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7 reactores quimicos-rev 2103

F
Fersay
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REATORES
QUÍMICOS
1
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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
 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
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
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
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  • 2. 2
  • 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.  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. 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. 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. 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. 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.  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. 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. 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. 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. Relação entre a modelação matemática de reactores químicos e aspectos relevantes na engenharia da reacção química. 13
  • 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. 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
  • 17. Reator Contínuo Reator Descontínuo Reator Semi-Descontínuo Bateria de CSTR 17 Esquemas de reatores com design clássico
  • 18. Esquemas de reatores com design clássico CSTR 18
  • 19. Reator Tubular Reator Tubular de Leito Fixo 19
  • 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  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. 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. 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
  • 25. 25
  • 26. 26
  • 27. 27
  • 28. 28
  • 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
  • 33. 33
  • 34. 34
  • 35. 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
  • 36. 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.
  • 37. Considere o seguinte reator CSTR onde ocorre a reação química endotérmica A -> B Faça a legenda completa (slide seguinte) 37 Exercício
  • 45. Classificação das reacções químicas em projecto de reatores 45
  • 46. 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
  • 47. 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
  • 48. 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
  • 49. Coloca-se um reagente no início e outro alimenta-se continuamente 49
  • 50. 50
  • 51. 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)
  • 52. 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, …)
  • 53. 53
  • 54. 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
  • 55. 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
  • 56. 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
  • 57. 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
  • 58. Reactor Químico: sistemas de arrefecimento/aquecimento a- Camisa; b- Serpentina; c- Permutador interno; d- Permutador externo; e- Condensador de refluxo; f- Aquecedor externo 59
  • 59. 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
  • 62. 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
  • 64. 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
  • 65. 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
  • 66. Topo do reactor e motor do agitador 67
  • 67. Interior do reactor e agitador 68
  • 68. 69
  • 70. Topo do reactor e motor do agitador 71
  • 71. Reactor para Indústria: • Alimentar • Farmacêutica • Cosmética 72
  • 72. Reactores com superfície de aquecimento / arrefecimento para Indústria: • Alimentar • Farmacêutica • Cosmética • Biodiesel 73
  • 73. Reactor para indústria de: • Lacticínios • Bebidas 74
  • 74. Reactor tubular com camisa para indústria de: • Lacticínios • Alimentar • Vinícula 75
  • 76. 77
  • 77. 78
  • 79. 80
  • 80. 81
  • 81. 82