes grupos: 1. A parte principal é o reator químico onde ocorre a transformação de reagentes em produtos. É necessário conhecer um conjunto de parâmetros como  o mecanismo da reação,  condições dos reagentes e das matérias primas (grau de pureza, composição, etc),  condições de pressão e temperatura,  tipos de catalisadores 2. Antes de entrarem no reator, reagentes ou matérias-primas passam através de vários equipamentos, 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. 7
  8. 8. 3. Os efluentes do reator são, em geral, uma mistura de produtos, contaminantes e reagentes não reagidos que devem ser separados em equipamentos apropriados para se obter o(s) produto(s) na pureza adequada ao mercado.  Em geral, em todos os equipamentos usados antes e após o reator ocorrem apenas mudanças físicas no material, tais como: elevação da pressão (bombas e compressores) , aquecimento ou arrefecimento (permutadores de calor), mistura, separação etc.  Estas várias operações que envolvem mudanças físicas no material, independentemente do material que está sendo processado, são designadas por operações unitárias da indústria química  Estas operações podem ser agrupadas em divisões, como:  Mecânica de Fluidos: relacionada com transporte de fluidos, dimensão e tipo de tubagens, acessórios como bombas e compressores, etc  Transmissão de Calor: necessidade de fornecer ou retirar calor do sistema dependendo das reações químicas serem endotérmicas ou exotérmicas 8
  9. 9.  Mecânica de Fluidos: relacionada com transporte de fluidos, dimensão e tipo de tubagens, acessórios como bombas e compressores, etc  Transmissão de Calor: necessidade de fornecer ou retirar calor do sistema dependendo das reações químicas serem endotérmicas ou exotérmicas  Operações de agitação e mistura: são operações normais para homogeneizar a mistura formada por diferentes componentes que podem ser ser sólidos, líquidos ou gasosos 9
  10. 10. Os reactores químicos têm como principal objectivo converter, em condições controladas, reagentes em produtos. A fase de projecto é uma etapa determinante e pode envolver uma série de questões mais ou menos complexas, tais como: 10
  11. 11. Projeto do Reator Tipo de Reator Propriedades de Reagentes e Produtos Condições de Pressão e temperatura Sistemas de Controlo e Segurança Requisitos de Manutenção Custos de Investimento e Produção Condições de Transferência de Calor Projeto mecânico 11
  12. 12. A modelação matemática deste tipo 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 reacção química, são também tidos em conta os mecanismos de transferência de massa e calor, sendo possível estudar o comportamento estacionário ou dinâmico do reactor. Modelos matemáticos mais sofisticados podem ainda ter em conta as questões hidrodinâmicas, e as não idealidades inerentes a este tipo de processos. A figura seguinte mostra esquematicamente, a importância da modelação matemática na área da engenharia da reacção química. 12
  13. 13. Relação entre a modelação matemática de reactores químicos e aspectos relevantes na engenharia da reacção química. 13
  14. 14. 14 • Os reatores químicos utilizados na indústria, à escala piloto ou mesmo ao nível de estudos laboratoriais podem envolver princípios e design muito diversificado. • Ainda assim, podem usar-se algumas características operacionais ou de design para a sua classificação. • Apesar da engenharia da reação química não ser uma área recente, têm-se observado consideráveis inovações ao nível do design de reatores. Além dos reatores considerados clássicos existem reatores designados de novel reactors. Classificação dos Reatores
  15. 15. Classificação dos Reatores Modo de operação Tipo de reação Fases da mistura Geometria do Reator Contínuos Descontínuos Semi Descontínuos Catalíticos Não catalíticos Homogéneos Não Homogéneos Tanque Perfeitamente Agitado Tubular Contínuos: CSTR Descontínuos Semi Descontínuos Fase Homogénea Leito Fixo Leito Móvel 15
  16. 16. 16
  17. 17. Reator Contínuo Reator Descontínuo Reator Semi-Descontínuo Bateria de CSTR 17 Esquemas de reatores com design clássico
  18. 18. Esquemas de reatores com design clássico CSTR 18
  19. 19. Reator Tubular Reator Tubular de Leito Fixo 19
  20. 20. Reverse Flow Reactors Reator de Membranas Reator com Catalisador Estruturado Trickle-Bed Reactor L-fase líquida G- fase gasosa S- fase sólida 20 Esquemas de reatores com design inovador: novel reactor
  21. 21. 21  A descoberta de catalisadores sólidos, no início do séc. XX, e as suas aplicações nos processos químicos provocaram, de certo modo, uma revolução na indústria química.  A maior parte dos processos catalíticos é levada a cabo em reatores de leito fixo (fixed bed reactors), mais complexos no seu funcionamento que os reatores ideais em fase homogénea, uma vez que tem de ser tida em conta a sua natureza heterogénea.  Os reatores de leito fixo podem ser encontrados principalmente na indústria química de base (steam reforming, síntese de amoníaco e de metanol), na indústria petroquímica (produção de anidrido ftálico, butadieno) ou nas refinarias de petróleo (hydrocracking).  Por razões de produtividade e devido aos avanços tecnológicos, os reatores de leito fixo surgem em unidades de grande capacidade, frequentemente na forma multitubular, podendo em alguns casos atingir os milhares de tubos. Reatores Catalíticos
  22. 22. Os tubos são preenchidos com catalisador que permanece fixo nos tubos, passando a mistura reacional através dos espaços entre as partículas, mas ocorrendo a reação química sobretudo no interior das partículas. Deve referir-se que os principais problemas neste tipo de unidades estão relacionados com a transferência de calor e com as perdas de carga. 22 Reactor catalítico de leito fixo tubular
  23. 23. Partícula porosa de catalisador • As partículas são porosas para aumentar a área superficial do catalisador • Os reagentes são transportados para o interior dos poros devido à difusão molecular e são adsorvidos nos sítios ativos onde a reação irá ocorrer • Os produtos são desadsorvidos e por difusão saem do catalisador • O calor é transferido por condução • O catalisador vai sendo desativado por contaminação dos sítios ativos • Compostos de enxofre desativam catalisadores de Ni assim como depósitos de carbono 23
  24. 24. 24 http://fossil.energy.gov/images/programs/p owersystems/liqphasemethanol_schematic.j pg Catalizador da síntese do metanol (SMC-601)
  25. 25. 25
  26. 26. 26
  27. 27. 27
  28. 28. 28
  29. 29. Especificações Hr reforma pre - catalisador de hidrogenação tem alta atividade de dessulfuração e hydro - requinte, alta resistência de esmagamento.... Pxzt catalisadorcom preço competitivo é sua melhor escolha . Hr catalisador comUma alta atividade de dessulfuração e hydro - requinte , pouco saturado com aromáticos , moagem de alta resistência e estabilidade térmicaE é especialmente disponível para pre - hidrogenação da reforma do material de óleo . Forma :& phi ; 1.6-3.6mm trifolium A área de superfície :& ge ; 130m2 / g Volume de poros :& ge ; 0.27ml/g A força de esmagamento :& ge ; 16n/mm Tipo :Hr-1 hr-2 29
  30. 30. 30
  31. 31. 32 Reator de SO3
  32. 32. 33
  33. 33. 34
  34. 34. 35 Os “reatores químicos ideais” podem ter subjacente um de dois conceitos básicos, que permitem uma abordagem matemática simplificada destes processos: • mistura perfeita, onde se admite que não há variações espaciais das variáveis de estado (composições e temperatura); • escoamento pistão (plug flow), onde se consideram as variações espaciais das variáveis de estado (composições e temperatura) na direção axial do sistema, mas não na direção radial. No escoamento pistão, admite-se que todos os elementos de fluido se movem com a mesma velocidade. Geometria: CSTR e Tubular
  35. 35. 36 O conceito de mistura perfeita permite a conceção de reatores químicos do tipo:  reactor contínuo perfeitamente agitado (continuous stirred tank reactor- CSTR);  reactor descontínuo (batch) perfeitamente agitado;  reactor semi-descontínuo perfeitamente agitado. O conceito de escoamento pistão está subjacente aos  reactores do tipo tubular (PLF-plug flow reactors) No caso dos reatores perfeitamente agitados, a transferência de calor com o exterior pode ser promovida com recurso a serpentinas interiores ou camisas externas. No caso dos reatores tubulares a transferência ocorre em geral, através da parede lateral para camisas externas.
  36. 36. Considere o seguinte reator CSTR onde ocorre a reação química endotérmica A -> B Faça a legenda completa (slide seguinte) 37 Exercício
  37. 37. Legenda F0 CA0 To ρ0 38
  38. 38. http://www.youtube.com/watch?v=qszUm_imt7o&feature=player_detailpage 39
  39. 39. http://www.youtube.com/watch?feature=pl ayer_detailpage&v=UGJMKIyS-Vw http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=UGJMKIyS-Vw 40
  40. 40. 41 http://www.youtube.com/watch?feature=player_detail page&v=TIMXE5FeAy0
  41. 41. 42 http://www.youtube.com/watch?v=UB1EvUfDoUo
  42. 42. 43 http://www.youtube.com/watch?v=C561PCq5E1g
  43. 43. Mais vídeos http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=TIMXE5FeAy0 http://www.youtube.com/watch?v=K5NZxnIzMlY http://www.youtube.com/watch?v=IxasOeqaXsw http://www.youtube.com/watch?v=qszUm_imt7o Controlo do reator http://www.youtube.com/watch?v=UB1EvUfDoUo Incidente em reator http://www.youtube.com/watch?v=C561PCq5E1g 44
  44. 44. Classificação das reacções químicas em projecto de reatores 45
  45. 45. Reator contínuo de tanque agitado, CSTR Reator adequado para reações em fase líquida • São introduzidos um ou mais fluidos reagentes no reator • O agitador permite a dispersão dos reagentes no interior da mistura reacional, imediatamente após a sua entrada • A corrente de produto é extraída continuamente. • Para garantir um elevado tempo de permanência dos reagentes e aumentar o rendimento da reacção, usam-se normalmente um certo número de tanques ligados em série • O tempo de residência, ou o tempo médio em que uma quantidade discreta de reagente passa dentro do reator, obtém- se dividindo o volume do tanque pelo caudal volumétrico médio através do tanque 46 Funcionamento do Reator
  46. 46. 47 • O tanque é geralmente envolto por uma serpentina por onde circula um líquido com a função de controlar a temperatura (refrigeração para reações exotérmicas ou aquecimento para reações endotérmicas) • Em operação de regime, o fluxo de entrada deve ser mantido igual ao do fluxo de saída (caso contrário, o tanque esvaziaria ou transbordaria) • Frequentemente, é economicamente benéfico operar diversos reatores em série. Isto permite, por exemplo, que o primeiro reator opere em uma concentração de reagente mais alta e onsequentemente numa mais alta taxa de reação. Nestes casos, os tamanhos dos reatores podem variar de maneira a minimizar o capital de investimento requerido para implementar o processo
  47. 47. Reator semidescontínuo é carregado com um dos reagentes. O segundo reagente é adicionado continuamente durante o período da reacção. Reactor adequado para reações:  com fase líquida e fase gasosa em que a adição do gás de uma vez só ocuparia um volume demasiado elevado;  demasiado violentas se ambos os reagentes forem adicionados juntos;  demasiado exotérmicas que apresentem alguma dificuldade na transferência de calor para o exterior. Reator descontínuo a alimentação dos reagentes no reactor é feita de uma só vez e deixa-se a transformação química desenvolver-se em função do tempo. 48
  48. 48. Coloca-se um reagente no início e outro alimenta-se continuamente 49
  49. 49. 50
  50. 50. 51 Reator Tubular Reator adequado para reações em fase gasosa  O objetivo é passar os reagentes ao longo de um tubo de maneira a que haja o menos possível de interpenetração entre os reagentes que entram no tubo e os produtos que saem na extremidade oposta.  Um ou mais reagentes fluidos são bombeados através de uma tubo, que é o próprio reator.  A reação química ocorre à medida em que os reagentes viajam através do reator  A taxa de reação cria um gradiente em relação à distância percorrida: na entrada do reator, a taxa é muito alta, mas como as concentrações dos reagentes diminuem e a concentração do produto aumenta (ou as concentrações dos produtos aumentam) a taxa de reação diminui.  Os reagentes podem ser introduzidos no reator em locais que não seja o de entrada (para obter uma maior eficiência, menor tamanho ou menor custo)
  51. 51. 52  Para a maioria das reações químicas, é impossível alcançar 100% de conversão • O tempo de residência é o mesmo para todos os elementos de fluido, reagentes e produtos • Opera em condições de estado estacionário • É constituído por um tubo longo ou um conjunto de tubos curtos • A escolha do diâmetro depende dos custos de fabrico, de bombagem e da transferência de calor envolvida. • Grande variedade de aplicações em sistemas gás/líquido (produção de gasolina, cracking, síntese de amoníaco, oxidação de SO2, …)
  52. 52. 53
  53. 53. Resumo Reator CSTR Caraterísticas principais Principais utilizações • Sempre que se necessita de agitação intensa • Utlizado em reações na fase líquida Vantagens • Também conhecido como reator de tanque perfeitamente agitado • A entrada de reagentes e a saída do produto faz-se de modo contínuo, de acordo com as seguintes caraterísticas: 1. composição uniforme da mistura dentro do reator 2. A composição de saída é igual à do interior do reator 3. A taxa de conversão é a mesma em todo o reator • Capacidade de produção maior que em batelada • Custos operacionais menores que em batelada • Pode ser usado isoladamente , em série ou em paralelo • Permite um bom controlo da temperatura • Bom controlo da qualidade do produto devido ao controlo automático do processo Desvantagens A conversão de reagente por unidade de volume do reator é a menor dentre os reatores de escoamento contínuo 54
  54. 54. Resumo Reator Tubular Caraterísticas principais Principais utilizações • Utlizado em reações na fase gasosa Vantagens • Consiste num tubo por onde passa a mistura reacional • Os reagentes são continuamente consumidos à medida que avançam no reator ao longo do seu comprimento • Normalmente encontrado tanto na forma de um tubo longo como de um feixe de tubos • Manutenção relativamente fácil • Taxa de conversão mais alta por unidadde de volume de reator dentre os reatores com escoamento Desvantagens • Controlo difícil da temperatura podendo ocorrer pontos quentes quando a reação é exotérmica 55
  55. 55. REACTORES COM TRANSFERÊNCIA DE CALOR Sistemas de Aquecimento / Arrefecimento  A maioria das reacções químicas não ocorre à temperatura ambiente e portanto, os reagentes e produtos devem ser aquecidos ou arrefecidos.  Algumas reacções são exotérmicas, o calor deve ser removido;  Outras são endotérmicas, o calor deve ser fornecido.  São necessários cálculos de taxas de transferência de calor envolvidas e dimensionar os equipamentos (permutadores de calor) necessários. 57
  56. 56. No caso dos reactores perfeitamente agitados, a transferência de calor com o exterior pode ser promovida com recurso a  serpentinas interiores  camisas externas.  permutadores externos. No caso dos reactores tubulares a transferência ocorre em geral, através da parede lateral com recurso a  camisas externas. 58
  57. 57. Reactor Químico: sistemas de arrefecimento/aquecimento a- Camisa; b- Serpentina; c- Permutador interno; d- Permutador externo; e- Condensador de refluxo; f- Aquecedor externo 59
  58. 58. Reactor químico com tripla serpentina interior De aço inoxidável , tem capacidade de 18,6 m³, apresentando 2.500 mm de diâmetro, 4.500 mm de altura, com serpentina interna tripla de tubos de 3" de diâmetro e serpentina externa meia cana. Pode ser fabricado com aço inoxidável, alumínio, aço carbono e ligas especiais , sendo utilizado em processos industriais nos sectores químico, petroquímico, farmacêutico, de celulose e papel, entre outros. 60
  59. 59. Reactor Químico com Camisa Exterior 61
  60. 60. Reactor Químico com Permutador Externo 62
  61. 61. Operações de agitação e mistura:  São operações normais em plantas químicas para homogeneizar a mistura formada por diferentes componentes (reagentes e produtos).  São operações importantes em reactores, partes essenciais em qualquer processo.  São utilizados diferentes tipos, sempre levando em consideração o tipo de reacção como por exemplo processos em fase líquida ou gasosa, tipo de reagente (sólido, líquido ou gasoso), etc. 63
  62. 62. Pá torcida Pá virada Turbina Hélice Âncora 64 Agitadores dos Reatores Químicos
  63. 63. Reactores utilizados em reacções que ocorrem em fase líquida. A- Tubular; B- Reforma; C- Reactor “Sulzer”; D- Recirculação externa; E- Recirculação interna (Tubos de distribuição); F- Com agitação; G- Em cascata; H- Coluna reactiva; I- Multi-câmara; J- Leito fluidizado; K- Spray; L- A filme 65
  64. 64. a- Mistura de reagentes; a1 e a2- Reagentes; b- Produto; c- Refrigeração; d- Aquecimento; e- Água; f- Fase orgânica e água; g- Agitador; h- fase orgânica; i- Produto para recirculação; j- Catalisador; k- Mistura de reagentes parcialmente reagidos; l- Água; m- Recheio; n- Gás; o- gás combustível; p- Arrefecedor; q- Zona de convecção; r , s- elementos de mistura (tubos de transferência de calor). 66
  65. 65. Topo do reactor e motor do agitador 67
  66. 66. Interior do reactor e agitador 68
  67. 67. 69
  68. 68. Reactor tubular 70
  69. 69. Topo do reactor e motor do agitador 71
  70. 70. Reactor para Indústria: • Alimentar • Farmacêutica • Cosmética 72
  71. 71. Reactores com superfície de aquecimento / arrefecimento para Indústria: • Alimentar • Farmacêutica • Cosmética • Biodiesel 73
  72. 72. Reactor para indústria de: • Lacticínios • Bebidas 74
  73. 73. Reactor tubular com camisa para indústria de: • Lacticínios • Alimentar • Vinícula 75
  74. 74. 76 fotografias
  75. 75. 77
  76. 76. 78
  77. 77. http://www.coprinox.com/pdf/reactorsdata.pdf 79
  78. 78. 80
  79. 79. 81
  80. 80. 82

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